物联网技术视域下城市井盖监测系统的设计与实现

总783期第十三期

2022年7月

河南科技

HenanScienceandTechnology

信息技术

物联网技术视域下城市井盖监测系统的

设计与实现

李猛郭城张俊杰吴凯军林学志

蚌埠

王伟海

（蚌埠学院计算机与信息工程学院，安徽

摘

233000）

要：

随着社会的发展，城市地下管网暴露出的问题也越来越多，井盖翘起、移位、井内发生爆

炸等情况时有发生，对居民的人身安全造成威胁。本研究基于STM32单片机，并结合NB-IoT技

术，在OneNet平台上构建物联网技术视域下的城市井盖监测系统。该系统可实时获取井盖状

态、井内水位数据、井内可燃气体数据等信息，并将实时采集到的数据通过NB-IoT模块和GPS

定位模块上传到监测平台，当数据出现异常时会自动向管理员报警，从而解决当前存在的安全

隐患。

关键词：

井盖监测；物联网；NB-IoT；OneNet

中图分类号：

TU823.1

文献标志码：A文章编号：1003-5168（2022）13-0005-06

DOI:10.19968/.1003-5168.2022.13.001

DesignandImplementationofUrbanManholeCoverMonitoring

SystemfromthePerspectiveofInternetofThingsTechnology

LIMeng

(SchoolofComputerandInformationEngineering,BengbuCollege,Bengbu233000,China)

GUOChengZHANGJunjieWUKaijunLINXuezhiWANGWeihai

Abstract:

Withtherapiddevelopmentofsocialdevelopment,urbanundergroundpipenetworkexposed

moreandmoreproblems,manholecoverwarping,displacement,explosioninthewellandothersituations

crocontrollercombinedwithNB-LoTtechnology,integratedintheInternetofThingstechnologyvisionof

acollectedinrealtimewillbetransmittedtothebackgroundmonitoringplatform

study,STM32mi⁃

OneNetplatform,ur⁃

temcanobtainreal-timemanholecoverstatus,wellwaterleveldata,wellcombustiblegasdataandother

edataisabnormal,itwillautomaticallyalarm

Keywords:

manholecovermonitoring;TheInternetofThings;NB-IoT;OneNet

etheexistingsecurityrisks.

收稿日期：

2022-05-27

基金项目：

2021年安徽省大学生创新创业训练计划项目（S2）；2021年安徽省大学生创新

创业训练计划项目（2）；2021年安徽省大学生创新创业训练计划项目（S2）；2021

年安徽省大学生创新创业训练计划项目（S2）；蚌埠学院2020年校级课程思政建设项目

（2020kcszjyxm12）；2021年度安徽高校科学研究重点项目（KJ2021A1122）。

作者简介：

李猛（2000—），男，本科生，研究方向：物联网。

通信作者：

郭城（1990—），男，硕士，助教，研究方向：计算机视觉。

·6·

物联网技术视域下城市井盖监测系统的设计与实现

第13期

0引言

随着社会经济的快速发展，城市化进程在不断

加快，人们的生活质量也在不断提高。经过多年发

展，我国城市地下管网系统具有分布范围广、类型

复杂等特点。现阶段，我国各个城市对管网的维护

仍然比较滞后，采取的是效率低的人工巡检方式，

从而造成很多安全隐患。

首先，国内城市地下管网事故频发，如井盖损

毁、遗失等现象较为常见，这不仅破坏城市市容，

还会造成安全隐患

［1］

。由于一些城市地下管网的

维护不及时，从而造成车辆发生交通事故等，甚至

事件频发，严重威胁居民的人身安全。

此外，由于地下管网维护不及时，导致井内有毒气

体的含量不断增加，工作人员中毒身亡的事件也

时有发生。其次，城市道路规划对地下管网的分

布也有影响，管网布局分散、环境错综复杂、管道

种类多样、管理维护存在缺失等问题导致城市地

下管网的维护难度在不断增大，维护效率却在逐

渐降低。再次，城市内涝问题也会影响地下管网

的安全，若下水道中的垃圾过多，雨水过大时容易

造成堵塞，导致泄洪能力不足或井盖上浮，危害行

人安全。

随着5G技术的发展，世界通信行业也迎来了

新的“高潮”。5G技术与智慧城市相融合，能够快

速推进智慧城市的建设和发展。而传统的市政公

共设施管理模式已无法满足智慧城市的发展需

求。本研究基于集成式传感模块与NB-IoT技术，

设计了基于物联网技术的城市井盖监测系统，可

实现对地下管网井盖的精确定位、实时信息监测、

有毒气体的检测以及水位数据的展示等。当监测

系统检测到异常时会触发警戒装置，从而及时消除

安全隐患。

1

1.1

需求分析与系统总体方案设计

在日常生活中，

需求分析

经常有某市下水道爆炸、井盖

翘起或丢失的新闻报道，而这些事件发生的原因也

是多种多样的。目前，城市地下管网的管理存在着

许多问题，虽然投入了大量的人力、物力，但却收效

甚微。例如，井盖丢失或移位后，维修人员无法及

时准确地找到问题井；城市地脉因其性质不同而被

划分到多个部门进行管理，这就导致无法在第一时

间解决问题。根据目前城市地下管网管理现状，本

研究设计基于物联网技术的城市井盖监测系统，能

够解决3个问题：①系统在监测到井盖数据异常时

会自动报警，会在第一时间将数据信息发送至

OneNet

管网的精准定位；

平台，并在前端显示出来，

②井内数据显示异常时，

从而实现对地下

根据井

内数据及时做出应对策略，确保能在第一时间解决

问题；③对地下管网数据进行汇总，对频发事故做

出预案调整。

1.2

本研究所设计的物联网技术视域下的城市井

系统总体设计方案

盖监测系统是对城市地下管网进行智能监管，将物

联网技术应用到城市地下管网监测中，降低危险事

故发生的频率，该系统操作简单、智能集成度高，在

很大程度上能减少此类事故的发生概率。该系统

由数据采集、终端传输、用户应用构成，系统框架图

见图1。

管网1

管网2

阿里云

管网3

信号站

管网4

PC终端

采集层传输层汇聚层

应用层

图1系统框架图

2

2.1

整体设计及硬件设计

本研究设计的城市井盖监测系统包括后台工

系统整体设计方案

作人员管理系统、井盖定位模块、甲烷检测模块、水

位检测模块以及基于NB-IoT技术的数据传输模

块，系统整体设计框架图如图2所示。各模块节点

可通过STM32单片机对井盖进行状态检测，通过水

位传感器对水位进行监测，通过甲烷传感器对井内

甲烷气体进行实时监测，MEMS陀螺仪可对井盖的

移位、浮动状态进行监测，从而实现井盖的防盗功

能。集成式传感器采集到的数据通过NB-IoT技术

上传到城市井盖监测系统中。管理人员可通过系

统后台数据来了解井盖状态，并处理警情，实现对

城市地下管网的智能化管理。

2.2

本研究设计的城市井盖监测系统以

控制单元选型

NB-IoT为

无线通信模块，由于该模块只消耗带宽，可直接部署

于多种网络中，具有很好的延展性，可降低部署成

“井盖吃人”

第13期

物联网技术视域下城市井盖监测系统的设计与实现

·7·

本，实现平滑升级。NB-IoT的电路图如图3所示。

城市井盖监测系统

更深的覆盖。同时，控制单元会根据后台发送的操

作指令进行智能工作，在地下管网一切正常时会进

入低功耗状态，等待后台指令的唤醒。

2.3

该模块在设计时要遵循节能降耗的原则，所选

择的电路模块与传感器模块均为功耗相对较低且

传感器模块设计

定位

井盖

气体

监测

水位

监测

管理

系统

采集传输功能较为稳定的产品。

监测系统选用MPM489W液位变送器作为水

位传感器，MPM489W液位变送器是一种全密封潜

入式液位测量仪表

［2］

。该变送器将OEM压力传感

设

备

状

态

监

测

模

块

设

备

位

置

信

息

模

块

可

燃

气

体

监

测

模

块

气

体

数

据

传

送

模

块

水

位

状

态

监

测

模

块

水

位

信

息

传

递

模

块

后

台

数

据

管

理

系

统

前

端

页

面

显

示

系

统

器及高精度的变送器专用电路封装到一个不锈钢

的壳体中，其独特的结构和信号采集标准体系为本

研究提供了更全面的支撑。

监测系统选用TGS3870传感器作为甲烷传感

器，该传感器体积小、功耗低，且对甲烷、一氧化碳

的选择性好、灵敏度高，对乙醇蒸气的灵敏度低，使

用寿命长，且成本低。其采用载体催化元件作为检

测元件，产生一个与甲烷含量成比例的微弱信号，

在经过多级放大电路放大后产生一个输出信号，并

将该信号送入单片机片STM32的A/D转换输入口，

将此模拟量信号转换为数字信号

［3］

。然后单片机

对此信号进行处理，并显示出来。当气体中有害气

体的浓度超过设定的阈值时会触发报警功能，并对

图2系统整体设计框架图

控制单元与STM32芯片对网络信号有很强的

兼容性，在加入PSM功能后，此模式的终端耗流在

3μA左右，在一定程度上节省功耗，使设备的使用

时间更长。控制单元支持0、1、2三个覆盖增强等

级（CELevel），分别对应可对抗144dB、154dB、

164dB的信号衰减，相比GSM和LTE提高了20dB，

覆盖面积提升了100倍，同等条件下NB-IoT能提供

3

射频天线

天线

开关

模块

4

8

电源

开关

模块

电源

调整器

5

32

321

高频

滤波器

低频

滤波器

322

6

射频功率

放大器

第一GPIO口

第二GPIO口

第三GPIO口

VENLB

VENHB

VMODE

31

多频输入模块

高频低噪

放模块

2322

低频低噪

放模块

21242

高频声表

滤波器

低频声表

滤波器

TX_RF_tSOXMHzTX_RF_900MHzRS_RF_1800MHzRX_RF_900MHzNB-IoT处理器

eSIM

7

1

RESETADCDAC

第三

GPIO

口

第二

GPIO

口

第一

GPIO

口

图3

UART

NB-IoT电路图

NETLIGHTDcbug

UART

12C

eSIM

·8·

物联网技术视域下城市井盖监测系统的设计与实现

第13期

管道进行疏导，避免地脉井发生爆炸。

为防止井盖出现翘起、移位、丢失等现象，本

研究对井盖进行特殊处理。微电机（MEMS）陀螺

仪可用于检测井盖翘起的角度，并通过STM32模

块将当前井盖状态及时上传到系统。微电机陀螺

仪是通过对固定指施加电压，并交替改变电压，让

一个质量块做振荡式来回运动，旋转时会产生科

里奥利加速度，此时就可对其进行测量。微电机

陀螺仪可精准感测自由空间中复杂的移动动作，

因此，本研究采用陀螺仪微电机作为追踪物体移

动方位与旋转动作的运动传感器。与加速器、电

子罗盘不同的是，微电机陀螺仪不用借助任何外

力（如重力或磁场等）就能够自主发挥功能，并可

通过微电机陀螺仪来实现定位功能，在一定程度

上节省资源。

2.4

本系统的硬件部分可分为

集成硬件设计

3个模块：可燃气体

数据采集模块、井盖位置传输系统、水位监测模块，

每个模块都由STM32单片机进行数据获取。将三

个模块采集到的数据信息通过NB-IoT技术和基站

上传到城市井盖监测系统中，管理人员可实时查看

数据，并对故障进行排除。监测系统的硬件图如图

4所示。

陀螺仪水位模块

时钟电路

转换接口

网络传输

电源电路切换

STM32

处理器

NB-IoT

模块

供电枢纽

转换接口

网络模块

气体模块

图4监测系统硬件图

本研究设计的系统可实现以下5个功能。

异常时，

①设备健康监测。当传感器上传的数据出现

会触发后台报警装置，平台会根据当前的

警情进行分类，并通知工作人员排除故障。同时，

各检测设备自身的状态信息也会定时上传到后台，

包括设备运行状态、是否短路、信号阈值等信息，以

此来判断设备是否健康。

独立编号，

②设备定位。每个井盖都有用来标明位置的

在安装时会将位置信息录入到系统中，

从而能够精准定位各井盖的位置，根据划分的不同

级别来判断异常点位，并按照设备功能、设备健康

状态、设备编号等进行过滤筛选。

感器上传的异常数据，

③设备报警。根据系统设定的阈值，

从而触发不同类别的报警，

并结合传

如水位异常导致井盖浮沉、甲烷浓度超标、井盖异

常开启或移位、设备信息故障或丢失、电压过低等，

通过发出报警信息来通知管理人员及时进行抢修。

置，并将相关信息发送给管理人员，

④管网维护模块。设备异常时会触发报警装

管理人员根据

具体情况来启动抢修流程，通知维护人员进行设备

抢修工作。由于系统集成了定位模块，可大大降低

排查难度。

的数据进行大数据分析处理，

⑤管网数据分析。对集成传感器上传到后台

生成可视化分析影

像，用来分析近期事故频发的原因，及时对策略进

行调整。

3

3.1

系统软件设计

本研究选用

软件概述

Java语言、MySQL和Spring框架对

系统软件进行设计，并结合OneNet中国移动物联

网管理系统，构建集井盖位置数据、井内水位监测

信息、井内气体监测数据为一体的数据管理平台。

后台权限为超级管理员，通过设备健康监测管理

功能可实现对当前城市地下管网的环境信息动态

掌握。

3.2

3.2.1

系统整体设计架构

现PC端登录登出、

平台使用前后端分离技术，

权限管理、数据列表地图显示、

后台负责实

数据报警、消息推送等功能

［4］

。后台框架基于

SpringBoot

用MySQL

、

数据库，

MyBatis

开发环境为

、Maven的聚合项目，

IntelliJIDEA

数据库选

。本研

究选择的技术框架可大大减少代码的数量，从而

提高运行效率。相比于早期的Jsp、Servlet技术，

SpingBoot

置的Tomcat

框架的代码复杂度较低，

不用再重新配置，可减少

且SpringBoot

XML页面代

内

码的数量，从而减轻项目搭建的压力。持久层选择

MyBatis作为支持，在持久化、高级映射、存储及

MySQL

SQL上更便捷。作为当前主流的轻量级数据库，

数据库可毫无压力运行千万行数据，其性能

第13期

物联网技术视域下城市井盖监测系统的设计与实现

·9·

在各方面都超越同类开源数据库软件，且其体积

小、易配置、集群效果也非常好。

码编写量大大减少。

3.2.2前端采用

Vue最突出的优势是可对数

进行组件化开发，使代

据进行双向绑定，其页面响应效果是响应式的，这

使得网页的显示效果非常好。相比传统的页面，

Vue

户的交互性，

使用的路由方式不会刷新页面。为了增强用

平台结合ELementUI进行拔插式开

发，平台总体设计采用流式布局，业务框架可分为

顶部菜单栏、左侧菜单栏以及页面显示区。菜单栏

可根据用户的不同权限来显示不同的功能信息。页

面之间的数据传输选择axios通信协议，组件之间的

跳转以路由的方式进行，用户访问页面时，路由会根

据用户携带的Token进行比对，如果比对成功，则执

行相应的操作，否则将返回Message信息，提示用户

操作失败。本研究设计的系统采用前后端分离模

式进行开发，数据传输采用axios通信协议，文档接

口采用Swagger进行比对，并通过组件将内容的双

向绑定回显到前端。系统架构图如图5所示。

登录

N

验证权限

Y

启动后台服务器

前后端数据交互

N

接收服务端响应

Y

定位信息显示数据状态检测

定位导航正常显示异常显示数据汇总

图5系统架构图

设计

3.3物联网技术视域下的城市井盖监测系统

城市井盖监测系统采用Web与服务器相结合

的方式进行设计，数据库采用MySQL数据库，系统

服务端以SpringBoot为主体框架、Mybatis为持久层

框架。地脉监测系统作为数据可视化的主要依据，

在整个项目中发挥着重要作用，采用超文本传输协

议（HTTP协议）作为连接服务器的通信协议，这是

因为在网络环境中超文本传输协议传输速度快、

可用性强，能够将采集到的数据及时传送到地脉

监测系统中。管理系统可分为井盖管理、系统管

理、可燃气体管理、位置信息查询、水位管理、地脉

数据汇总等模块。系统设计图如图6所示。

图6系统设计图

处理，

3.3.1

在节约环保的基础上，

井盖管理模块。对每个井盖进行特殊

每个井盖都增加微电

机陀螺仪，用于检测井盖翘起的角度，可通过

STM32

统

［5］

。且每个井盖都有独立的

单片机将当前井盖的状

ID

态

编号，

及时上

方便后期

传到系

维护。

TGS3870

3.3.2

传感器作为检测甲烷的传感器，

可燃气体管理模块。本研

系统可对

究采用

城市内的地下管网中甲烷气体的浓度进行实时监

测，并根据设定的阈值对当前管网状态进行评估，

当浓度超过阈值界限时会立即发出报警信息，通知

工作人员进行处理。

液位变送器作为液位传感器，

3.3.3水位管理模块。本研究采用

系统根据

MPM489W

MPM489W

液位变送器上传的数据及时作出判断，该模块在下

雨天发挥着重要作用。

主要对整个系统的各类情况进行汇总，

3.3.4城市地下管网数据汇总模块。该模块

并将其分为

日视图、周视图、月视图及往期数据4个视图层，可

对城市地下管网数据进行有效记录和管理。

4产品测试与应用

将制作好的产品放在井盖下30cm处，对井内

情况进行实时监测，并对地下管网进行编号，将采

集到的数据及时上传到云服务平台，并将云服务平

台接入到消防内网或相关部门内网。然后进行大

数据可视化显示，若管网内的数据或井盖出现异

常，将会触发自动报警功能，并通知相关人员第一

时间进行处理。同时，要对井盖进行加工处理，强

·10·

物联网技术视域下城市井盖监测系统的设计与实现

第13期

化井盖的牢固度。内部人员可通过登录PC端或移

动端实时查看各种数据，一旦发现异常数据，就会

以弹窗加警报的方式通知工作人员。产品测试如

图7至图9所示。

1

数据

2

2022-03-2916T

T

72

72

72

72

70

70

63

63

3

69

2022-03-2916

：

：

20:52.259

20:57.373

4

2022-03-29

6F6E

16

：21:07.585

T

T

72

72

72

72

70

7063

63

5

73

2022-03-2916

：21:02.479

6

2022-03-2916

7

2022-03-29

2022-03-29

16

：21:12.686T

16

：

：

21:17.793

21:22.894

T

7263

63

8

69

T

72

72

72

72

70

72

70

7063

9

2022-03-29

6F6E

16

16

：

：

21:28.001

21:33.107

T

63

10

73

2022-03-29T

72

72

72

72

70

7063

11

2022-03-29

2022-03-29

16T

12

16

：21:38.218

16

：

：

21:43.325

21:48.427

T

72727063

T

72

72

72

72

70

70

63

13

69

2022-03-29

63

14

2022-03-29

6F6E

16

16

：

：

21:53.541

21:58.648

T

T

72

72

72

72

70

70

63

15

73

2022-03-29

63

图7产品测试图

设备总数

最新参数设备数量

待更新设备数量

当天参数更新数量

1

0

1

0

设备分组：

1

时间：

地下管网

周

更新参数设备数

待更新参数设备数

设备更新曲线

1.0

更新参数设备总数：0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

图8设备状态图

图9模块连接图

5结语

由于城市地下管网的安全问题频发，本研究结

合物联网及嵌入式技术，在NB-IoT技术与STM32

单片机的基础上，设计了一套城市地脉监测系统，

在一定程度上解决了城市地下管网存在的安全隐

患，降低地脉事故发生的频率。

参考文献：

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