《基于Arduino和云端的城市井盖监测系统设计和实现》-工学论文，计算机论文-论文范文参考-科学狗论文网

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基于Arduino和云端的城市井盖监测系统设计和实现

范文

杨震徐涛顾明虎章平白婷

摘要：随着物联网技术的发展，通过物联网设备能更好地帮助生活的方方面面。基于Arduino和云端的城市井盖监测系统的处理核心是Arduino UNO板，以ESP8266为信息传输中介，将传感器的控制和信息的显示终端设置在云端。系统采用“贝壳物联”的云平台，可以实现对硬件以及传感器的控制，可以不受距离的限制，这样城市环境安全将进一步提高。令爱，通过云端可以实时监控一系列的情况，当发生特殊状况时，可以通过云端得到信息，可以快速对事故进行处理，极大地减少伤亡事故和经济损失。

关键词：物联网;Arduino;井盖;城市安全;云端

中图分类号：TP311? ? 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）27-0068-03

Abstract： With the development of Internet of things technology， Internet of things devices can better help all aspects of life.The processing core of the urban manhole cover monitoring system based on Arduino and cloud is Arduino UNO board. ESP8266 is used as the information transmission intermediary to set the sensor control and information display terminal in the cloud.The system adopts the cloud platform of "shell object connection"， which can realize the control of hardware and sensors and is not limited by distance， so that the urban environmental security will be further improved.Ling ai can monitor a series of situations in real time through the cloud. When special conditions occur， it can get information through the cloud and deal with accidents quickly， greatly reducing casualties and economic losses.

Key words： IoT; Arduino; manhole cover; urban security; cloud

随着物联网技术以及5G技术的发展，不仅需要让物与物之间进行通信，同时也要人与物之间沟通也是必须的，这样能通过物联网设备能更好地解决生活的方方面面的问题。智慧城市就是通过传感器检测外界環境并且收集和传输数据，通过将数据上传到云平台后就可以对获得的数据进行可视化的显示或者处理，将处理后的结果反馈给设备端，设备端实现相应的动作，以到达智能化、自动化的目的，最终达到智慧的状态。

在过去，有不少研究者对于智慧城市有相当的研究，例如尹功喜对智慧城市中智慧灯杆的运用[2]的研究;如何遥对于智慧城市车联网[3]的研究;也有如刘晴、张健明等人对城市社区智慧养老模式的实现瓶颈的研究[4]完善了对智慧城市具体细节的了解。

我们团队注意到城市街道的井盖存在很大的安全隐患，例如当井盖被打开倾斜或者发生井盖丢失的情况，很可能会对来往行人以及行驶的车辆造成安全事故。另外，城市内涝现象也是现代社会面对的迫切问题，对人们的生活和生产环境都产生了不利的影响。但是由于井盖分布在城市的各个角落，数量庞大，如果只是单纯地依靠传统的人工巡检或者群众举报，不仅浪费人力资源，而且效率低下，从井盖发生异常到人工察觉、举报并修复的过程耗时较长，并在这段时间内还很有可能发生安全事故，因此，利用现有技术对普通井盖的改造是必须的。

在之前也有少研究者对智慧城市的井盖进行研究，例如郑荣颖提出了基于LoRa技术的智慧井盖解决方案[5];郭哲采用ZigBee无线传输技术和红外测距传感器来实时监控和采集数据来实现对智慧井盖的网络的服务[6]等等。基于对上述等研究者的研究成果的分析和理解，团队采用实现更简单、功能更健全的基于Arduino和云端的智慧城市井盖监测系统，专门针对普通井盖的存在的隐患问题提出了解决方案。

1 技术原理

Arduino Uno开发板，是以ATmega328 MCU为主控芯片，拥有14路输入/输出引脚、6路模拟输入引脚，16MH晶振、包括USB接口，电源插座，ICSP接头以及复位按钮。同时，只需要一条USB数据线连接至电脑就可以供电和代码烧录。目前，Arduino Uno已成为Arduino主推的产品。项目中了使用的贝壳物联云平台，平台采用以TCP协议为主，UDP协议为辅的形式进行通讯，两种协议间信息互通。

在TCP协议的基础上，直接使用TCP建立长连接，定时发送周期性数据，保持设备长时间在线，在线期间设备与服务器以Json字符串格式数据进行交互，来实现数据实时更新。以UDP协议为基础的通讯，设备可不必保持实时在线，只要需要的时候向服务器发送相应指令来实现相关操作。

该项目主要是由Arduino Uno r3板，通过ESP8266无线模块，然后由贝壳物联提供的API接口，连接上云平台。Arduino将实时采集到的数据上传至平台，再由平台进行处理，达到实时监测的目的，并将监测到的结果下达给Arduino板驱动硬件以及通过平台通知附近的工作人员。达到数据的无线传输、远程监控和检测的目的。项目结构如图1所示：

2 项目设计与实现

2.1 数据采集和控制中枢模块[7]

本系统采用Arduino Uno3作为中枢控制单元。其提供了供电的USB接口以及桶插座、用于传输数据的数字I/0引脚，此外还有微控制器和AREF代表模拟参考接口，可以连接多种类型、多种功能的传感器来感知周边环境，也可以通过控制舵机、开关、信息传输等方式反馈和影响作用环境。使用Arduino Uno3作为数据采集与控制器，可以完全满足系统中所使用的倾角传感器、超声波距离传感器、舵机、开关按钮、ESP8266模块等用于将井盖的实时状态和水位的变化情况等各种物理数据进行收集和反馈情况。

2.2 远程水位监测模块

超声波传感器是利用超声波在空气中的传播特性制作的一种传感器，具有方向性好、能够根据超声波的性质探测物体间距离等特点。当需要监测下水道水位的时候采用Arduino和超声波传感器实现基本可实现该功能。另外搭载ESP8266无线模块，通过调用云平台提供的接口，将水位状态的数据上传到云平台，实现水位实时监测的功能，通过平台提供的阈值报警功能的接口，当发生水位过高时，可以实现水位的报警。如图2和图3所示：

2.3 远程井盖状态检测

倾角传感器又称作倾斜仪，经常用于对系统的水平角度变化测量。采用Arduino和水平倾角传感器结合实现基本的检测井盖状态的功能，搭载ESP8266无线模块，通过云平台提供的接口，将井盖状态的数据上传到云平台，实现对井盖状态的监测，使用云平台提供的阈值报警功能的接口，当井盖发生倾斜时，可以实现对井盖状态的报警。如图4所示：

2.4 远程平台控制

在Arduino Uno3与ESP8266 WIFI模块结合的基础上，在云端会一直读取WIFI模块发送的数据并将收到的信息保存进去。用户可以通过贝壳物联的开关按钮或者对话窗口控制舵机，使用舵机和WIFI模块实现远程的给井盖上锁或者解锁，当通过云端对井盖控制时，每次都会端操作人操作的信息的记录，包括操作的时间、操作用户、此时井盖的状态（开/关）等。如图5：

2.5 迅速定位位置

在“贝壳物联”云平台中，给井盖命名成特定的名称，例如井盖1号。这样当某一井盖在发生异常情况时，系统可以快速定位到发生事件井盖的位置，及时安排工作人员赶到现场，展开维修处理措施。它的显示界面如图6所示：

3 测试与分析

3.1 ESP8266的透传设置[8]

使用USB-TTL模块连接ESP8266模块，需要将ESP8266 WIFI模块烧录为透传模式，通过串口依次向ESP8266中烧写如下指令：

AT->ATE0->AT+RESTOPE->AT+CWMODE=3->AT+CWJAP="YYC"，"12345678"->AT+CIPMUX=0->AT+CIPMODE=1->AT+SAVETRANSLINK=1，"121.42.180.30"，8181，"TCP"。每烧写一次指令，如果写入成功，會返回“OK”，这样esp8266会通过“YYC”网络和贝壳物联的云平台连接，并且会“WELCOME TO BIGIOT”。如图7所示：

3.2 连接云平台

1）在贝壳物联官网上注册账号，之后添加智能设备，系统自动生成一个“ID”和一个“APIKEY”，系统根据这两个信息来识别设备。

2）将ESP8266模块和Arduino Uno连接，通过USB线，使用Arduino IDE编辑代码、烧写代码。在代码中将“SSID”改为自己设备的“ID”，“APIKEY”改为自己设备的“APIKEY”号即可。如图8所示即可：

4 总结

使用普通井盖，无法应对突发状况迅速做出合适的处理。而该设计的系统通过是 Arduino Uno3开发板，ESP8266 WIFI等模块，结合“贝壳物联”的云平台，实现了对设备的远程实时监控与控制，远程控制井盖的开/关，其他方式很难打开井盖，保证安全性。远程监控水位状态和井盖的状态，并有报警提示功能，让可以及时接收到警报，然后能迅速地采取措施。

智慧城市如今发展非常迅速，普通的井盖已经不能满足智慧城市的需求，普通的井盖一旦发生故障，很可能就会造成伤亡事故或经济损失。因此采用这种井盖系统，城市公路和街道的安全级别将会大大地提高，这样智慧城市将更细致化。并且系统和云平台连接在一起，实现远程的功能，随着云技术的发展，之后云技术将涉及生活的各个方面，该作品的功能也更加的全面，加大环境的安全性。

参考文献：

[1] 李德仁，姚远，邵振峰.智慧城市中的大数据[J].武汉大学学报·信息科学版， 2014， 39 （6）：631-640.

[2] 尹功喜.探讨智慧城市中智慧灯杆的运用[J].大科技，2018（36）：262-263.

[3] 何遥.智慧城市与车联网[J].中国公共安全：综合版，2018（10）：45-54.

[4] 刘晴，张健明.城市社区智慧养老模式的实现瓶颈分析[J].中国集体经济，2018（34）：150-151.

[5] 郑荣颖.基于LoRa技术的智慧井盖解决方案[J].电脑与电信，2018（10）：31-33.

[6] 郭哲.智慧城市之智慧井盖网络[J].西部皮革，2018，40（19）：128.

[7] 朱得元，胡冰，俞宝库.基于Android/Raspberry Pi的智能家居安防系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2017，13（19）：158-161.

[8] 沈华刚，吕刚磊.基于ESP8266串口WiFi智能插座设计[J].电子世界，2019（7）：202.

【通联编辑：梁书】

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