智能防盗下水道窨井盖装置的研究

2022-11-19任春燕李雪松

现代信息科技 2022年19期

关键词：窨井盖防盗下水道

任春燕，李雪松

（山东华宇工学院，山东德州 253034）

0 引言

本论文的选题是智能防盗下水道窨井盖装置。

本设计是一种动力装置与及单片机技术结合的，能够自动检测下水道窨井盖是否损坏、缺失，而且具有防盗功能的智能防盗下水道窨井盖装置。由井盖、外壳、指纹检测装置、红外检测系统、液晶显示模块、网络系统等部分组成。

随着时间的发展，现在我们已经进入了信息化时代、大数据时代。一切都开始变得智能化，而智能家居的出现给人们带来了极大的便利，智能出行的发展也让人日益享受出行的快乐。但是，在日趋城市化的街道中，传统的下水道窨井盖经常因为损坏丢失而引发一桩桩惨祸。这就急需一款能够防盗而且便于提醒维修人员修理的智能化下水道窨井盖装置来代替传统的下水道窨井盖。

该智能防盗下水道窨井盖装置难以拆卸，而且受到损坏不仅能及时发出警报声响，引起周围人员的警觉从而吓退窨井盖的偷盗者；而且还能将破损信息发送到相关网络系统，给维修人员发出修理提醒，便于智能防盗下水道窨井盖装置的维修，防盗而又便于管理。

除此之外，该装置能够检测下水道中的有害气体的浓度，如果浓度危害维修人员的健康安全，则会在手机APP 端发出警报，可降低维修人员的遇险概率。

1 背景意义

1.1 研究的背景及发展现状

近年来，因为传统的下水道窨井盖被盗、破损、管理维护不当导致的意外事件频频发生，严重地危害到了人民群众生命财产安全，缺失的井盖成为“定时炸弹”。

近些年的坠井者中，除了5 人年龄不详，年龄在15 岁以下的有51 人，占比约56%，其中5 岁及以下儿童29 人，占比近三成。近五年我国坠井事件数如图1 所示。

图1 近五年全国坠井事件数量

传统井盖不仅易丢失，而且还有一些管理劣势：人力维护成本高以及人员监督管理难，随着物联网发展，智慧井盖出现并持续发展。

我国现在提倡乡村振兴，近几年全国井盖应用数量一直呈现上升趋势。

综上所述，本项智能井盖的发展前景良好。

1.2 研究的目的与意义

下水道窨井盖是城市道路排水功能的重要组成部分，它在城市中的使用率非常广，但因为各种各样的原因，普通的传统井盖总是容易遭到破坏、丢失，而且不容易管理，给人们的正常生活造成了很大的影响。

该产品改变了传统井盖的容易损坏、丢失以及难以统一管理、统一治理的缺点，融入了高科技的新时代特点，能够有效地防止下水道窨井盖丢失并且能在丢失时及时弥补，可以大大方便市民生活。

2 总体设计分析

2.1 功能需求分析

传统下水道窨井盖最大的缺点是易拆卸，这个缺点致使下水道窨井盖非常容易出现遗失的情况。所以，该装置必须具备以下功能：修理人员在工作中可以轻易打开智能防盗下水道窨井盖装置，但是其他没有植入身份的人则完全不能，除非暴力拆卸，摧毁地面，否则不能够将窨井盖拆下带走。

而且，下水道中的有害气体（如甲烷、一氧化碳、二氧化碳、乙烯等）众多，当浓度达到一定的限度，就会危害维修人员的健康安全，故而该装置需要能够检测下水道中的有害气体的浓度，如果浓度危害维修人员的健康安全，则会在手机APP 端发出警报。

除此之外，传统窨井盖的另一个缺点就是不能发出警报。故而，本装置设置了相应的警报装置，能够适当的震慑偷盗窨井盖者并通知周围人员。而且，如果下水道窨井盖遭到破坏，能够及时提醒群众和修理人员，避免维修不善而出现意外。

综上所述，我们需要设计的智能防盗下水道窨井盖装置总体功能设计有以下几个方面：难以拆卸、身份识别、指纹开锁、防盗提醒（内含当场对周围人员进行提醒和通过手机APP 或电脑控制端所接受的提醒）、对下水道内部的气体进行检测等。

2.2 系统总体设计

首先要介绍的是智能下水道窨井盖装置的外观结构。其外观结构如图2 所示。

图2 智能下水道窨井盖装置外观结构图

该装置的外围（即2—窨井盖外围）相似于一般下水道的环状结构，内有凹槽，能够与下水道窨井盖相互契合，环状结构内部的凹槽处安装有一些光敏二极管（即红外检测装置）。下水道窨井盖一侧是跟外围的环状结构固定在一起的旋转结构（即5—转轴），是下水道窨井盖开关转动的支撑点，内嵌弹簧。过圆心的另一边是1 指纹检测部分，手动闭合该锁就会锁死，当输入指纹正确则锁会打开，经过弹簧的弹性形变，井盖能够自动弹开。指纹锁上有附有盖子（与地面持平，在图中未显示），防止灰尘落入与人员经过产生的摩擦。

其次介绍的是其各种检测模块与下水道窨井盖之间的联系。

指纹锁装置（即1—指纹检测部分）能够检测指纹，只有当指纹被识别系统识别为已录入指纹后，锁装置才会启动，而下水道窨井盖装置的窨井盖部分则会受到弹簧的弹性作用，使窨井盖能够自动弹开；否则指纹锁的锁装置仍然处于锁死状态。

红外检测模块（即为4—光敏二极管）附在下水道窨井盖外围环状结构的内测，能够检测窨井盖是否跟外壳完全契合（不完全契合的时候，光敏传感器能够接收到来自外界和自身发出的光的反射光），若窨井盖缺失或者损坏不仅该产品处的警报器会响，并且信号会将情况通过通信模块（即6—通信模块，位于下水道窨井盖下方）传送到控制端，使控制端发出警报，让计算机网络系统、手机APP 等网络管理系统收到信号。

警报系统（主要为8—蜂鸣器）是通过主控芯片来触发的。当下水道窨井盖受到损伤或者丢失时，红外检测模块能够接收到光信号，进而将接收到的结果送往主控芯片。主控芯片检测到所设定的标志位变量发生了变化就会使蜂鸣器发出响声。同时通过通信模块向手机APP 和计算机网络系统发出警告，使相应的下水道窨井盖的标识由绿色变为红色。

稳压模块（即9—稳压模块，位于下水道窨井盖下方）采用市场上常用的稳压模块AMS1117，该型号的芯片小巧轻便，而且是贴片元件，用起来比较方便。

气体浓度检测（10—气体传感器，位于下水道窨井盖下方）则是依赖于下水道窨井盖下方所安装的相应的半导体式气体传感器。当半导体式气体传感器检测到下水道内的气体浓度对人类的身体机能甚至是性命产生威胁，或者检测到下水道内的气体浓度易燃易爆等情况时，能够让手机APP 的相应的下水道窨井盖的标识变成黄色，警示维修人员此时进入井内容易发生危险。

主控芯片（即7—主控芯片，位于下水道窨井盖下方）作为该装置的核心模块，控制着该装置的各种功能，该系统总体设计的具体控制流程图如图3 所示。

图3 系统总体设计流程图

3 功能实现分析

3.1 红外检测系统

该问题的解决是在外围的内测有很多光敏二极管，不管光敏二极管白天能够接收到阳光还是夜晚能够接收到发光二极管的光，都会做出缺失判断，进而将结果通过音频矩阵切换器反馈到计算机管理系统以及手机APP。

红外检测系统能够检测窨井盖是否跟外壳完全契合（即是否关闭良好），并发出信号，将结果传递到电脑端与手机APP，若窨井盖受到未经检测或者检测错误的人员的破坏的时候窨井盖能够发出警报，提醒附近的人，使破坏者逃走；而且其能够通过音频矩阵切换器将窨井盖被损坏的信号发送到下水道系统的管理端。

3.2 警报系统

该装置中的报警系统是一个声音放大版的蜂鸣器。

通过电阻R2 和PNP 三极管对电流进行放大，从而驱动蜂鸣器发出声响。电阻R1 是一个上拉电阻，用来防止蜂鸣器误发声。当蜂鸣器BEEP 的引脚输出低电平时，PNP 三极管TP1导通，蜂鸣器发声；当蜂鸣器BEEP 的引脚输出高电平时，PNP 三极管TP1 截止，蜂鸣器停止发声。具体电路如图4 所示。

图4 蜂鸣器电路原理图

当智能防盗下水道窨井盖经过红外检测系统，发现异常状况时，中断系统就会被触发，蜂鸣器启动发出警报。

3.3 远程通信

该装置的远程通信方面的功能是由nRF905 无线芯片实现的。

nRF905 无线芯片是由挪威NORDIC 公司出品的低于1 GHz 无线数传芯片。芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。该模块能够将数据进行无线远程传输，在该装置中，起远程通信作用。该芯片非常适合于低功耗、低成本的系统设计。

3.4 指纹检测技术

指纹锁是一种以人体的指纹为识别载体和手段的智能锁具。其应用的主要的传感器有光学传感器、半导体传感器等，除此之外，其主要技术还有指纹模块。顾名思义，指纹模块能够通过指纹辨别使用者是否是智能防盗下水道窨井盖的修理人员。

指纹是指手指上各不相同的纹路，指纹虽小，但是它所提供的信息是浩瀚的。这些纹路在图案、断点和交点等地方是各不相同的，在信息处理中将它们称作“特征”，特征具有唯一性和永久性，因此我们就可以把修理者同他的指纹对应起来。

指纹检测的步骤如图5 所示。首先获取指纹图像，然后对获取的图像进行预处理，获得指纹脊线、提取特征点，最后进行指纹匹配并反馈结果。

图5 指纹检测步骤流程图

3.5 气体浓度检测技术的原理及应用

该智能防盗下水道窨井盖装置的气体浓度检测部分的原理同气体检测仪的原理。气体检测仪是一种气体泄漏浓度检测的仪器仪表工具，它是利用一些金属氧化物半导体材料，在一定温度下，电导率随着环境气体成分的变化而变化的原理制造的。比如，酒精传感器，就是利用二氧化锡在高温下遇到酒精气体时，电阻会急剧减小的原理制备的。

半导体式气体传感器可以有效地用于多种气体地检测。除此之外，这种传感器成本低廉，非常适合能够大批量制造的产品。其中甲烷、一氧化碳、硫化氢等气体都是我们所需要检测的内容，故半导体式气体传感器能够很好地适用该装置。

根据搜索到的资料可得当环境中一氧化碳的浓度不超过100 PPM 时，人体处于安全环境；当煤气浓度低于24 PPM时，人不会有生命危险；当硫化氢的浓度不超过100 PPM 时，人体出于安全环境；当氧气浓度在19.5%至23.5%之间时，人能够正常生活。

通过单片机将气体传感器所获得的信息进行模数转换，并对所转换的数字量进行分析与判断，当所有气体的浓度都处于人体能够正常生活的范围内时，手机APP 上对应的图标为绿色或红色，表示下水道内部安全。反之，当手机APP上对应的图标为黄色或橙色（橙色代表下水道内部气体浓度能够造成人身安全隐患并且下水道窨井盖存在损坏情况），则代表此时维修人员进入修理容易发生意外。

3.6 单片机主控模块的设计

对于单片机主控模块，整个系统程序采用模块化结构设计，技术比较成熟，目前所使用的是基于MCS-51 系列的STC89C52 开发板。

STC89C52 是STC 推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的51 单片机，它采用8 051 核的ISP（In System Programming）在系统可编程芯片，其指令代码完全兼容传统的8 051 单片机，最高工作时钟频率为80 Hz，片内含4K Bytes 的可反复擦写1 000 次的Flash 只读程序存储器。除此之外，STC89C52 系列的单片机兼容标准MCS-51 指令系统及80C51 引脚结构，芯片内部由通用8 位中央处理器和ISP Flash 存储单元集合而成，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC 端的控制程序即可将程序代码下载进单片机内部，可以不使用通用编程器，而且速度更快。

虽然现在STM32 类型的单片机更为普遍常用，但是对于一个下水道检测系统来说，其实并不需要如此精细且运算速度极快的单片机，而原始的STC89C52 仍然没有退出单片机的舞台，用它作为主控芯片，便宜实惠，又能达到我们所需要的目的。

指纹识别模块和手机APP 及按键能够控制主控芯片，通过其程序运转链接其余模块。单片机连接光敏传感器，检测情况传到音频矩阵切换器，由蓝牙发出信号，发送给网络系统。

3.7 部分代码

智能防盗窨井盖装置制作工艺简单，代码也简单。在该系统中，最高优先级的中断程序主要用作警报器的使用。中断系统的部分代码为：

4 实例测试

为了论证智能防盗下水道窨井盖装置的可行性与可实现性，我们对于该装置的报警部分和气体浓度检测部分进行了测试（其指纹检测部分为指纹检测模块，自带指纹输入程序），以下是具体测试结果。

4.1 报警部分测试

报警系统的响应主要分为两个部分，第一部分为发出鸣叫声，第二部分为手机APP 的相应位置发生颜色变化。

根据多次实验，获得实现结果如表1 所示。

表1 报警系统实验结果汇总

其中，第四次实验结果中虽然手机APP 颜色是否发生变化这一实验结果出现了错误，但是其他实验结果发现该系统响应正常，其可判定为产生了误差。故该处错误可以忽略，认为报警系统的响应正常。

4.2 气体浓度检测部分测试

智能防盗下水道窨井盖装置的气体传感器包括可燃气、一氧化碳、硫化氢、氧气四种传感器，可有效检测井下易燃易爆气体浓度、有毒气体浓度及氧含量，为井下安全作业保驾护航。可燃气为可买卖气体资源，容易获得；一氧化碳和氧气根据材料也可以轻易获得；但是硫化氢不易置备。此处对于可燃气、一氧化碳的浓度进行了测试，测试结果如表2所示。