基于LoRa的井蓋安全監測系統設計與實現

孫偉

摘 要：針對目前城市道路井蓋安全存在的問題，提出一種基于LoRa的實時井蓋安全監測系統。該系統由井蓋狀態采集裝置與上位機平臺兩部分組成，井蓋狀態采集裝置由觸發器采用LoRa技術與集中器進行通信，集中器通過4G與監控中心遠程通信。應用結果表明，基于LoRa技術的井蓋安全監測系統能夠實現對井蓋安全狀態的監測，將告警信息實時上傳至監控中心，并提醒市政管理部門采取措施，避免生命財產遭受損失。

關鍵詞：低功耗廣域網;LoRa技術;窨井;安全監測;上位機;遠程通信

中圖分類號：TP391;TU201文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）04-00-02

0 引 言

隨著社會的不斷發展及城鎮化進程的不斷加快，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生，許多城市采用專人定期維護與巡查的方法實現井蓋管理。但是采用人工巡查方式不能第一時間發現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技術進行井蓋狀態監測。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測系統，利用安裝在井蓋背面的觸發器實時監測井蓋狀態，同時將狀態數據信息匯集至集中器后，通過4G傳輸到監測中心，實現對井蓋狀態的實時監測，從而提高井蓋安全管理的實時性與便捷性。

1 系統總體結構

井蓋移位監測裝置包含感知層、網絡層與應用層，是物聯網在智慧城市領域的典型應用。感知層由觸發器節點構成，用于感知監測井蓋的位置信息，當發生井蓋移位時將報警信號通過網絡層傳輸到服務器及應用層。網絡層增加集中器與中繼器裝置，向下采用低功耗廣域網，向上采用4G網絡。應用層提供用戶顯示、管理與維護功能。系統架構如圖1所示。

加裝LoRa通信模塊的觸發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信息，并將狀態信息發送至集中器或中繼器。

LoRa與4G模塊構成集中器，主要負責LoRa網絡構建與數據遠程傳輸。集中器接收觸發器的數據通過串口傳至4G模塊，借助4G通信網絡將觸發器采集到的數據信息傳輸到遠端監測中心。

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

2 監測系統硬件設計及實現

智能井蓋移位裝置包括井蓋觸發器、集中器裝置，涵蓋系統感知層與網絡層。

2.1 觸發器總體設計

觸發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、系統睡眠喚醒管理、初始化參數管理及數據傳輸管理四個部分。井蓋移位監測部分主要由傾角傳感器、低功耗MCU、睡眠管理實現，根據監測需求需實現24小時

異常開啟報警與欠壓報警功能。系統總體設計原則要求考慮低功耗設計，傾角傳感器24小時連續采集數據且計算角度需滿足系統低功耗的要求。

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據，根據公式計算得到傾角，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模塊實現對電池電壓的模數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出欠壓報警信號。

完成系統初始化后，讀取E2PROM內配置參數，若進入設置模式，則等待外部手持配置機配置參數。主程序開啟定時喚醒中斷與外部觸發中斷后，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中斷喚醒，每次中斷結束后重新回到睡眠模式。觸發器主程序流程如圖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管理、中繼管理、定時上報與數據轉發。

首先完成系統初始化，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。當接收到新數據幀時，立即回復確認信息，并進入數據處理子程序，當系統檢測到到達設定的周期健康狀態信息上報時間時，向上級集中器逐條發送所管理的所有節點的健康狀態信息，包括節點地址、狀態角度、無線信號強度。集中器模式下，主程序同樣先完成系統初始化、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。當接收到一幀新數據后回復確認信息，并將數據幀重新封裝，通過4G模塊發送至遠程服務器端。集中器軟件主程序流程如圖3所示。

3 監測系統軟件設計

監測系統主要實現井蓋狀態信息數據的接收、統計、分析與展示。監測中心接收集中器發來的井蓋狀態信息，對井蓋進行編號，并將井蓋的剩余電量與傾角值存儲至數據庫以便實時查詢井蓋狀態信息。同時，借助監測系統軟件設定井蓋閾值，當接收到的數據超過設定閾值后，產生相關報警信息，并以短信方式發送至相關手機，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。監測系統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的實時井蓋安全監測系統，以實現對城市道路井蓋安全狀態的實時監測。應用結果表明，該井蓋安全監測系統實現了對城市道路井蓋的實時監測，加強了城市井蓋的安全有效管理。

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