基于arduino和云端的城市井盖监测系统设计和实现

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ArduinoUNO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开放科学（资源服务）标识码（OSID）:文章编号：1009-3044(2019)27-0068-03DesignandImplementationofUrbanCoverMonitoringSystemBasedonArduinoandCloudPlatformYANGZhen,XUTao,GUMinghu,ZHANGPing,BAITing(SchoolofComputerScienceandInformation,AnhuiPolytechnicUniversity,Wuhu241000,China)Abstract:WiththedevelopmentofInternetofthingstechnology,Internetofthingsdevicescanbetterhelpallaspectsoflife.TheprocessingcoreoftheurbanmanholecovermonitoringsystembasedonArduinoandcloudisArduinoUNOboard.ESP8266isusedastheinformationtransmissionintermediarytosetthesensorcontrolandinformationdisplayterminalinthecloud.Thesys⁃temadoptsthecloudplatformof\"shellobjectconnection\whichcanrealizethecontrolofhardwareandsensorsandisnotlimitedbydistance,sothattheurbanenvironmentalsecuritywillbefurtherimproved.Lingaicanmonitoraseriesofsituationsinrealtimethroughthecloud.Whenspecialconditionsoccur,itcangetinformationthroughthecloudanddealwithaccidentsquickly,greatlyreducingcasualtiesandeconomiclosses.Keywords:IoT;Arduino;manholecover;urbansecurity;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环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

收稿时间：2019-07-27基金项目：安徽省高等教育提升计划省级自然科学研究一般项目（项目编号：TSKJ2016B04）；安徽省高校自然科学研究重大项目（项目编号：KJ2019ZD15）；国家自然科学基金青年项目（项目编号：61501005）；安徽省大学生创新创业训练项目（项目编号：201810363075，201810363290）；安徽工程大学大学生科研项目（项目编号：2019DZ31）作者简介：杨震（1997—），男，安徽亳州人，大三学生，主要研究方向为物联网技术；徐涛（1997—），男，浙江嘉兴人，大三学生，主要研究方向为大数据以及数据可视化；顾明虎（1998—），男，安徽蚌埠人，大二学生，主要研究方向为RaspberryPi应用；章平（1982—），男，安徽芜湖人，副教授，主要研究方向为物联网技术；白婷（1998—），女，陕西西安人，大三学生，主要研究方向为大数据。68

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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技术原理有ArduinoUno开发板，USB14条接口，路输入电源插座，/输出引脚、是以ATmega328MCU为主控芯片，拥ICSP6接头以及复位按钮。同时，路模拟输入引脚，16MH晶振、只需要一包括duinoUSB数据线连接至电脑就可以供电和代码烧录。目前，Ar⁃联云平台，Uno已成为平台采用以ArduinoTCP主推的产品。项目中了使用的贝壳物协议为主，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UDPJson字符串格式数据进行交互，来实现数据实时更新。以的时候向服务器发送相应指令来实现相关操作。

协议为基础的通讯，设备可不必保持实时在线，只要需要该项目主要是由ArduinoUnor3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：

图1项目的工作结构模块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ArduinoUno3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、Uno3倾角传感器、作为数据采集与控制器，信息传输等方式反馈和影响作用环境。使用Arduino超声波距离传感器、可以完全满足系统中所使用的舵机、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

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图2和图3所示：

图2水位监测在云端的具体的数据图3水位变化的趋势在云端的呈现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：

图4井盖倾斜的编号、类型及警报2.4远程平台控制在ArduinoUno3与ESP8266WIFI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：

图5控制井盖开关页面软件设计开发

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ComputerKnowledgeandTechnology电脑知识与技术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：

图6井盖特定的定位属性和相关参数3测试与分析3.1ESP8266的透传设置[8]

WIFI使用USB-TTL模块连接ESP8266模块，下指令：

模块烧录为透传模式，通过串口依次向ESP8266需要将中烧写如ESP8266

JAP=AT->ATE0->AT+RESTOPE->AT+CWMODE=3->AT+CW⁃1->AT+SAVETRANSLINK=1,\"121.42.180.30\\"YYC\\"12345678\"->AT+CIPMUX=0->AT+CIPMODE=烧写一次指令，如果写入成功，会返回“OK”，这样esp8266。每会通过TO“BIGIOTYYC”网络和贝壳物联的云平台连接，”。如图7所示：

并且会“WELCOME图7ESP8266连接成功的返回信息3.2连接云平台自动生成一个1）在贝壳物联官网上注册账号，“ID”和一个“APIKEY”之后添加智能设备，，系统根据这两个信息来系统

识别设备。

Arduino2）将ESP8266模块和ArduinoUno连接，设备的“IDEID”“,编辑代码、APIKEY”烧写代码。在代码中将通过改为自己设备的“APIKEY“SSIDUSB”号即可。如”改为自己线，使用图8所示即可：

图8修改ID和APIKEY参数70

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看到“在线”3）代码烧写成功后，，表示设备已经连接上贝壳物联。如图会在自己的设备上看到“在线状态”9所示：

栏图9设备连接上云平台后返回信息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ArduinoUno3开发板，ESP8266WIFI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][2]报李德仁,姚远,邵振峰.智慧城市中的大数据[J].武汉大学学尹功喜·信息科学版.探讨智慧城市中智慧灯杆的运用,2014,39(6):631-640.[J].大科技,2018[3](36):262-263.何遥.智慧城市与车联网[J].中国公共安全:综合版,2018(10):[4]45-54.刘晴[5]国集体经济,张健明郑荣颖.基于,2018(34):150-151..城市社区智慧养老模式的实现瓶颈分析[J].中LoRa技术的智慧井盖解决方案[J].电脑与电信,[6]2018(10):31-33.郭哲.智慧城市之智慧井盖[7](19):128.网络[J].西部皮革,2018,40朱得元安防系统的设计与实现,胡冰,俞宝库.基于[J].Android/Raspberry电脑知识与技术Pi,2017,13(19):的智能家居[8]158-161.沈华刚子世界,2019(7):202.,吕刚磊.基于ESP8266串口WiFi智能插座设计[J].电【通联编辑：梁书】本栏目责任编辑：谢媛媛