一种基于NB-IOT井盖防丢报警系统

一种基于nb-iot井盖防丢报警系统
技术领域
1.本发明涉及预防领域，具体是一种基于nb-iot井盖防丢报警系统。


背景技术：

2.随着城镇化步伐的加速,大部分城市的公用设施的建设速度大大加速。供电、通讯等单位的电缆大部分埋在地下,一般采用打开地面井盖，开展日常维修,却给犯罪分子带来可趁之机,偷偷打开埋有光纤、电缆的井盖偷走它们。
3.井盖丢失，不仅危害了道路行人的安全，而且井盖下方裸露的电线电缆光纤等等一系列的设施也会发生危险，而且一旦这些关键的线路被违法剪短，那造成的经济损失无法估量。如果行人和机动车不注意观察井盖的情况，还可能因为没有井盖而发生交通安全事故。
4.针对井盖被盗而且无法找回的问题，每个城市都提出了不同的解决方案。例如：在井盖下方安装一种防护网，主要在井盖丢失时，这些防护网能起到一部分井盖的作用。防止行人掉入下水道发生安全事故。这种方法不仅价格低廉，而且简单易行。但是它的缺点就是井盖无法找回。还提出了智能井盖解决方案，运用先进的传感器，高速通信的网络，研发了一套智能井盖。但是一个智能井盖的造价却高达几千块钱，在必要的井盖上安装一个还行，要给一个城市的井盖都安装上，不切实际。
5.因此，城市的井盖防盗系统不仅要足够智能，而且要足够低的价格。这样才符合我们对智能井盖的硬性需求。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于nb-iot井盖防丢报警系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种基于nb-iot井盖防丢报警系统，包括：
9.传感器模块，用于检测井盖是否偏移，发送偏移信号给微处理器模块；
10.微处理器模块，用于综合控制电路；
11.定位模块，用于检测井盖位置，发送给微处理器模块；
12.蜂鸣器报警模块，用于接收微处理器的控制，在井盖偏移超出设定阈值时，鸣叫报警；
13.led显示模块，用于接收微处理器的信号，显示井盖偏移信息；
14.nb-iot模块，用于构建微处理器模块和云平台之间的通信；
15.电池模块，用于为微处理器模块、nb-iot模块供电；
16.传感器模块连接微处理器模块，微处理器模块连接定位模块、蜂鸣器报警模块、led显示模块、nb-iot模块，电池模块连接微处理器模块、nb-iot模块；
17.所述基于nb-iot井盖防丢报警系统还包括应用方法，方法包括以下步骤：
18.步骤1：对系统进行初始化配置,通过微处理器模块设置一个可调的等待时间；
19.步骤2：分别对传感器模块和nb-iot模块进行配置；
20.步骤3：设置rtc时钟功能；
21.步骤4：配置rtc时钟中断和外部传感器模块的中断，设置传感器模块中断的优先级高于rtc时钟中断；
22.步骤5：当微处理器模块检测到设备倾斜时，采集传感器模块的位置数据，解算出倾角，并发送数据到平台，若信息出现错误，发出报警信息，直至数据恢复正常，关闭报警；
23.步骤6：微处理器模块进入低功耗模式，等待重新唤醒。
24.作为本发明再进一步的方案：传感器模块包括传感器ic1，传感器ic1型号为mpu-6050，传感器ic1的sda引脚、scl号引脚通过接口p5连接微处理器模块，传感器ic1的int引脚依次通过电阻r21、接口p5连接微处理器模块。
25.作为本发明再进一步的方案：微处理器模块包括主控芯片u4，主控芯片u4型号为stm32f103c8t6，主控芯片u4的pa11引脚、pa12引脚、pa15引脚连接传感器模块，主控芯片u4的pa9引脚、pa10引脚连接定位模块，主控芯片u4的pa2引脚、pa3引脚连接nb-iot引脚。
26.作为本发明再进一步的方案：nb-iot模块包括通信芯片u8，通信芯片u8型号为bc26，通信芯片u8的rxd引脚、txd引脚通过接口p3连接微处理器模块。
27.作为本发明再进一步的方案：定位模块包括定位芯片u9，定位芯片u9型号为s1216f8，定位芯片u9的20号引脚通过电阻r17连接微处理器模块，定位芯片u9的21号引脚通过电阻r16连接微处理器模块。
28.作为本发明再进一步的方案：蜂鸣器报警模块包括蜂鸣器beep1、三极管q1，三极管q1的基极连接微处理器模块，三极管q1的发射极接地，三极管q1的集电极连接蜂鸣器beep1的一端，蜂鸣器beep1的另一端连接供电电压。
29.作为本发明再进一步的方案：led显示模块包括oled显示器u3，oled显示器u3的第一端接地，oled显示器u3的第二端连接供电电压，oled显示器的第三端、第四端连接微处理器模块。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明主采用元器件均以低功耗为原则，采用锂电池为电源给微处理器模块和nb-iot模块供电；数据采集主要是由传感器mpu-6050对井盖的位移进行实时检测；微处理器采用stm32系列，但它从待机模式中被唤醒，开始对井盖进行信息采集，包括井盖的俯仰角、倾角、位移等，然后将数据传送给nb-iot模块，最终通过nb-iot模块将采集到的数据上传至云平台，可从云平台获取井盖数据，进行显示，异常时可报警。
附图说明
31.图1为一种基于nb-iot井盖防丢报警系统的原理图。
32.图2为传感器模块的电路图。
33.图3为微处理器模块、led显示模块及蜂鸣器报警模块的电路图。
34.图4为nb-iot模块的电路图。
35.图5为定位模块的电路图。
36.图6为软件整体设计图。
37.图7为时钟配置流程图。
38.图8为无线通信流程图。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.请参阅图1，一种基于nb-iot井盖防丢报警系统，包括：
41.传感器模块，用于检测井盖是否偏移，发送偏移信号给微处理器模块；
42.微处理器模块，用于综合控制电路；
43.定位模块，用于检测井盖位置，发送给微处理器模块；
44.蜂鸣器报警模块，用于接收微处理器的控制，在井盖偏移超出设定阈值时，鸣叫报警；
45.led显示模块，用于接收微处理器的信号，显示井盖偏移信息；
46.nb-iot模块，用于构建微处理器模块和云平台之间的通信；
47.电池模块，用于为微处理器模块、nb-iot模块供电；
48.传感器模块连接微处理器模块，微处理器模块连接定位模块、蜂鸣器报警模块、led显示模块、nb-iot模块，电池模块连接微处理器模块、nb-iot模块。
49.在本实施例中：请参阅图2，传感器模块包括传感器ic1，传感器ic1型号为mpu-6050，传感器ic1的sda引脚、scl号引脚通过接口p5连接微处理器模块，传感器ic1的int引脚依次通过电阻r21、接口p5连接微处理器模块。
50.mpu-6050自身就具备着滤波技术，采用卡尔曼滤波算法，可以很好地去噪，还可以还原真实的数据，它还可以通过姿态解算器，保证角度的输出及时，同时其传感器的稳定性极高，它改善了测量环境，减少了测量误差，确保了测量精度。
51.mpu-6050在工作时会通过内置的加速度传感器和陀螺仪感应加速度和角速度的变化，然后通过内部的a/d转换将数据转换为数字量传至微处理器模块。
52.在本实施例中：请参阅图3，微处理器模块包括主控芯片u4，主控芯片u4型号为stm32f103c8t6，主控芯片u4的pa11引脚、pa12引脚、pa15引脚连接传感器模块，主控芯片u4的pa9引脚、pa10引脚连接定位模块，主控芯片u4的pa2引脚、pa3引脚连接nb-iot引脚。
53.当主控芯片u4进入使用模式时，mpu-6050测量井盖偏离的角度和加速度值并发送至主控芯片u4内部，主控芯片u4判断其数值是否大于阈值，如果平均值大于阈值，则将报警信息上传至云平台；如果数值小于设定阈值，单片机和六轴陀螺仪将进入休眠模式，等待下一次的唤醒。因此，选用mpu-6050来检测井盖是否发生偏移。主控芯片u4的pa13、pa14引脚为swd调试的接口。
54.在本实施例中：请参阅图4，nb-iot模块包括通信芯片u8，通信芯片u8型号为bc26，通信芯片u8的rxd引脚、txd引脚(对应主控芯片u4的pa2、pa3引脚)通过接口p3连接微处理器模块。
55.nb-iot模块由bc26芯片、串口电路、sim卡卡座、复位电路和滤波电路组成，都是电
池提供供电。bc26芯片采用usart串口可用at命令通信和数据传输。模块可按照传统的dce-dte的方式连接，其中txd引脚可发送数据，rxd引脚接收数据。bc26芯片包含有sim接口，可以支持外部sim卡的访问。这使bc26芯片可通过sim卡访问外部移动网络。该sim卡可通过模块内部的电源直接供电。
56.在本实施例中：请参阅图5，定位模块包括定位芯片u9，定位芯片u9型号为s1216f8，定位芯片u9的20号引脚通过电阻r17连接微处理器模块，定位芯片u9的21号引脚通过电阻r16连接微处理器模块。
57.s1216f8-bd是一个高性能gps/北斗双模定位模块。定位模块通过串口与外部系统连接，串口波特率支持4800、9600、19200、38400等不同速率，兼容支持5v/3.3v的单片机系统。本文使用默认波特率38400，且模块与单片机连接最少只需要4根线即可：vcc、gnd、txd、rxd。其中vcc(22号引脚)和gnd用于驱动模块，模块中txd和rxd(20、21号引脚)连接单片机的rxd和txd(pa9、pa10引脚)。该模块5v和3.3v微处理器系统兼容，便于与系统内部连接。
58.在本实施例中：请参阅图3，蜂鸣器报警模块包括蜂鸣器beep1、三极管q1，三极管q1的基极连接微处理器模块，三极管q1的发射极接地，三极管q1的集电极连接蜂鸣器beep1的一端，蜂鸣器beep1的另一端连接供电电压。
59.在井盖偏移超出阈值时，主控芯片u4的21号引脚输出高电平，触发三极管q1导通，进而拉低蜂鸣器beep1一端电压，使得beep1两端形成电压差，报警鸣叫。
60.在本实施例中：请参阅图3，led显示模块包括oled显示器u3，oled显示器u3的第一端接地，oled显示器u3的第二端连接供电电压，oled显示器的第三端、第四端连接微处理器模块。
61.led显示模块显示井盖偏移值。
62.在本实施例中，井盖防丢报警系统软件设计主要包括三个内容：主程序的设计、终端服务的选择、串口接收程序的设计。主程序的设计主要完成系统初始化、定时性采集数据和发送数据；终端服务的选择主要用来查看数据；串口接收程序的设计是确保数据的准确性和输出渠道。
63.程序的主要流程：
64.(1)对系统进行初始化配置。通过对mcu(微处理器模块)的工作频率设置来降低运行的功耗，设置一个可调的等待时间。
65.(2)分别对传感器模块和nb-iot模块进行配置。i2c接口和usart串口进行初始化，之后通过发送命令来对接口进行配置
66.(3)设置rtc时钟功能。采用设置定时唤醒采集井盖的信息来减少不必要的损耗。
67.(4)配置rtc时钟中断和外部传感器模块的中断。设置传感器模块中断的优先级高于rtc时钟中断，来防止两个中断同时发生导致冲突。到此，系统初始化完成。
68.(5)当微处理器模块检测到设备倾斜时，采集传感器模块的位置数据，解算出倾角，并发送数据到平台，若信息出现错误，发出报警信息，直至数据恢复正常，关闭报警。
69.(6)之后微处理器模块将进入低功耗模式，等待重新唤醒。
70.请参阅图6，主程序主要要求对mpu-6050传感器模块发送查询命令，待到一切准备好，将数据发送至nb-iot模块。它首先是初始化stm32(微处理器模块)串行端口和定时器，然后初始化nb-iot模块。当初始化完成后，stm32和nb-iot模块都进入停机状态。此时若定
时器设定时间达到后，将运行状态查询命令发送到收集端，完成井盖状态参数的时间采集，并按照规定的协议将井盖状态数据上传到服务器。
71.请参阅图7，rct是stm32系列微处理器内部的一个自动计时器，由于stm32系列微处理器内部有一个独立的定时器，可以通过设定时间来使它在某个时间每秒中断一次，因此它也就有了实时时钟的功能。在rtc配置流程中，打开外设时钟，然后设置同步与异步分频器调节好定时时间，微处理器配置闹钟的内部中断线与中断优先级，之后配置好rtc的初始时间，最后确定初始化是否完成。
72.stm32系列支持中断功能，在程序向下运行中，当检测到中断时程序会自动暂停并跳到中断所对应的服务中运行，当中断程序执行完成后，将会跳回到原来暂停的程序位置，继续往下运行。在本研究中有外部中断函数流程和闹钟中断函数流程。
73.对于外部的传感器的中断，控制器pc13管脚与传感器的中断输出管脚相连接，此时的pc13管脚采用内部中断连接。同时微处理器的中断形式中还需要考虑优先级。本文采用了三个中断源：usart通信中断、rtc中断、传感器模块的外部中断。为了防止中断产生冲突，usart中断为通信接口中断，应需要在另外两个中断服务器函数中调用运行，因此应该设置为最优先。其次应该考虑井盖的功能要求为倾斜报警优先，因此传感器的外部中断为次优先，最后应该为rtc中断。
74.请参阅图8，nb-iot模块与微处理器模块直接相连，同样在配置前需要对微处理器模块的usart通讯接口进行初始化配置，还需要对串口中断与优先级进行配置等。但与传感器模块不同，nb-iot通信模块无需要初始化就可通过usart接口使用at指令直接控制。
75.本发明的工作原理是：传感器模块检测井盖是否偏移，发送偏移信号给微处理器模块；微处理器模块综合控制电路；定位模块检测井盖位置，发送给微处理器模块；蜂鸣器报警模块接收微处理器的控制，在井盖偏移超出设定阈值时，鸣叫报警；led显示模块接收微处理器的信号，显示井盖偏移信息；nb-iot模块构建微处理器模块和云平台之间的通信；电池模块为微处理器模块、nb-iot模块供电。
76.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
77.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种基于nb-iot井盖防丢报警系统，其特征在于：该基于nb-iot井盖防丢报警系统包括：传感器模块，用于检测井盖是否偏移，发送偏移信号给微处理器模块；微处理器模块，用于综合控制电路；定位模块，用于检测井盖位置，发送给微处理器模块；蜂鸣器报警模块，用于接收微处理器的控制，在井盖偏移超出设定阈值时，鸣叫报警；led显示模块，用于接收微处理器的信号，显示井盖偏移信息；nb-iot模块，用于构建微处理器模块和云平台之间的通信；电池模块，用于为微处理器模块、nb-iot模块供电；传感器模块连接微处理器模块，微处理器模块连接定位模块、蜂鸣器报警模块、led显示模块、nb-iot模块，电池模块连接微处理器模块、nb-iot模块；所述基于nb-iot井盖防丢报警系统还包括应用方法，方法包括以下步骤：步骤1：对系统进行初始化配置,通过微处理器模块设置一个可调的等待时间；步骤2：分别对传感器模块和nb-iot模块进行配置；步骤3：设置rtc时钟功能；步骤4：配置rtc时钟中断和外部传感器模块的中断，设置传感器模块中断的优先级高于rtc时钟中断；步骤5：当微处理器模块检测到设备倾斜时，采集传感器模块的位置数据，解算出倾角，并发送数据到平台，若信息出现错误，发出报警信息，直至数据恢复正常，关闭报警；步骤6：微处理器模块进入低功耗模式，等待重新唤醒。2.根据权利要求1所述的基于nb-iot井盖防丢报警系统，其特征在于，传感器模块包括传感器ic1，传感器ic1型号为mpu-6050，传感器ic1的sda引脚、scl号引脚通过接口p5连接微处理器模块，传感器ic1的int引脚依次通过电阻r21、接口p5连接微处理器模块。3.根据权利要求1所述的基于nb-iot井盖防丢报警系统，其特征在于，微处理器模块包括主控芯片u4，主控芯片u4型号为stm32f103c8t6，主控芯片u4的pa11引脚、pa12引脚、pa15引脚连接传感器模块，主控芯片u4的pa9引脚、pa10引脚连接定位模块，主控芯片u4的pa2引脚、pa3引脚连接nb-iot引脚。4.根据权利要求1所述的基于nb-iot井盖防丢报警系统，其特征在于，nb-iot模块包括通信芯片u8，通信芯片u8型号为bc26，通信芯片u8的rxd引脚、txd引脚通过接口p3连接微处理器模块。5.根据权利要求1所述的基于nb-iot井盖防丢报警系统，其特征在于，定位模块包括定位芯片u9，定位芯片u9型号为s1216f8，定位芯片u9的20号引脚通过电阻r17连接微处理器模块，定位芯片u9的21号引脚通过电阻r16连接微处理器模块。6.根据权利要求3所述的基于nb-iot井盖防丢报警系统，其特征在于，蜂鸣器报警模块包括蜂鸣器beep1、三极管q1，三极管q1的基极连接微处理器模块，三极管q1的发射极接地，三极管q1的集电极连接蜂鸣器beep1的一端，蜂鸣器beep1的另一端连接供电电压。7.根据权利要求3所述的基于nb-iot井盖防丢报警系统，其特征在于，led显示模块包括oled显示器u3，oled显示器u3的第一端接地，oled显示器u3的第二端连接供电电压，oled显示器的第三端、第四端连接微处理器模块。

技术总结
本发明公开了一种基于NB-IOT井盖防丢报警系统，涉及预防领域，该基于NB-IOT井盖防丢报警系统包括：传感器模块，用于检测井盖是否偏移，发送偏移信号给微处理器模块；微处理器模块，用于综合控制电路；本发明的有益效果是：本发明采用锂电池为电源给微处理器模块和NB-IOT模块供电；数据采集主要是由传感器MPU-6050对井盖的位移进行实时检测；微处理器采用STM32系列，但它从待机模式中被唤醒，开始对井盖进行信息采集，包括井盖的俯仰角、倾角、位移等，然后将数据传送给NB-IOT模块，最终通过NB-IOT模块将采集到的数据上传至云平台，可从云平台获取井盖数据，进行显示，异常时可报警。异常时可报警。异常时可报警。


技术研发人员：卢超 卢进军 韩团军 蒋媛 熊召新 刘东
受保护的技术使用者：陕西理工大学
技术研发日：2023.01.05
技术公布日：2023/6/26