智慧城市井盖管理监测系统

2013年4月，住房城乡建设部发布《关于进一步加强城市窨井盖安全管理的通知（建城【2013】68号）》，明确指出：要明确井盖管理的牵头部门，将井盖管理纳入省级住房城乡建设部门检查评比考核体系；实行井盖的数字化管理，积极推进井盖资源的安全管理信息化建设。政策背景1目前，全国范围内有井盖50亿个以上，全国每年新增、更换井盖1500万个以上。由于产权单位和用途的不同，城市井盖多达十几种，涵盖多个部门，产权复杂导致井盖管理混乱。由于井盖长期暴露在室外，且经常被超负荷的车辆碾压，井盖破损导致人员伤亡事件频发。城市地下管网交错。一个检查井盖就对应一段庞大而复杂的地下管线，需要智能化管理地下管线信息以及防止地下管线被盗取和破坏。城市管理的需求12009201020112012201320142015201620172018智能井盖行业在当前国内市场，尚处于半饱和状态，据统计，一个50万人口的城市每年对井盖的需求量为1～2万套，目前全国检查井盖保有量约有数亿套以上，全国每年新增井盖数量和每年更换量至少在1500万套以上。据数据显示，目前全国范围内已有井盖50亿个以上，全国每年新增、更换井盖1500万个以上，而出口在我国井盖行业产品中也占重要比例。这对智能井盖行业提供了良好的发展前景和广阔的消费市场。94341050市场分析118.70广阔的发展前景据前瞻产业研究院发布的《智慧城市建设发展前景与投资预测分析报告》数据显示，2017年我国智慧城市市场规模将达到6.0万亿元，未来五年(2017-2021)年均复合增长率约为32.64%，2021年市场规模将达到18.7万亿元。市场前景1应用场景1主要特点2智慧终端管理监测云平台手机端APP主要优点2主动性低功耗低成本信息联动反馈及时易于安装维护城市治安实时监控井盖状态，当井盖发生翻转或移动会启动报警，确保安全，防止井盖被盗后没有及时补上，而造成安全隐患。采用超声波液位计、压力水位计等水位检测模式，实时监测易淹易涝点水位情况基于多点的监测形成城市小流域液位监测网络，根据液位数据变化，判断管网淤堵点，高效安排管网疏通工作。井盖爆炸隐患的主要原因是井内甲烷浓度超标，可以通过专门的传感器检测甲烷浓度，在即将超标后已经超标时报警，从而避免爆炸隐患。井下液位检测淤堵排污检测井内有害气体检测丰富的应用场景

物联网技术的进步，为该类公共资产的智能化管理提供了解决方案。基于NB-IoT的智能井盖解决方案能够有效解决井下无线信号覆盖差的情况下，监测终端无法上报信息的问题。相比于传统的GPRS方式，穿透能力可以提升20dB增益，续航时间从过去的几个月大幅提升到几年，可扩大监测覆盖区域，消除覆盖死角，降低建设维护成本。功能应用场景2监控终端核心网管理平台NB通信基站服务器管理框架3监控终端的管理框架智能井盖监控终端检测井盖的状态，并按一定的时间间隔采集终端的状态信息，将数据与井盖编号等固定信息融合，通过NB-IoT射频模组与附近基站通信，数据经由核心网传输至服务器，连接服务器的管理平台接收数据后产生报表和报警信息，管理人员也可以在管理平台上查看所有井盖的状态，每个井盖具有唯一的编号，可根据编号定位井盖的安装位置。硬件设计3天线通信模组微控制器传感器电源管理芯片电池采用被动触发设计，NB-IoT通信模组与MCU芯片处于低功耗模式，加速度传感器使用低速率检测。当井盖异动后，加速度传感器会发出外部中断信号，唤醒MCU。随后MCU采集传感器信息并解算出倾角数据，当其超过设定的倾角阈值时，就会启动NB-IoT模组向服务器发送数据，完成后重新进入低功耗休眠状态。及时上报采用被动触发设计，NB-IoT通信模组与MCU芯片处于低功耗模式，加速度传感器使用低速率检测。当井盖异动后，加速度传感器会发出外部中断信号，唤醒MCU。随后MCU采集传感器信息并解算出倾角数据，当其超过设定的倾角阈值时，就会启动NB-IoT模组向服务器发送数据，完成后重新进入低功耗休眠状态。异动报警MCU定时检测水位信息，当水位数据达到报警阈值时，向平台发送告警信息，同时缩短检测间隔，并将水位信息实时上传到管理平台。水位检测传感器定时收集井下气体浓度信息，并且在超出阈值时，增加检测次数，将浓度信息实时反映到平台。气体检测功能原理3工作原理控制软件的流程图如图所示。该终端初次上电后，将调节MCU的工作频率和核心区域电压以降低MCU的运行功耗。然后有一个时间长度可调的不工作时间空余，用于监控终端在井盖上的安装。随后将进行I2C接口与USART串口的初始化，分别对NB-IoT通信模块和加速度传感器进行初始化配置。接下来将配置MCU的实时时钟功能，设置定时时间唤醒以用于周期性上报智能井盖状态信息。最后配置实时时钟中断以及外接传感器的外部中断。至此，该系统初始化完成。随后，MCU程序将进入循环，使MCU进入停机模式保持低功耗，NB-IoT模组也进入待机模式保持低功耗，只有加速度传感器始终处于工作模式。当井盖被盗翻动时，设置阈值的加速度传感器会产生一个外部中断，将MCU从停机模式中唤醒，随后立即进入该外部中断的服务程序，该服务程序的主要功能是接收加速度传感器传回的加速度信息，并解算出倾角数据，判断当倾角大于设定的阈值，则唤醒NB-IoT通信模组，将数据打包并发送到后台服务器，起到报警作用。随后回到循环，MCU与NB-IoT模组重新进入低功耗模式。当实时时钟设置的定时时间到达时，将MCU从停机模式唤醒，进入实时时钟定时的中断服务程序，该服务程序的主要功能是将智能井盖状态信息发送到后端服务器，保证后端平台能知晓智能井盖的运行状态。同时，初始化MCU的ADC接口，采集并计算电池电压数据，当电池电压低于设定阈值时，发送电池电量报警信息到后端服务器。随后回到循环，MCU与NB-IoT模组重新进入低功耗模式。嵌入式软件设计3智慧终端主要优势智慧终端3NB-IoT/LoRaWAN同时支持组网方式；井盖监测终端标签身份识别，配合手机APP录入；可监控井盖倾角，是否产生位移防止井盖异常掀起或是被盗，监控井盖是否出现剧烈震动防止井盖未安装好；选配GPS定位，帮助寻找被盗井盖；选配液位和侵水监测，适用于监控雨水、污水井盖下的井内水位过高出现内涝；选配水质监测，配合水质监测部门，提供地下水污染信息；免布线，安装方便；IP69等级设计，耐磨、耐压、抗震；不惧高温严寒，-30℃——65℃均可使用；与井盖监控平台、运维手机APP联动，异常及时上报监管平台，并通知人员现场维护。原理图设计电路设计主要分为电源、MCU、传感器、NB-IoT通信模块、SIM卡、调试电路等几大部分。电源模块主要是转压芯片与电源滤波设计，传感器模块与MCU通过I2C协议通信，NB-IoT通信模块与MCU通过USART协议通信，采用NB专用SIM卡与NB-IoT通信模块连接。

智慧终端——原理图设计4该监控终端的PCB设计采用两层板，厚度是0.8mm，顶层是主要的器件放置与信号布线层，低层是信号地，板子形状考虑到天线与电池的放置做了异形板。PCB设计智慧终端——PCB设计4监测终端的外壳采用独特的防水材质，通过胶封等手段提升其防水性能，保障设备运行的可靠性结构设计实时监控信息管理平台4主要优点如下：实时数据：井盖监测系统可以统计各分项某段时间内逐日、逐周、逐月、逐季、逐年井盖情况；协同分析：敏捷化、无感知物联网部署，为智慧井盖协同运营提供数据支撑；线上监管：线上实时监管井盖状态，如有异常状态，及时分发到管理人员，实现线上监管；线下处理：管理人员收到异常事件后，快速响应，快速处理。实时监控统计分析定期巡检系统管理外场测试本项目的测试点已遍布全国，在各地均有良好反响，测试结果表