基于 LoRa 的井蓋安全監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

引 言

隨著社會的不斷發(fā)展及城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，用于檢查地下管線的檢查井構成的井蓋群隨處可見。然而，井蓋的破損及丟失帶來了嚴重的安全隱患，如汽車陷井、窨井傷人等 [1-2]，給人們的人身安全與財產安全帶來了嚴重的威脅。為了減少井蓋安全事故的發(fā)生，許多城市采用專人定期維護與巡查的方法實現(xiàn)井蓋管理。但是采用人工巡查方式不能第一時間發(fā)現(xiàn)并處理井蓋移位或丟失的問題，所以井蓋安全的有效管理成了城市管理的重大難題。

針對以上問題，文獻 [3-4] 提出采用 ZigBee 技術進行井蓋狀態(tài)監(jiān)測。針對 ZigBee 通信距離短的問題，本文提出一種基于 LoRa 技術 [5-9] 的城市道路井蓋安全監(jiān)測系統(tǒng)，利用安裝在井蓋背面的觸發(fā)器實時監(jiān)測井蓋狀態(tài)，同時將狀態(tài)數(shù)據(jù)信息匯集至集中器后，通過 4G 傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，實現(xiàn)對井蓋狀態(tài)的實時監(jiān)測，從而提高井蓋安全管理的實時性與便捷性。

1 系統(tǒng)總體結構

井蓋移位監(jiān)測裝置包含感知層、網(wǎng)絡層與應用層，是物聯(lián)網(wǎng)在智慧城市領域的典型應用。感知層由觸發(fā)器節(jié)點構成， 用于感知監(jiān)測井蓋的位置信息，當發(fā)生井蓋移位時將報警信號通過網(wǎng)絡層傳輸?shù)椒掌骷皯脤?。網(wǎng)絡層增加集中器與中繼器裝置，向下采用低功耗廣域網(wǎng)，向上采用 4G 網(wǎng)絡。應用層提供用戶顯示、管理與維護功能。系統(tǒng)架構如圖 1 所示。

加裝 LoRa 通信模塊的觸發(fā)器布置在每個井蓋下方，負責實時采集城市道路井蓋安全狀態(tài)信息，并將狀態(tài)信息發(fā)送至集中器或中繼器。

LoRa 與 4G 模塊構成集中器，主要負責 LoRa 網(wǎng)絡構建與數(shù)據(jù)遠程傳輸。集中器接收觸發(fā)器的數(shù)據(jù)通過串口傳至4G 模塊，借助 4G 通信網(wǎng)絡將觸發(fā)器采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)竭h端監(jiān)測中心。

監(jiān)測中心實時接收集中器傳送來的井蓋安全狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，同時提示井蓋安全報警信息以便及時采取補救措施，實現(xiàn)對城市道路井蓋的實時監(jiān)測與管理。

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計及實現(xiàn)

智能井蓋移位裝置包括井蓋觸發(fā)器、集中器裝置，涵蓋系統(tǒng)感知層與網(wǎng)絡層。

2.1 觸發(fā)器總體設計

觸發(fā)器的硬件部分包括低功耗 MCU、傾角傳感器、低功耗無線傳輸模塊、天線接口及電源模塊。軟件部分主要包括傳感器程序管理、系統(tǒng)睡眠喚醒管理、初始化參數(shù)管理及數(shù)據(jù)傳輸管理四個部分。井蓋移位監(jiān)測部分主要由傾角傳感器、低功耗 MCU、睡眠管理實現(xiàn)，根據(jù)監(jiān)測需求需實現(xiàn) 24 小時異常開啟報警與欠壓報警功能。系統(tǒng)總體設計原則要求考慮低功耗設計，傾角傳感器 24 小時連續(xù)采集數(shù)據(jù)且計算角度需滿足系統(tǒng)低功耗的要求。

傾角傳感器選用 ADI 公司生產的一款超低功耗三軸加速度傳感器，該傳感器具有中斷功能，即當加速度傳感器檢測到某一軸上的加速度大于設定閾值（初始化可設置）時，其中斷引腳可輸出一個觸發(fā)信號（上升沿、下降沿通過初始化設置）。利用這一功能結合睡眠管理可喚醒睡眠中的 MCU， 而后采集三軸加速度數(shù)據(jù)，根據(jù)公式計算得到傾角，從而判斷是否超出設定傾角閾值，是否異常以開啟報警。

欠壓報警功能利用低功耗 MCU 片上 ADC 模塊實現(xiàn)對電池電壓的模數(shù)轉換得到電池電壓值，當電壓值小于一定值后，說明電池電量已耗盡并發(fā)出欠壓報警信號。

完成系統(tǒng)初始化后，讀取 E2PROM 內配置參數(shù)，若進入設置模式，則等待外部手持配置機配置參數(shù)。主程序開啟定時喚醒中斷與外部觸發(fā)中斷后，運行在低功耗睡眠模式下， 等待 RTC 定時喚醒或傾角傳感器事件觸發(fā)中斷喚醒，每次中斷結束后重新回到睡眠模式。觸發(fā)器主程序流程如圖 2 所示。

2.2 集中器總體設計

集中器硬件部分主要包括 MCU 微處理器單元、低功耗無線收發(fā)模塊、4G 無線模塊、實時時鐘電路、接口電路與電源模塊等幾個部分。軟件部分主要包括組網(wǎng)管理、中繼管理、定時上報與數(shù)據(jù)轉發(fā)。

首先完成系統(tǒng)初始化，用于檢測電池電壓的 ADC 初始化，然后開啟 1 s 定時器中斷。系統(tǒng)每隔 1 s 讀取一次當前實時時間與電池電壓值。當接收到新數(shù)據(jù)幀時，立即回復確認信息，并進入數(shù)據(jù)處理子程序，當系統(tǒng)檢測到到達設定的周期健康狀態(tài)信息上報時間時，向上級集中器逐條發(fā)送所管理的所有節(jié)點的健康狀態(tài)信息，包括節(jié)點地址、狀態(tài)角度、無線信號強度。集中器模式下，主程序同樣先完成系統(tǒng)初始化、ADC 初始化、LoRa 模塊初始化等，開啟 1 s 定時器中斷后，每隔 1 s 更新一次實時時間與電池電壓值。當接收到一幀新數(shù)據(jù)后回復確認信息，并將數(shù)據(jù)幀重新封裝，通過4G 模塊發(fā)送至遠程服務器端。集中器軟件主程序流程如圖 3 所示。

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

監(jiān)測系統(tǒng)主要實現(xiàn)井蓋狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的接收、統(tǒng)計、分析與展示。監(jiān)測中心接收集中器發(fā)來的井蓋狀態(tài)信息，對井蓋進行編號，并將井蓋的剩余電量與傾角值存儲至數(shù)據(jù)庫以便實時查詢井蓋狀態(tài)信息。同時，借助監(jiān)測系統(tǒng)軟件設定井蓋閾值，當接收到的數(shù)據(jù)超過設定閾值后，產生相關報警信息，并以短信方式發(fā)送至相關手機，以便及時通知井蓋權屬單位與管理人員，及時排除井蓋安全隱患。監(jiān)測系統(tǒng)平臺與短信報警截圖如圖 4 所示。

4 結 語

本文提出了基于 LoRa 的實時井蓋安全監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)對城市道路井蓋安全狀態(tài)的實時監(jiān)測。應用結果表明，該井蓋安全監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對城市道路井蓋的實時監(jiān)測，加強了城市井蓋的安全有效管理。