基于 LoRa 的井盖安全监测系统设计与实现

引 言

随着社会的不断发展及城镇化进程的不断加快，用于检查地下管线的检查井构成的井盖群随处可见。然而，井盖的破损及丢失带来了严重的安全隐患，如汽车陷井、窨井伤人等 [1-2]，给人们的人身安全与财产安全带来了严重的威胁。为了减少井盖安全事故的发生，许多城市采用专人定期维护与巡查的方法实现井盖管理。但是采用人工巡查方式不能第一时间发现并处理井盖移位或丢失的问题，所以井盖安全的有效管理成了城市管理的重大难题。

针对以上问题，文献 [3-4] 提出采用 ZigBee 技术进行井盖状态监测。针对 ZigBee 通信距离短的问题，本文提出一种基于 LoRa 技术 [5-9] 的城市道路井盖安全监测系统，利用安装在井盖背面的触发器实时监测井盖状态，同时将状态数据信息汇集至集中器后，通过 4G 传输到监测中心，实现对井盖状态的实时监测，从而提高井盖安全管理的实时性与便捷性。

1 系统总体结构

井盖移位监测装置包含感知层、网络层与应用层，是物联网在智慧城市领域的典型应用。感知层由触发器节点构成， 用于感知监测井盖的位置信息，当发生井盖移位时将报警信号通过网络层传输到服务器及应用层。网络层增加集中器与中继器装置，向下采用低功耗广域网，向上采用 4G 网络。应用层提供用户显示、管理与维护功能。系统架构如图 1 所示。

加装 LoRa 通信模块的触发器布置在每个井盖下方，负责实时采集城市道路井盖安全状态信息，并将状态信息发送至集中器或中继器。

LoRa 与 4G 模块构成集中器，主要负责 LoRa 网络构建与数据远程传输。集中器接收触发器的数据通过串口传至4G 模块，借助 4G 通信网络将触发器采集到的数据信息传输到远端监测中心。

监测中心实时接收集中器传送来的井盖安全状态信息数据，同时提示井盖安全报警信息以便及时采取补救措施，实现对城市道路井盖的实时监测与管理。

2 监测系统硬件设计及实现

智能井盖移位装置包括井盖触发器、集中器装置，涵盖系统感知层与网络层。

2.1 触发器总体设计

触发器的硬件部分包括低功耗 MCU、倾角传感器、低功耗无线传输模块、天线接口及电源模块。软件部分主要包括传感器程序管理、系统睡眠唤醒管理、初始化参数管理及数据传输管理四个部分。井盖移位监测部分主要由倾角传感器、低功耗 MCU、睡眠管理实现，根据监测需求需实现 24 小时异常开启报警与欠压报警功能。系统总体设计原则要求考虑低功耗设计，倾角传感器 24 小时连续采集数据且计算角度需满足系统低功耗的要求。

倾角传感器选用 ADI 公司生产的一款超低功耗三轴加速度传感器，该传感器具有中断功能，即当加速度传感器检测到某一轴上的加速度大于设定阈值（初始化可设置）时，其中断引脚可输出一个触发信号（上升沿、下降沿通过初始化设置）。利用这一功能结合睡眠管理可唤醒睡眠中的 MCU， 而后采集三轴加速度数据，根据公式计算得到倾角，从而判断是否超出设定倾角阈值，是否异常以开启报警。

欠压报警功能利用低功耗 MCU 片上 ADC 模块实现对电池电压的模数转换得到电池电压值，当电压值小于一定值后，说明电池电量已耗尽并发出欠压报警信号。

完成系统初始化后，读取 E2PROM 内配置参数，若进入设置模式，则等待外部手持配置机配置参数。主程序开启定时唤醒中断与外部触发中断后，运行在低功耗睡眠模式下， 等待 RTC 定时唤醒或倾角传感器事件触发中断唤醒，每次中断结束后重新回到睡眠模式。触发器主程序流程如图 2 所示。

2.2 集中器总体设计

集中器硬件部分主要包括 MCU 微处理器单元、低功耗无线收发模块、4G 无线模块、实时时钟电路、接口电路与电源模块等几个部分。软件部分主要包括组网管理、中继管理、定时上报与数据转发。

首先完成系统初始化，用于检测电池电压的 ADC 初始化，然后开启 1 s 定时器中断。系统每隔 1 s 读取一次当前实时时间与电池电压值。当接收到新数据帧时，立即回复确认信息，并进入数据处理子程序，当系统检测到到达设定的周期健康状态信息上报时间时，向上级集中器逐条发送所管理的所有节点的健康状态信息，包括节点地址、状态角度、无线信号强度。集中器模式下，主程序同样先完成系统初始化、ADC 初始化、LoRa 模块初始化等，开启 1 s 定时器中断后，每隔 1 s 更新一次实时时间与电池电压值。当接收到一帧新数据后回复确认信息，并将数据帧重新封装，通过4G 模块发送至远程服务器端。集中器软件主程序流程如图 3 所示。

3 监测系统软件设计

监测系统主要实现井盖状态信息数据的接收、统计、分析与展示。监测中心接收集中器发来的井盖状态信息，对井盖进行编号，并将井盖的剩余电量与倾角值存储至数据库以便实时查询井盖状态信息。同时，借助监测系统软件设定井盖阈值，当接收到的数据超过设定阈值后，产生相关报警信息，并以短信方式发送至相关手机，以便及时通知井盖权属单位与管理人员，及时排除井盖安全隐患。监测系统平台与短信报警截图如图 4 所示。

4 结 语

本文提出了基于 LoRa 的实时井盖安全监测系统，以实现对城市道路井盖安全状态的实时监测。应用结果表明，该井盖安全监测系统实现了对城市道路井盖的实时监测，加强了城市井盖的安全有效管理。