基于NB-IOT技術的智能井蓋監(jiān)測終端設計摘要隨著物聯(lián)網(wǎng)也就是IoT技術的不斷發(fā)展，智能化管理已然成為城市基礎設施建設的關鍵方向，井蓋身為城市道路基礎設施里的關鍵構成部分，由于老化、損壞以及丟失等狀況，存在一定程度的安全隱患，傳統(tǒng)的井蓋管理方式難以對井蓋的狀態(tài)進行實時監(jiān)控，而且還存在一定的人工巡檢成本?；谶@樣的情況，本文給出了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)即NB-IoT技術的智能井蓋監(jiān)測終端設計方案。本文一開始分析了NB-IoT技術的優(yōu)勢，像低功耗、大連接以及廣覆蓋等特性，適合用于井蓋監(jiān)測終端的遠程通信需求，基于NB-IoT的低功耗廣域網(wǎng)也就是LPWAN技術，讓井蓋監(jiān)測終端可達成遠距離、高效的數(shù)據(jù)傳輸，同時降低了設備的能耗以及維護成本。本文設計的智能井蓋監(jiān)測終端由傳感器模塊、通信模塊和數(shù)據(jù)處理模塊構成，借助傳感器實時監(jiān)測井蓋的位移、振動、傾斜等狀態(tài)，并借助NB-IoT網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)上傳至云平臺，達成井蓋的遠程監(jiān)控以及故障預警，系統(tǒng)借助智能分析算法，可依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷井蓋是否存在安全隱患，并且及時向管理人員發(fā)送報警信息。該設計提高了井蓋的管理效率，以及效降低了安全隱患的發(fā)生率，提升了城市管理的智能化水平。本文對智能井蓋監(jiān)測終端的功能和性能做了實驗驗證，結果顯示，系統(tǒng)可穩(wěn)定運行，有較強的適應性和可靠性，可契合實際應用需求，該研究為智能井蓋監(jiān)控系統(tǒng)的推廣和應用提供了技術支持和實踐參考。關鍵詞：NB-IoT；云平臺；智能井蓋；

AbstractWiththecontinuousdevelopmentoftheInternetofThings(IoT)technology,intelligentmanagementhasbecomeakeydirectioninurbaninfrastructureconstruction.Asacrucialcomponentofurbanroadinfrastructure,manholecoversposecertainsafetyrisksduetoaging,damage,andloss.Traditionalmanholecovermanagementmethodsaredifficulttomonitorthestatusofmanholecoversinrealtime.Moreover,thereisalsoacertaincostofmanualinspection.Basedonsuchasituation,thispaperpresentsadesignschemeofanintelligentmanholecovermonitoringterminalbasedonnarrowbandInternetofThings,namelyNB-IoTtechnology.Atthebeginningofthisarticle,theadvantagesofNB-IoTtechnology,suchaslowpowerconsumption,largeconnectioncapacityandwidecoverage,areanalyzed.Thesecharacteristicsaresuitablefortheremotecommunicationrequirementsofmanholecovermonitoringterminals.Thelow-powerwideareanetworkbasedonNB-IoT,namelyLPWANtechnology,enablesmanholecovermonitoringterminalstoachievelong-distanceandefficientdatatransmission,whilereducingtheenergyconsumptionandmaintenancecostsoftheequipment.Theintelligentmanholecovermonitoringterminaldesignedinthispaperiscomposedofasensormodule,acommunicationmoduleandadataprocessingmodule.Withthehelpofsensors,thedisplacement,vibration,inclinationandotherstatesofmanholecoversaremonitoredinrealtime.AndwiththehelpoftheNB-IoTnetwork,thedataisuploadedtothecloudplatformtoachieveremotemonitoringandfaultearlywarningofmanholecovers.Thesystemusesintelligentanalysisalgorithms.Basedonthemonitoringdata,itcanbedeterminedwhethertherearepotentialsafetyhazardswiththemanholecovers,andalarminformationcanbesenttothemanagementpersonnelinatimelymanner.Thisdesignhasimprovedthemanagementefficiencyofmanholecovers,effectivelyreducedtheincidenceofpotentialsafetyhazards,andenhancedtheintelligentlevelofurbanmanagement.Thispaperconductsexperimentalverificationonthefunctionsandperformanceoftheintelligentmanholecovermonitoringterminal.Theresultsshowthatthesystemcanoperatestably,hasstrongadaptabilityandreliability,andcanmeettheactualapplicationrequirements.Thisresearchprovidestechnicalsupportandpracticalreferenceforthepromotionandapplicationoftheintelligentmanholecovermonitoringsystem.KeyWords:NB-IoT;CloudPlatform;IntelligentManholeCover;目錄1緒論 [25]。OneNET平臺依靠其強大功能與廣泛應用場景，為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者提供了高效穩(wěn)定安全的開發(fā)環(huán)境，其“云-網(wǎng)-邊-端”整體架構和豐富核心功能，能契合不同用戶需求，經(jīng)多領域驗證，該平臺已成熟可靠，本系統(tǒng)選擇該平臺作為云端平臺。本章小結本章重點闡述物聯(lián)網(wǎng)井蓋監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計方案，此系統(tǒng)包含三個主要構成部分，即終端信息采集系統(tǒng)、無線傳輸模塊以及上位機監(jiān)控平臺，終端系統(tǒng)借助集成傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、通信模塊以及電源模塊，對井蓋狀態(tài)與周邊環(huán)境展開實時監(jiān)測，像井蓋傾角、氣壓、氣體濃度、液位以及溫濕度等各類數(shù)據(jù)。一旦檢測到異常狀況，系統(tǒng)便會發(fā)出聲光報警，同時經(jīng)由NB-IoT模塊將數(shù)據(jù)上傳至云平臺，無線傳輸部分采用MQTT協(xié)議，該協(xié)議有輕量級且高效的特點，適用于低帶寬、高延遲的網(wǎng)絡環(huán)境，頗為契合物聯(lián)網(wǎng)場景，云端平臺選用OneNET平臺，可提供設備管理、數(shù)據(jù)分析以及遠程控制等功能，以此保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。憑借這一設計，井蓋監(jiān)控系統(tǒng)可達成實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，并且在異常狀況下及時做出響應，為城市基礎設施的智能化管理提供有效解決辦法。智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)供電設計方案終端系統(tǒng)的運行需要可靠的電源供電，本系統(tǒng)的終端采用12.6V的電池供電，但是主控制器和一些采集傳感器的工作電壓為3.3V或5V。因此需要做電壓轉換，12.6V轉5V通過CN3903降壓，5V轉3.3V則通過ME6211C33M5G實現(xiàn)。前者由于輸入電壓和輸出電壓的壓差較大，故選擇BUCK（降壓型開關穩(wěn)壓器），后者壓差較小，所以可以選擇LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）。BUCK電源管理器件和LDO電源管理器件有所不同，二者在工作原理、性能特點以及應用場景方面存在著十分突出的差異，BUCK依靠高頻開關管控制電感的儲能與釋放過程，以此把輸入電壓降低到所需的輸出電壓，其轉換效率較高，在輸入輸出壓差比較大的情況下，效率優(yōu)勢較為突出，然而它的輸出紋波以及噪聲相對較大，穩(wěn)壓性比不上LDO。LDO借助調(diào)整自身壓降來實現(xiàn)將輸入電壓降至所需輸出電壓，效率較低，在輸入輸出壓差較大時，會有較大的能量損失，不過其輸出電壓穩(wěn)定，噪聲低且紋波小，適用于對噪聲敏感、低壓差以及小電流的應用場景，依據(jù)這些特性，12.6V轉5V因壓差較大，選擇BUCK類器件，而5V轉3.3V的小壓差則更適宜使用LDO類器件。系統(tǒng)電源電路圖如圖3-1。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s11系統(tǒng)電源電路圖主控模塊主控模塊選擇要考慮低功耗、低成本、穩(wěn)定性及環(huán)境適應性等因素，本系統(tǒng)主控模STM32F103C8T6單片機作為井蓋終端的主控制器，具有成本低，功耗低等優(yōu)點與大多數(shù)傳感器供電電壓一致，采用3.3V供電。本文采用的STM32F103C8T6單片機核心板內(nèi)部電路圖如圖3-2。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s12STM32單片機核心板內(nèi)部原理圖STM32C8T6核心板如圖3-3所示。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s13STM32C8T6核心板通信模塊無線通信模塊在終端和云平臺之間起著至關重要的作用，本系統(tǒng)選擇MN316作為本系統(tǒng)無線通信模塊，MN316在PSM（省電模式）下耗流僅1.0uA，滿足本系統(tǒng)低功耗的設計要求。MN316電路原理圖如圖3-4所示。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s14MN316通信模塊電路原理圖MN316NB-IOT通信模塊實物圖如圖3-5所示。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s15MN316模塊實物圖定位模塊為了實現(xiàn)井蓋的精確定位，對井蓋的位置信息進行采集，使用U-BLOXNEO-6M模組采集經(jīng)緯度信息。跟蹤靈敏度為–162dBm，冷啟動靈敏度為–148dBm，冷啟動時間29秒，定位精度可達2.5米，–40°C至85°C，通過串口輸出定位數(shù)據(jù)，支持NMEA-0183協(xié)議。定位模塊與主控制器采用串口通信，首先模塊開始工作的時候，單片機對其上電初始化，對位置信息進行采集，通過與單片機相連的串口，將位置信息發(fā)送給主控制器。NEO-6M定位模塊電路原理圖如圖3-6所示。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s16NEO-6M定位模塊電路原理圖NEO-6M模塊實物圖如圖3-7所示。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s17NEO-6M模塊實物圖傾角檢測模塊傾角傳感器有許多不同的類型，包括單軸傾角傳感器、雙軸傾角傳感器和三軸傾角傳感器等。它可以檢測物體在水平面上的傾斜角度，通常使用重力或加速度計的原理來工作，每種類型的傾角傳感器都有其獨特的優(yōu)點和應用場景?？紤]到功耗，精度，價格等方面因素，選擇MPU6050作為本系統(tǒng)的傾角傳感器。MPU6050是由InvenSense公司推出的一款集成六軸運動處理傳感器，它將三軸加速度計和三軸陀螺儀集成在同一芯片上。這種集成設計不僅減少了封裝空間，還避免了多組件方案中各組件時間軸差異的問題。此外，MPU6050還內(nèi)置了數(shù)字運動處理器（DMP），進行姿態(tài)結算，將自身X、Y、Z軸的加速度、角速度參數(shù)，通過數(shù)據(jù)融合，可進一步得到三軸姿態(tài)角（歐拉角），從而減輕主控制器的負擔。MPU6050電路原理圖如圖3-8所示。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s18MPU6050傾角檢測模塊電路原理圖MPU6050模塊實物圖如圖3-9所示。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s19MPU6050實物模塊圖甲烷氣體測量模塊綜合考慮本設計系統(tǒng)的原則，甲烷傳感器選擇MP-4可燃氣體傳感器。MP-4可燃氣體傳感器采用多層厚膜制造工藝，在微型Al2O3陶瓷基片的兩面分別制作加熱器和金屬氧化物半導體氣敏層，封裝在金屬殼體內(nèi)。當環(huán)境空氣中有被檢測氣體存在時傳感器電導率發(fā)生變化。該氣體的濃度越高，傳感器的電導率就越高。采用簡單的電路即可將這種電導率的變化轉換為與氣體濃度相對應的輸出信號。MP-4在較寬的濃度范圍內(nèi)對甲烷有良好的靈敏度，具有抗干擾能力強、功耗低、響應恢復快、穩(wěn)定性好、壽命長、低成本、驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點。MP-4線性曲線圖如圖3-10所示。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s110MP-4線性曲線圖基于MP-4的線性曲線特點，采用分段擬合的方式計算測量甲烷濃度。輸出電壓低于0.5V時，低于MP-4的測量范圍，甲烷濃度視為0。輸出電壓在0.5V至2V時，甲烷濃度（ppm）=輸出電壓（V）×750。輸出電壓在2V至4V時，甲烷濃度（ppm）=輸出電壓（V）×7714.3-13928.6。該傳感器可以檢測甲烷、天然氣、沼氣等可燃氣體，標準測試使用5V電壓供電。MP-4電路圖如圖3-11所示。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s111MP-4電路圖MP-4實物模塊圖如圖3-12所示。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s112MP-4實物模塊圖溫濕度及氣壓檢測模塊本系統(tǒng)選用的溫濕度及氣壓傳感器為BME280，一款集溫度、濕度和氣壓測量功能于一體的低功耗環(huán)境傳感器。溫度測量基于NTC熱敏電阻的特性，其電阻值隨溫度變化而改變，通過測量電阻值來推算溫度。濕度測量利用聚合物膜的介電常數(shù)隨濕度變化的原理，膜的電容值會因吸附水汽量的變化而改變，從而測量相對濕度。氣壓檢測采用電容式壓力傳感器，環(huán)境壓力變化導致兩極板間電容值變化，進而計算氣壓。溫度測量精度可達±1℃，濕度測量精度為±3%RH，氣壓測量范圍為300到1100百帕。BME280溫濕度及氣壓監(jiān)測模塊電路原理圖如圖3-13所示。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s113BME280溫濕度及氣壓監(jiān)測模塊電路原理圖BME280模塊實物圖如圖3-14所示。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s114BME280模塊實物圖液位高度檢測模塊YW01是一款用于接觸測量的電阻式液位傳感器，它的工作原理是依據(jù)電阻與液位之間的關聯(lián)，該傳感器一般是由浸入液體里的電阻元件以及測量電路所構成，當液位出現(xiàn)變化時，液體接觸電阻元件的部分同樣會跟著改變，使得電阻值產(chǎn)生變化，一般情況下，液位越高，電阻值越小，反之電阻值越大液位越低。借助測量電阻值的大小，便可確定液位的高度。YW01模塊電路原理圖如圖3-15所示。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s115液位高度檢測模塊電路原理圖其中R1是浸入液體的電阻型器件，隨著液位升高其阻值會降低，R2分壓就越大，經(jīng)過主控adc電壓檢測后從而計算出當前液位。LM393則構建了一個電壓比較器，用于輸出代表液位超出預設閾值的高低電平信號，通過調(diào)整電位器R6改變負向輸入電壓從而改變水位閾值。YW01模塊實物圖如圖3-16所示。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s116YW01模塊實物圖終端PCB設計井蓋終端監(jiān)控系統(tǒng)使用立創(chuàng)EDA（專業(yè)版）對終端進行電路和PCB設計，最后設計完成的PCB尺寸為9.8cm×9.8cm。如圖3-17為PCB原理圖。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s117PCB原理圖本章小結本章圍繞基于NB-IoT技術的智能井蓋監(jiān)測終端硬件設計展開講述，關鍵內(nèi)容囊括電源管理、主控制模塊、通信模塊以及傳感器配置等方面，電源管理運用BUCK和LDO電壓轉換方案，其中BUCK把12.6V電壓降低到5V，之后借助LDO降至3.3V，以此保障系統(tǒng)可穩(wěn)定運行。主控制部分選用了有低功耗特點且性能穩(wěn)定的STM32F103C8T6單片機，該單片機可對傳感器數(shù)據(jù)進行處理，還可以與其他模塊實現(xiàn)通信，通信模塊MN316支持低功耗模式，比較適合長時間運行以及低速遠距離傳輸，定位模塊U-BLOXNEO-6M可提供高精度GPS定位，MPU6050傾角傳感器可提供姿態(tài)角數(shù)據(jù)，MP-4氣體傳感器可實時檢測可燃氣體濃度，BME280用于測量溫濕度氣壓，YW01液位傳感器負責監(jiān)測井蓋液位變化。電路設計采用立創(chuàng)EDA工具，設計出了9.8cm×9.8cm的PCB板，以此保證系統(tǒng)緊湊且高效，各模塊協(xié)同工作，保證系統(tǒng)可靠、低功耗以及穩(wěn)定運行，為智能井蓋監(jiān)測奠定了堅實基礎。

智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計開發(fā)環(huán)境介紹C語言開發(fā)C語言是一種高效且靈活的編程語言，它非常契合嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的需求，嵌入式系統(tǒng)往往需要軟件可直接操控硬件資源，C語言的底層操作能力顯得非常關鍵，C語言有良好的模塊化以及結構化編程能力，這可開發(fā)者組織并管理復雜的程序邏輯，提升開發(fā)效率與代碼可讀性，C語言對硬件的控制能力較強，它可直接操作內(nèi)存，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理，在系統(tǒng)響應時間以及運行效率方面呈現(xiàn)出優(yōu)勢。在智能井蓋監(jiān)測終端的設計工作當中，C語言發(fā)揮著關鍵作用，主要被運用到編寫嵌入式設備的驅(qū)動程序、達成通信協(xié)議、采集以及處理傳感器數(shù)據(jù)，以及處理終端與云端服務器之間通信等一系列任務上，借助C語言，可直接同硬件資源開展交互，實現(xiàn)井蓋狀態(tài)監(jiān)測以及報警功能等相關目標。Keil5開發(fā)環(huán)境本系統(tǒng)軟件開發(fā)主要選用Keil5作為單片機的集成開發(fā)環(huán)境，Keil5是一款專門用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的工具，在各類單片機開發(fā)中有著廣泛應用，Keil5支持多種微控制器架構，像ARMCortex-M系列、8051、C166等，還有完善的編譯、調(diào)試以及仿真功能。對于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者而言，Keil5可有效簡化開發(fā)流程，提供穩(wěn)定的編譯環(huán)境以及強大的調(diào)試工具，幫助開發(fā)人員高效完成項目。Keil5打造了一個集成編程與調(diào)試的環(huán)境，開發(fā)者借助其圖形化界面能開展項目創(chuàng)建、編寫源代碼、管理編譯過程以及調(diào)試等工作，在開發(fā)進程里，Keil5的C編譯器可產(chǎn)出高效的機器代碼，保證嵌入式系統(tǒng)在有限硬件資源狀況下高效運轉。Keil5有多種調(diào)試功能，其中有硬件調(diào)試以及仿真調(diào)試，這些調(diào)試功能可幫助開發(fā)者實時查看程序執(zhí)行狀態(tài)，檢查變量與寄存器的值，監(jiān)控程序運行路徑，有效排查程序里的錯誤。程序主流程程序的主流程設計可保障系統(tǒng)高效地執(zhí)行井蓋監(jiān)測任務，當系統(tǒng)啟動之時，會先開展硬件初始化工作，以此保證傳感器以及通信模塊可正常運行，在初始化工作完成之后，便會進入到數(shù)據(jù)采集階段，按照一定的周期去獲取井蓋的環(huán)境參數(shù)，像是溫度、濕度以及位移等數(shù)據(jù)，采集而來的數(shù)據(jù)經(jīng)過預處理之后，會進入到異常檢測模塊當中，以此判斷是否存在井蓋異常的情況，例如傾斜或者破損等狀況，要是出現(xiàn)異常，系統(tǒng)就會觸發(fā)報警。隨后經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)會借助NB-IoT模塊上傳至云平臺，以便進行遠程監(jiān)控以及分析，系統(tǒng)會進入到待機狀態(tài)，做好準備開啟下一周期的監(jiān)測工作，整個流程會循環(huán)執(zhí)行，保證井蓋的實時監(jiān)測以及數(shù)據(jù)傳輸，主控程序的流程圖如圖4-1所示，除了主循環(huán)之外，還開啟了一個定時中斷用于更新傳感器反饋的數(shù)據(jù)，同時開啟了一個定時中斷用于處理GPS模組的串口數(shù)據(jù)。圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s11程序主流程圖傾角模塊程序設計在智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)當中，MPU6050模塊發(fā)揮著采集井蓋傾斜角度以及振動數(shù)據(jù)的作用，當系統(tǒng)啟動之后，首要的事情便是借助I2C接口來對MPU6050模塊進行初始化操作，為其配置相應的工作模式與采樣頻率，借助讀取加速度計以及陀螺儀的原始數(shù)據(jù)，程序可計算得出井蓋的振動情況和傾斜角度。加速度計主要是用來檢測井蓋的靜態(tài)傾斜變化，而陀螺儀則是用于檢測井蓋的旋轉或者振動，運用數(shù)據(jù)融合算法，可提升測量的精度與穩(wěn)定性。如圖4-2為傾角模塊工作流程圖。當數(shù)據(jù)采集工作完成之后，系統(tǒng)會對采集而來的加速度以及角速度數(shù)據(jù)展開處理操作，計算得出井蓋的傾斜角度以及振動幅度，然后依據(jù)設定好的閾值來判斷井蓋是否存在異常狀況，要是出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)會借助NB-IoT模塊把相關數(shù)據(jù)上傳至云平臺，以此來實現(xiàn)遠程監(jiān)控以及報警功能。憑借這樣的途徑，MPU6050模塊幫助達成井蓋狀態(tài)的實時監(jiān)測，可提高井蓋的管理效率以及安全性。圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s12傾角模塊程序流程圖甲烷氣體測量模塊程序設計在智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)中，MP-4模塊用于檢測井蓋下部的甲烷氣體濃度。系統(tǒng)啟動后，首先需要通過adc接口初始化MP-4模塊，配置其工作模式和采樣頻率。通過讀取adc電平的原始數(shù)據(jù)，通過A/D轉換，把模擬電信號轉換成甲烷氣體濃度。圖4-3為MP-4工作流程圖。圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s13甲烷氣體測量模塊程序流程圖溫濕度及氣壓檢測模塊程序設計在智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)中，BME280模塊用于檢測井蓋下部的溫濕度及氣壓。系統(tǒng)啟動后，首先需要通過iic接口初始化BME280模塊，配置其工作模式和采樣頻率。通過讀取寄存器發(fā)送查詢指令，等待應答信號，接收到應答信號后，接收返回的是數(shù)據(jù)包并解析數(shù)據(jù)。圖4-4為BME280工作流程圖。圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s14溫濕度及氣壓檢測模塊程序流程圖液位高度檢測模塊程序設計在智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)中，YW-01模塊用于檢測井蓋下部的液位高度。系統(tǒng)啟動后，首先需要通過adc接口初始化YW-01模塊，配置其工作模式和采樣頻率。通過讀取adc電平的原始數(shù)據(jù)，通過A/D轉換，把模擬電信號轉換成液位高度。圖4-5為YW-01工作流程圖。圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s15液位高度檢測模塊程序流程圖本章小結在這一章節(jié)之中對智能井蓋監(jiān)測終端的軟件設計給予了介紹，其中著重覆蓋的內(nèi)容有編程語言、開發(fā)環(huán)境以及軟件模塊等方面，該系統(tǒng)選用C語言來進行開發(fā)，如此可契合嵌入式系統(tǒng)對于實時性以及效率方面的要求，并且在驅(qū)動程序、通信協(xié)議以及數(shù)據(jù)處理等多個模塊之中都有著較為廣泛的運用。所采用的開發(fā)環(huán)境是Keil5，它可以支持多種單片機架構，還有穩(wěn)定的編譯和調(diào)試功能，可保證代碼編譯的高效性以及仿真測試的順利開展。軟件流程涉及了硬件初始化、數(shù)據(jù)采集、異常檢測、報警觸發(fā)以及數(shù)據(jù)上傳等環(huán)節(jié)，借助定時中斷機制，系統(tǒng)可實時對傳感器數(shù)據(jù)給予更新，同時對GPS數(shù)據(jù)展開處理，傳感器負責采集井蓋狀態(tài)，一旦出現(xiàn)異常情況便會觸發(fā)報警，接著憑借NB-IoT模塊將數(shù)據(jù)上傳至云平臺。待機功能可節(jié)約能源，支持長期監(jiān)測工作的開展。在硬件驅(qū)動這一部分，C語言借助I2C接口以及ADC接口來對MPU6050、MP-4、BME280以及YW-01等多個模塊實施控制操作，獲取到傾斜角度方面的數(shù)據(jù)、甲烷氣體濃度的數(shù)據(jù)、溫濕度的數(shù)據(jù)以及液位的數(shù)據(jù)，然后依據(jù)預先設定好的閾值來判斷井蓋是否出現(xiàn)異常情況。整個系統(tǒng)可保證以較為良好的狀態(tài)完成監(jiān)測任務，以此提升井蓋管理的水平以及安全性。智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)樣機測試智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)實物圖展示該智能井蓋監(jiān)測終端系統(tǒng)選用STM32F103C8T6最小系統(tǒng)核心板作為主控模塊，此模塊承擔著整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)解析任務、控制邏輯執(zhí)行工作以及各模塊之間的協(xié)調(diào)運作，系統(tǒng)采用MN316模塊作為NB-IoT通信模塊，依靠其低功耗的特性，可在較長時間內(nèi)保持穩(wěn)定運行，并且借助NB-IoT網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)上傳至云平臺，達成遠程監(jiān)控的目的。該技術的運用為智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)構建了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸通道，保證了井蓋狀態(tài)信息可及時得到更新與處理。為達成精確的定位，系統(tǒng)運用NEO-6MGPS定位模塊，該模塊可實時監(jiān)測井蓋的位置信息，保證在出現(xiàn)異常狀況時可以精準地確定井蓋位置并迅速做出響應，MPU6050模塊負責對井蓋的傾斜角度進行監(jiān)測，依靠內(nèi)置的三軸加速度計和陀螺儀對井蓋的姿態(tài)實施實時檢測，然后將傾角信息上傳至云平臺，為井蓋管理人員提供傾斜報警功能，保障井蓋的安全使用。甲烷氣體的監(jiān)測由MP-4模塊來完成，它可實時檢測井蓋下方區(qū)域的甲烷濃度，憑借對傳感器數(shù)據(jù)的分析來判斷氣體濃度是否超出標準，當檢測到甲烷濃度出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)會觸發(fā)蜂鳴器報警，以此提醒相關人員及時采取措施，避免潛在的安全隱患，BME280傳感器用于監(jiān)測井蓋下部的環(huán)境溫濕度以及氣壓變化。YW-01模塊用于實時監(jiān)測井蓋下部的水位高度，保證井蓋在發(fā)生積水情況時可及時上報，防止水位過高致使井蓋浮起或者損壞，提高系統(tǒng)的防水防漏功能，所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)由NB-IoT模塊上傳至云平臺，保證管理人員可在第一時間獲取井蓋的健康狀態(tài)，進行遠程監(jiān)控和維護管理。智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)實物圖如下圖5-1。圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s11智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)實物圖智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)測試GPS定位測試在開展GPS定位測試工作時，最先要做的便是啟用智能井蓋監(jiān)測終端的GPS模塊，隨后耐心等待其完成衛(wèi)星信號的鎖定操作，緊接著啟動數(shù)據(jù)采集程序，該設備借助NB-IoT模塊把獲取到的經(jīng)緯度信息上傳至OneNET云平臺，在整個測試進程當中，GPS模塊在30秒內(nèi)順利實現(xiàn)了對衛(wèi)星信號的鎖定，并且會按照一定周期上傳精確的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。經(jīng)過查看可以發(fā)現(xiàn)，OneNET云平臺實時呈現(xiàn)的位置信息和設備實際所處位置是相契合的，這也就驗證了數(shù)據(jù)傳輸有準確性以及穩(wěn)定性，測試所得到的結果顯示，GPS定位功能處于正常狀態(tài)，系統(tǒng)可較為穩(wěn)定地經(jīng)由NB-IoT網(wǎng)絡上傳數(shù)據(jù)，契合設計方面的需求。如下圖5-2，5-3分別為經(jīng)度、緯度測試結果圖。圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s12經(jīng)度測試結果圖圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s13緯度測試結果圖傾角檢測模塊測試在針對智能井蓋監(jiān)測終端進行的傾角測試里，重點測試的是該設備的俯仰角功能，一旦設備的俯仰角超出20°這個范圍，系統(tǒng)就會促使蜂鳴器發(fā)出報警信號，進行測試操作時，要逐步對設備的俯仰角度做出調(diào)整，同時密切留意設備的反應情況，當俯仰角達到并超過20°時，蜂鳴器順利觸發(fā)報警動作。測試所得到的結果顯示，系統(tǒng)有準確監(jiān)測俯仰角的能力，并且在超過預先設定的閾值之時可及時發(fā)出報警，這充分驗證了傾角檢測功能有有效性以及可靠性。如圖5-4俯仰角測試結果圖。圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s14俯仰角測試結果圖甲烷氣體測量模塊測試在針對甲烷氣體展開的測試工作里，重點是對智能井蓋監(jiān)測終端檢測甲烷濃度的能力給予測試，一旦甲烷濃度超出所設定的正常范圍，系統(tǒng)就應當促使蜂鳴器發(fā)出警報，于測試進程之中，逐步提升甲烷濃度，監(jiān)測設備的響應情況，當濃度超過安全閾值之際，蜂鳴器成功被觸發(fā)發(fā)出報警。測試得出的結果顯示，系統(tǒng)可精準檢測甲烷濃度，并且在濃度出現(xiàn)超標狀況時及時發(fā)出報警，這就驗證了氣體監(jiān)測以及報警功能有準確性與可靠性。如圖5-5為甲烷氣體濃度檢測結果圖。圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s15甲烷氣體濃度檢測結果圖溫濕度及氣壓模塊測試在溫度測試中，主要測試智能井蓋監(jiān)測終端對內(nèi)部溫度的監(jiān)測能力。測試過程中，設備能夠準確顯示當前溫度，并實時反映溫度的變化。通過逐步改變設備周圍的環(huán)境溫度，監(jiān)測設備對溫度變化的響應，結果表明，設備能夠穩(wěn)定地測量并準確顯示內(nèi)部溫度變化。測試結果驗證了系統(tǒng)的溫度監(jiān)測功能正常，具備良好的溫度感應和顯示精度。如圖5-6溫度檢測結果圖。圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s16溫度檢測結果圖液位高度檢測模塊測試于水位測試工作開展期間，著重對智能井蓋監(jiān)測終端針對內(nèi)部水位的監(jiān)測能力給予測試，在整個測試進程當中，該設備可精準顯示當下水位情況，且能將水位的變化實時呈現(xiàn)出來，當模擬不同程度的水位高度發(fā)生變化之時，設備的顯示屏可穩(wěn)定地呈現(xiàn)測量所得結果，以此保障水位數(shù)據(jù)有準確性。測試所獲結果顯示，此系統(tǒng)可正常進行水位測量工作，并且可以實時展示水位的變化情況，這驗證了水位監(jiān)測功能所有的有效性以及精度。如圖5-7液位高度測試結果圖。圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s17液位高度測試結果圖OneNET云平臺數(shù)據(jù)上傳測試在OneNET云平臺數(shù)據(jù)上傳測試中，主要測試智能井蓋監(jiān)測終端是否能夠成功連接OneNET云平臺，實時上傳并顯示所測數(shù)據(jù)。在測試進程當中，首要的是要保證設備可正確無誤地連接到網(wǎng)絡，并且對與OneNET的接口做好配置工作，借助設備所采集得到的數(shù)據(jù)，像是溫度、濕度、水位、甲烷濃度這類數(shù)據(jù)，循序漸進地開展上傳方面的操作。連接過程里，設備可以順利地同OneNET云平臺構建連接，而且每次測量所得的數(shù)據(jù)都可準確無誤地上傳到該平臺，于平臺一端，用戶可實時查看各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，像溫度、水位、氣體濃度等，并且這些數(shù)據(jù)可精確反映設備端的實時狀況，平臺可成功實現(xiàn)數(shù)據(jù)更新，所顯示的數(shù)值與設備端采集的數(shù)據(jù)保持一致，并且在數(shù)據(jù)上傳之后，云平臺顯示的數(shù)值會出現(xiàn)十分突出的隨時間的更新變化。經(jīng)過測試可以發(fā)現(xiàn)，OneNET云平臺跟智能井蓋監(jiān)測終端之間的通信狀況良好，穩(wěn)定又高效，可順利接收上傳過來的數(shù)據(jù)，并且可以將這些數(shù)據(jù)展示出來，保證了平臺數(shù)據(jù)的實時性以及準確性。數(shù)據(jù)上傳的過程沒有出現(xiàn)延遲或丟失，系統(tǒng)能夠順利完成數(shù)據(jù)的傳輸與顯示。通過此次測試，驗證了云平臺與設備的完美對接，確保了監(jiān)測數(shù)據(jù)的云端存儲與可視化展示功能正常運行，具備了強大的遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控能力。如圖5-8OneNET云平臺數(shù)據(jù)上傳測試結果圖。圖STYLEREF1\s5SEQ圖\*ARABIC\s18OneNET云平臺數(shù)據(jù)上傳測試結果圖本章小結本章主要針對智能井蓋監(jiān)測終端的諸多功能展開測試，著重驗證了該設備在溫度、濕度、水位、甲烷濃度等多項監(jiān)測內(nèi)容下的數(shù)據(jù)采集能力，同時對設備與OneNET云平臺的數(shù)據(jù)上傳及展示功能進行了測試，經(jīng)由本章測試，對智能井蓋監(jiān)測終端在實際使用中的穩(wěn)定性與可靠性給予了全面評估。設備可精準采集并清晰顯示環(huán)境溫度、濕度等數(shù)據(jù)，在測試進程中，溫度和濕度監(jiān)測功能呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，設備可及時對環(huán)境變化做出響應，準確反映實時數(shù)據(jù)情況，設備有較高的感應精度以及穩(wěn)定性，適用于各類不同環(huán)境的監(jiān)測需求，在水位和甲烷濃度的測試當中，設備也有著出色表現(xiàn)。水位變化可精確反映井蓋周邊水體的高度，可為防水澇、溢水等狀況提供有效的預警，而甲烷濃度的檢測則為智能井蓋提供了安全保障，對地下環(huán)境中的氣體泄漏監(jiān)測有著意義，設備成功達成了與OneNET云平臺的無縫對接，可穩(wěn)定地上傳采集到的數(shù)據(jù)，云平臺可實時顯示并更新各項監(jiān)測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)上傳過程未出現(xiàn)延遲或丟失現(xiàn)象，且平臺端的數(shù)值與設備端一致，驗證了設備與云平臺之間的高效通信能力。綜合考量，本章的測試結果充分證實了智能井蓋監(jiān)測終端在多個數(shù)據(jù)采集項以及云平臺數(shù)據(jù)上傳方面的優(yōu)異性能，系統(tǒng)可高效、穩(wěn)定地開展實時監(jiān)測，還可以借助云平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程管理以及可視化展示，為智能井蓋系統(tǒng)的推廣應用給予了有力支持?？偨Y與展望總結隨著城市化進程不斷向前推進，井蓋作為城市基礎設施里的關鍵部分，發(fā)揮著保障道路安全以及維護城市環(huán)境的關鍵作用，然而井蓋在管理與維護過程中，始終面臨著如損壞、傾斜、失效等一系列安全隱患，給市民給予了潛在的威脅，為解決這些問題，借助現(xiàn)代信息技術的智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)便應運而生。本文設計了一款基于NB-IoT技術的智能井蓋監(jiān)測終端，并對其應用前景展開探討，本系統(tǒng)憑借整合多種傳感器模塊、主控模塊、通信模塊以及電源模塊，可對井蓋的狀態(tài)以及周圍環(huán)境信息進行實時監(jiān)測，利用NB-IoT技術，將這些數(shù)據(jù)上傳到云平臺，供城市管理人員隨時查看，提前發(fā)現(xiàn)潛在的危險情況，及時開展維修或者處理工作，保障市民的安全。智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)有的主要優(yōu)勢包含：其一，系統(tǒng)可對井蓋的傾角、氣壓、氣體濃度等多種狀態(tài)信息進行實時監(jiān)測，幫助管理人員全面了解井蓋的運行狀況，其二當井蓋出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)會借助聲光報警及時發(fā)出警報，提醒周圍人員留意安全，減少事故發(fā)生，其三NB-IoT技術有廣域覆蓋、低功耗、低帶寬的特性，避免了傳統(tǒng)通信方式的高昂成本，并且降低了運營和維護的難度。在硬件設計方面，傳感器模塊可以采集井蓋傾角、氣壓、氣體濃度、液位高度、溫濕度等多維度數(shù)據(jù)，這些信息可協(xié)助管理人員判斷井蓋的狀態(tài)以及其周圍環(huán)境的變化，提前預警潛在的安全隱患，比如井蓋傾斜角度發(fā)生變化可能意味著井蓋已經(jīng)出現(xiàn)了位移或者損壞，氣壓或氣體濃度發(fā)生變化則可能暗示周圍環(huán)境存在異常。系統(tǒng)內(nèi)置的GPS模塊可實時獲取井蓋的位置信息，方便快速定位并采取有效措施，主控模塊負責對傳感器數(shù)據(jù)進行實時處理，并依據(jù)設定的安全閾值判斷是否觸發(fā)報警，當井蓋狀態(tài)或環(huán)境參數(shù)超出閾值時，系統(tǒng)會觸發(fā)報警設備，并憑借NB-IoT模塊將數(shù)據(jù)上傳至云平臺，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和管理。這使得系統(tǒng)擁有本地監(jiān)控功能，還可以進行遠程調(diào)度，極大地提高了管理效率，基于NB-IoT技術的智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)，充分運用物聯(lián)網(wǎng)、云平臺和智能硬件的優(yōu)勢，可提升城市井蓋管理的智能化程度，實現(xiàn)實時監(jiān)控與報警，提高城市管理的效率與安全性，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，未來該系統(tǒng)將支持更多的環(huán)境監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，推動城市智慧化管理發(fā)展。展望當下的智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)主要聚焦于井蓋的傾斜、氣壓以及氣體濃度等基礎監(jiān)測數(shù)據(jù)，不過隨著技術的不斷進步，未來的系統(tǒng)會更具智能化，可集成更多的傳感器以及監(jiān)測模塊，像是壓力傳感器、聲學傳感器、視覺監(jiān)控等多種數(shù)據(jù)采集設備，這會讓系統(tǒng)可監(jiān)測井蓋自身的狀態(tài)，還可以更全面地采集周邊環(huán)境的多維數(shù)據(jù)，比如土壤濕度、氣候變化等因素，提供更為精準且全面的風險預警。智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)未來不會僅僅作為單一的監(jiān)測設備，而是會與城市的其他智能基礎設施相互結合，形成一個多維度的城市管理平臺，例如智能交通系統(tǒng)、智能垃圾處理系統(tǒng)、智能路燈等可與井蓋監(jiān)測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)共享并且協(xié)同工作，達成全市范圍內(nèi)的智能化管理，這種系統(tǒng)的融合可提高城市運營的效率，減少資源浪費，同時提高城市基礎設施的集成性以及響應速度。隨著大數(shù)據(jù)和人工智能技術的