陈龙飞1傅仁轩2
(1.r州杰赛科技股份有限公司，广东广州510220;2.广东工贸职业技术学院，广东广州510510)
摘要：各类井盖遍布整个城市，为减少因井盖破损、移位等异常情况对人们的身体、财产造成的危害，笔者设计了一款基于物联网技术的智能井盖监测终端.终端为低功耗设计，使用大容量锂电池供电，防水式结构，安装在井盖背部.终端通过对角度传感器、水浸传感器的数据进行分析，然后依靠物联网通信技术实现对井盖状态的远程实时监测.安装试验结果表明，该终端可以有效监测井盖的异常状态并自动报告，从而使发生异常的井盖能得到及时处理，避免引发安全事故. 关键词：井盖监测；低功耗；防水设计；NB-IoT;LoRa；物联网
中图分类号：TP23文献标识码：A文章编号：1003-9767(2021)06-142-04
Design and Research of Intelligent Manhole Cover Monitoring Terminal Based
on Internet of Things Technology
CHEN Longfei1,FU Renxuan2
(1.Guangzhou Jiesai Technology Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong510220,China;2.Guangdong Polytechnic of Industry and
Commerce,Guangzhou Guangdong510510,China)
Abstract:Various types of manhole covers are scattered throughout the city.In order to reduce the damage to people's health and property caused by abnormal conditions such as manhole cover damage and displacement,the author designed a smart manhole cover monitoring terminal based on the Internet of Things technology.The terminal is designed for low power consumption,uses a large-capacity lithium battery for power supply,has a waterproof structure,and is installed on the back of the manhole cover.The terminal analyzes the data of the angle sensor and the water immersion sensor,and then relies on the Internet of Things communication technology to realize the remote real-time monitoring of the status of the manhole cover.The installation test results show that the terminal can effectively mon辻or the abnormal state of the manhole cover and automatically report it,so that the abnormal manhole cover can be dealt with in time and avoid safety accidents.
Keywords：manhole cover monitoring;low consumption;waterproof design;NB-IoT;Lora;Internet of Thing
0引言
城区内有各类型的井盖，具有数量多、范围大的特点，井盖发生异常后不仅会影响设施功能的正常发挥，还容易引发安全问题。近年来，因井盖破损或者遗失造成人员伤亡或财产损失的事件时有发生，而目前主要依靠人工巡查方式维护井盖，甚至不少井盖处于无人管理状态，对人们的安全出行造成威胁。本文基于物联网通信技术设计一款低成本、长续航的智能井盖监测终端，可以帮助运营企业对辖区内的井盖状态进行实时监控，当井盖发生移动、倾斜、水浸等异常时，会立即上报当前井盖的状态，使维护人员能及时到场，排除隐患[1'2]o 1智能井盖监测终端的设计与实现
1.1设计需求
智能井盖监测终端能够对井盖的状态进行实时监测，当井盖发生倾斜或者位移时能够立即通过无线远程通信方式报警，让运营管理企业及时排障a。城市窖井环境下安装的用电设备绝大多数需要自备电源，使用外置太阳能供电的成本过高，且安装难度大，因此在使用电池供电时，要严格控制功耗以保证长期续航，避免频繁更换电池造成运营成本上升。终端的续航能力应在5年以上。
终端在监测井盖的位移状态时，应能够监测自身的水浸状
作者简介：陈龙飞(1984-)，男，河南潔河人，硕士研究生，工程师。研究方向：物联网产品技术开发。
傅仁轩(1967—)，男，陕西西安人，硕士研究生，研究员级高级工程师。研究方向：测控自动化、物联网技术。
况，以反映窖井内的水位状态，最后为避免因库存导致电量损失以及发生误报情况，终端还应有工作和关机两种模式。各类井盖所处的环境比较复杂，终端通信方式应具备广域的通信环境适应性，覆盖尽可能多的区域，针对现场的各类通信环境应有对应的解决方案。在安装终端时应考虑需要长时间处于窖井环境下，在保证上述需求的同时还应达到IP68级的防水设计。因此，硬件设计、功耗控制、物联网通信网络配置是设计重点。
1.2硬件设计
终端硬件成本如果过高，会严重影响产品的普及速度，因此从结构到芯片选型都要严格控制成本，以使市场价格能让用户接受。本设计将STM32系列芯片中的STM32L151C8作为控制芯片，该芯片的市场供货稳定，在满足功能设计要求的同时具有明显的价格优势。用于做倾角状态检测的三轴加速度传感芯片使用具有超低功耗特的ADXL362，该芯片工作时的平均功耗约2uA，非常适合低功耗应用场景。终端供电设计使用单节ER26500锂电池（9000mAh），电池尺寸为©26.2mmx50.0mm，额定输出电压为3.6V，能够满足通信模块的通信要求。无线远程通信模块使用上海移远公司生产的NB-IoT模组BC28，当需要区域组网通信时使用LoRa通信模组SX1278。硬件的设计原理如图1所示。
图1硬件的设计原理
1.3功耗控制
终端微控制器STM32L151C8开机初始化完成后处于低功耗的待机状态，同时对外部各耗电器件进行严格控制，当收到各传感器输出的异常信息时退出待机模式并进入工作模式。终端所配备的通信模组，在不执行通信任务时通过MOS 管组合执行控电操作。其中，BC28通信模组的电源控制电路如图2所示。
VCC卜
图2BC28电源控制电路咛8
■G>vcc
■G>GND
在电路中，由STM32L151C8分配控制管脚Modem_ PwrCtl来执行对BC28供电的控制。当定时上报触发或者报
警机制启动时，STM32L151C8会开启通信模组电源，等待
模块初始化完毕后然后注册到附近，当和中心通信服务
器握手成功后将当前最新数据传输到中心系统，并接收中心
系统发来的查询、设置等指令，当等待中心指令超时后会关
闭BC28模组电源进入休眠模式。
产品在完成安装并上电启动后，除三轴加速度传感器处于工作模式外，主控制器STM32L151C8应长期处于低功耗
休眠模式，休眠电流控制在10uA以内。终端上电工作后主
控制器对各项外设进行单元化使能配置，从而严格控制整机
功耗。终端开机及运行的逻辑流程如图3所示。智能营销客户管理系统
图3软件运行逻辑流程图
终端正常运行按24h为一个工作周期，期间和中心系统执行1次通信，工作模式下的CPU主频为16MHz，数据通
信时间持续60s，平均功耗104.82mA，周期执行数据存储
操作持续120s，平均功耗19.67mA，待机模式下关闭高速
时钟，启动32.5KHz低速时钟，共持续86400秒，平均功
耗约9.87uAo终端使用单节9000mA锂电池供电，待机时
间最长可达8年以上，电池效率按照70%折算后，也能够续
航5年，可以满足设计需求。
医用护理床每台终端都设置有单独的识别ID，每天在指定时间向中心系统上传1帧数据报，当中心缺失终端的注册信息时，可
及时定位并发现故障终端以快速排障。当井盖发生倾斜或位
移时，终端则会立即唤醒通信模块（NB-IoT或者LoRa）,
将当前状态持续上传到中心系统，中心系统确认报警信息或
者当次报警次数超限后，则停止报警，另外当内置电池的电
量低时，也会报告当前设备的低电量警示信息以待处理，从
而使管理人员和检修人员可以清楚掌握辖区内井盖的分布和
运营状态，使井盖管理智能化、故障检修便捷化，以减少井
盖安全事故[4]o
1.4终端通信网络设计
物联网是在互联网基础上延伸和扩展的一种网络，通过各类传感器，如三轴加速度传感器、压力传感器、水位传感器等，按照既定的通信协议将各设备连接起来，实现定位、识别和监测等功能。NB-IoT是基于运营商的蜂窝网络，NB-IoT核心网与现有的EPC核心网不同，简化了网络架构，能够更好地支持低速率、大连接、广覆盖的通信业务切。在物联网应用中，直接利用现有的蜂窝网络容易造成网络负荷过高，NB-IoT在现有的蜂窝网络上进行优化，使200KHz的频率可以提供10万个连接，具有海量设备连接能力，而且在同样频段下，NB-IoT比传统数据网络有20dB的增益，覆盖面积扩大100倍叫能覆盖地下车库、地下室、地下管道等传统网络信号难以到达的地方。
LoRa网络主要由LoRa模块、网关（或称）、服务器和云端4部分组成，应用数据可达成双向传输，而且LoRa 模块的接收灵敏度可达到-148dbm[7]，穿透技术优势明显。用户可以自主建设，一次性投入后日常使用无通信费，比较适合小区、工厂、停车场以及运营商信号覆盖不到的地方。部署在井盖下方的无线通信设备，由于井盖的屏蔽作用，信号质量会受到影响。本设计根据典型的井盖部署环境，提供了3种通信解决方案。
1.4.1NB-IoT通信网
与其他无线通信技术相比,NB-IoT技术具有更低的损耗、更小的体积、更低的缓存以及较低的RF设计
等优点，因此对芯片的需求也相对较低[8]o国内各运营商大力推广NB-IoT 通信市场，给出了比较优惠的价格，客户无须专门部署通信，交付少量的通信费便可实现辖区井盖组网监测，因此在各大城市运营商信号覆盖范围内可直接使用配备NB-IoT 模组的井盖监测终端田％
1.4.2NB-IoT、LoRa混合通信
针对本身有孔或者露出缝隙比较大的金属井盖，如雨水井盖、排污井盖等，通信信号基本可以满足通信需求。但对于某些井盖，比如双层金属井盖的信号屏蔽性极强，当使用NB-IoT通信方式的终端放置进去后，信号较差，经测试发现无法满足通信要求时，需要使用配备有LoRa通信模组的终端，先将信号传输到附近区域的LoRa或者中继器处，然后再传回中心系统。混合通信架构如图4所示。
1.4.3LoRa通信组网
LoRa通信组网有两种情况。一种是大量郊区井盖监测点可能在电信运营商的覆盖范围外，无法有效使用电信运营商的4G、5G、NB-IoT网络信号执行远程传输，因此用户要自己组建通信网络，可以使用配备有LoRa通信模组的井盖监测终端。LoRa通信无遮挡环境下的直线通信距离可达10km，非常适用于郊区。另一种则是城市井盖监测点密集环境下的应用，信号在城市高楼阻挡环境下的有效通信半径约3km，可实现所覆盖区域的所有井盖监测点的数据集中处理。如果需要在城市各区域监测点全面覆盖联网，只需要在LoRa内配备基于电信运营商的4G或5G远程通信模组，将辖区内
所有的终端数据汇总后上传到指定的中心系统内。
2结构设计与安装调试
长期部署在井下环境的设备需要满足防水要求，因此智能井盖监测终端结构材质使用温变小的工程塑料级材质以保证无线通信的信号质量，在盖板装配时使用防水垫圈和4个以上的六角螺栓紧压来实现防水功能，当整机装配作业完成后应避免再次开合。终端结构表面采用无开孔设计，为配合运输以及现场调试需要，在终端主控制板上配有一个磁簧开关，通过外部磁铁可实现无接触式控制交互，如长吸合5s以上，终端进入休眠状态，此时不会触发报警信息。在设备完成安装并投入运行后，再执行长吸合动作5s以上即可激活工作状态。
井盖的类型以及材质多种多样，有铸铁井盖、水泥井盖、复合材料井盖等，以铸铁井盖为主，智能井盖监测终端一般先安装在支架上，然后再将支架紧固在井盖底部，必要时可以打孔紧固。对于铸铁类金属材质的井盖，一般采用金属卡箍式支架，通过六角螺栓紧固在井盖底部加强筋位置，对于底部空间相对平整的终端支架也可以通过强磁铁吸附在井盖底部。
3结语
城市内的井盖因各种原因会发生移位、缺失、水满溢出等问题，如果发生异常情况后未及时处理则可
能对行人的生命或财产带来威胁。本文针对当前井盖运营状态存在的不足，提出一款基于物联网技术的智能井盖监测终端设计。本设计是通过一款低成本的监测终端对井盖倾斜度及窖井内水浸状态进行自动分析，实现对城市井盖状态的远程监测，可有效替代人工的日常巡检，不仅能够大幅度减少井盖异常带来的安全问题，还可以降低井盖保障单位的运营成本，具备广阔的市场前景。
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