1. 研究目的与意义
研究背景
随着我国现代经济发展水平的不断提高，城市中给水、排水、燃气、热力、电力、通信等各类市政公用设施日益增加。城市路面的各类地下管线设施的井盖也相应地不断增多。城市道路上的井盖经常会出现破损或丢失，这样就会在路面上形成陷阱，对过往车辆和行人造成危险，造成不良的社会影响。全国特大型城市各类井盖总数量均在100万个以上，大型城市在80万个以上，中型城市在50万个以上。据统计，一般城市井盖年被盗数量超过整量的1%左右。井盖产生的安全隐患包括：井盖被盗，通过井盖入口盗窃地下电线缆，影响供电和通讯；由于下水道未按时清淘造成淤积，长时间形成沼气浓度过高易引发中毒、爆炸等危险事件。井盖丢失或者损坏造成较大经济损失和人身伤亡，如何改善和加强城市井盖管理已成为困扰全国各地市政设施管理部门的一个难点、热点问题。因此有必要设计一种安全监控系统。
目前城市井盖管理手段大多停留在手工操作或应用传统的管理信息系统的阶段，井盖的破损依赖人工报案，没有任何技术措施，且归属于不同的部门，市民报警也不清楚相关部门的报警电话，对井盖的及时维修造成了障碍，造成了城市井盖管理的效率低，可视化程度不高，用户没有身临其境的感受，而且不能及时准确地对发生异常的井盖定位。移动通信技术相对落后，反应迟缓，也降低了数据传输的效率；声光报警提示可能对市民造成干扰；只是将预警报警信息传输到电脑客户端，已不满足工作人员的需要，随时随地能获取这些信息才能更好地处理报警信息。此外，目前应用的信息系统与物联网技术结合不紧密，不能实现对数据的实时数据采集、监控和预警，因此研发高效精准的井盖预警报警系统非常必要。
2. 研究内容和预期目标
研究内容
1.设计并实现arm嵌入式主控最小系统；
2．通信方式采用扩频lora技术方案，要求功耗可调；
3. 研究的方法与步骤
研究方法步骤：
图1.系统总体框图
如上图，系统组成为包含井盖报警器的LORA网络、嵌入式网关、Web服务器。井盖报警器之间采用LORA无线通信技术，每个报警器作为LORA网络中的节点，通过固定的组网方式形成无线传感网络。报警器以接力的方式将数据传到LORA网络的协调器节点，协调器节点负责接收所有网络中的报警器节点信息。协调器节点和嵌入式网关之间交互数据，将LORA网络中的各个报警器节点信息汇聚传递到嵌入式网关，同时将用户查询和设置命令下发给LORA网络。通过采集数据嵌入式网关能够对各个井盖报警器状态和位置进行显示和存储。嵌入式网关同时还起到实时报警和上传数据到网络的作用，市政设施管理处以及自来水厂等政府机构可以通过网络查询自己单位的井盖状态，是否需要维护，记录同时发送短信给检修人员，实现及时维修和处理。当打开井盖后，井盖报警器上面的红外感应传感器感知光线产生报警，将报警信息通过网络传输，传给嵌入式网关中，嵌入式网关处理数据，显示报警位置，用户通过Web服务器中心可以查询每个井盖的安全情况。同时服务器中心通过互联网将消息发送给每个附近的维修单位，达到实时安全监管的效果。
研究方案
1.传感器模块
方案一：
采用光敏传感器。当井盖被移动时，光敏传感器接收到光线，光强超过预设阈值，DO端输出高电平，唤醒设备。其优点是价格低廉，灵敏度高，缺点是当夜晚光强太弱时可能会唤醒设备失败，而导致装置无效， 但当井盖有破损时刻发挥作用。
方案二：
采用倾角传感器。传感器装于井盖中，平时设备处于常开状态，系统电源断开，无耗电。一旦井盖被搬动或损坏并产生一定倾角时倾角开关触发电源模块工作，并把监测到的异常信号通过无线模块向基站发送数据。其价格较光敏传感器高一些，但24小时可正常工作，不易受环境影响。
综上，传感器模块选择倾角传感器和光敏传感器。
2.网关控制模块
方案一: 使用ATMEL公司的AVR16。单片机价格便宜，但运行速度慢，难以进行复杂的运算。
方案二: 使用ST公司的STM32F103CBT6作为主控制器。STM32采用ARM Cortex-M3内核，运行速度快，片上资源丰富，具有很多外围接口，可拓展性强，灵活性高，且功耗比树莓派更低，稳定性也更好。
方案三：使用树莓派3 B 开发板，低功耗、体型小，而且树莓派作为基于ARM 的微型开发板，具有很强的运算处理能力，且支持USB、串口、HDMI、无线Wi．Fi、LAN等多种输入输出方式。能满足视频录像的图形处理要求，又能满足高速接入互联网的要求。同时它的多接口可以使其具有丰富的拓展性，甚至可以集群化，达到更高的处理能力。但价格较其他两个更贵一些。
综上所述，选择方案二作为嵌入式网关控制模块。
3.电源模块
方案一：采用铅酸电池，使用普遍，耐摔且便于维修，价格低廉。但是质量体积大，使用寿命较短，不适宜在井盖下放置。
方案二：采用锂电池，质量体积轻便，使用寿命长，且充放电速度快，价格合适，适用于井盖检测装置。
综上，电源模块采用锂电池。
4.报警模块
方案一：传统电磁式蜂鸣器。其采用多晶片集成电路，使用寿命长，性能稳定，价格低廉。
方案二：带闪光灯蜂鸣器。其采用LED发光芯片为源，在报警发出蜂鸣声的同时会不断闪光，更易吸引路人的注意力，对偷盗井盖的人更有威慑力。
综上，选择带闪光灯蜂鸣器。
5.通信模块
方案一:ZigBee：具有低功耗、低成本、低速率、近距离的优点，但时延由于ZigBee采用随机接入MAC层，且不支持时分复用的信道接入方式，因此不能很好的支持一些实时的业务。数据速率比较低，在2.4GHZ的频段只有250Kb/S，而且这只是链路上的速率，除掉信道竞争应答和重传等消耗，真正能被应用所利用的速率可能不足100Kb/S，并且余下的速率可能要被邻近多个节点和同一个节点的多个应用所瓜分。
方案二：GPRS：其单点覆盖率高，可达几公里，安装难易程度较低，，但成本高，传输速率较高，功耗高，网络复杂，电池寿命低。
方案三：LoRa模块：低功耗、传输距离远。LoRa模块的灵敏度-148dBm,通讯距离大于10千米，解决了功耗和传输距离不能兼得的难题，在实际应用中有非常大的应用空
间。电池寿命长。LoRa模块的接收电流10MA,休眠电流小于200NA，电池寿命长达5年。
综上所述，结合本文设计所需以及各优缺点对比分析，选择方案三，
即LoRa模块。
4. 参考文献
[1] 周一振.基于zigbee和lora的麦田监控系统[j].物联网技术,2017,7(12):29-30.
[2] 张湧涛,潘俊钢.基于lora技术的井下数据采集系统[j].工业控制计算机,2017,30(11):37-38.
[3] 常应祥.基于物联网技术的城市小区智能井盖管理系统[j].城市建设理论研究(电子版),2017(21):191.
5. 计划与进度安排
1．2022-03-05~2022-03-08 查阅论文资料
2．2022-03-09~2022-03-15 撰写开题报告
3．2022-03-16~2022-03-20 方案设计与外文翻译
