智能井盖倾斜监测装置

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1. 项目开发背景

随着城市化进程的加快，市政基础设施的管理和维护变得越来越重要。井盖作为城市道路的重要组成部分，其安全性直接关系到市民的出行安全和城市形象。传统的井盖管理主要依赖人工巡检，效率低下且难以实时发现异常情况。井盖被盗、破损或倾斜等问题可能导致交通事故、人员伤亡和财产损失。

近年来，物联网技术的发展为市政设施智能化管理提供了新的解决方案。通过部署智能监测装置，可以实时监控井盖状态，并在异常情况下及时报警，从而大幅提升管理效率。本设计基于STM32微控制器和LoRaWAN通信技术，开发一款低功耗、高可靠性的智能井盖倾斜监测装置，实现井盖姿态的实时监测和远程上报功能。

此外，该装置采用太阳能和超级电容结合的供电方案，确保在无市电环境下长期稳定工作。通过硬件和软件的协同优化，系统能够在复杂环境下可靠运行，为智慧城市建设提供技术支持。

2. 设计实现的功能

（1）井盖倾斜角度检测：通过六轴IMU（LSM6DS3TR）实时测量井盖的倾斜角度，采用DMP库进行姿态解算，确保数据准确性。 （2）异常位移报警：当井盖倾斜角度超过阈值或发生异常位移时，系统自动触发报警机制。 （3）远程数据上报：通过RN2483 LoRaWAN模块将异常状态上报至市政管理平台，支持低功耗广域网络通信。 （4）电源管理：采用太阳能电池和超级电容结合的供电方案，支持能量收集和存储，并通过硬件ADC实时监控超级电容电压，实现过压保护。 （5）低功耗设计：系统在非报警状态下进入休眠模式，最大限度降低能耗，延长设备使用寿命。

3. 项目硬件模块组成

（1）主控模块：STM32F103RCT6微控制器，负责数据处理、传感器控制和通信调度。 （2）传感器模块：LSM6DS3TR六轴IMU，用于检测井盖的加速度和角速度，计算倾斜角度。 （3）通信模块：RN2483 LoRaWAN模块，支持远距离、低功耗无线通信。 （4）电源模块：6V太阳能电池板、2.7V 10F超级电容及电源管理电路，实现能量收集与存储。 （5）信号调理电路：包括I2C上拉电阻（1%精度）、电压分压电路等，确保信号稳定传输。

4. 设计思路

本设计的核心在于实现井盖状态的实时监测和远程报警，同时满足低功耗和长期稳定运行的要求。系统通过LSM6DS3TR六轴IMU采集井盖的加速度和角速度数据，利用DMP（数字运动处理器）库进行姿态解算，直接输出欧拉角，减少主控的计算负担。

通信方面，采用LoRaWAN技术实现远距离、低功耗的数据传输。RN2483模块内置LoRaWAN协议栈，支持Class A/C模式，可根据实际需求选择功耗与实时性的平衡。主控通过UART与RN2483通信，发送报警信息和接收平台指令。

电源管理是系统的关键设计点。太阳能电池在白天为超级电容充电，超级电容在夜间或阴天为系统供电。硬件ADC实时监测超级电容电压，防止过充或过放，确保系统稳定运行。此外，STM32通过动态调整工作频率和休眠模式进一步降低功耗。

5. 系统功能总结

6. 技术方案

系统采用分层架构设计，硬件层包括传感器、主控、通信和电源模块；软件层基于FreeRTOS实现任务调度，确保实时性和可靠性。LSM6DS3TR通过硬件I2C与STM32通信，DMP库直接输出姿态角，避免主控进行复杂的四元数运算。

LoRaWAN协议栈通过AT指令与RN2483交互，支持OTAA/ABP入网方式。为提高通信成功率，设计采用冗余发送和确认机制。电源管理通过硬件看门狗和低功耗定时器实现系统唤醒，在无异常时STM32进入STOP模式，电流降至微安级。

超级电容的充放电管理由专用电源IC实现，STM32通过ADC分压电路监测电压，并在接近阈值时切断充电回路。太阳能板的输出经过MPPT优化，以提高能量收集效率。

7. 使用的模块的技术详情介绍

（1）STM32F103RCT6：

• Cortex-M3内核，72MHz主频，256KB Flash，48KB RAM

• 支持硬件I2C、UART、ADC等外设，适合低功耗应用

• 工作电压2.0-3.6V，多种休眠模式可选

（2）LSM6DS3TR：

• 六轴IMU（3轴加速度计 + 3轴陀螺仪），I2C/SPI接口

• 内置DMP，可直接输出姿态角（Roll/Pitch/Yaw）

• 量程可选（±2g至±16g），功耗0.9mA（高性能模式）

（3）RN2483 LoRaWAN模块：

• 支持EU868/AS923等频段，集成LoRaWAN协议栈

• 最大发射功率14dBm，接收灵敏度-148dBm

• 工作电压2.1-3.6V，待机电流1.5μA

8. 预期成果

• 完成硬件PCB设计，通过EMC测试，确保户外抗干扰能力

• 实现倾斜角度检测误差<1°，报警响应时间<2s

• LoRaWAN通信成功率>95%（城市环境）

• 太阳能供电系统在连续阴雨天气下维持>5天续航

• 提供市政平台对接协议，支持HTTP/MQTT数据推送

9. 总结

本设计通过高精度IMU和低功耗LoRaWAN技术，实现了井盖状态的智能化监测。系统硬件设计紧凑，软件算法高效，能够适应复杂的户外环境。太阳能与超级电容的结合解决了长期供电难题，而DMP库和协议栈的移植则提升了开发效率。

未来可扩展功能包括振动检测（判断车辆碾压）、GPS定位（追踪被盗井盖）等。该装置为智慧城市提供了可行的技术方案，具有较高的社会价值和推广潜力。

整体代码设计思路

本系统采用模块化分层设计，主要分为以下几个层次：

1. 硬件抽象层：封装所有硬件外设的初始化及基本操作

2. 驱动层：实现各传感器模块的专用驱动

3. 业务逻辑层：处理核心监测逻辑和状态机

4. 通信协议层：处理LoRaWAN通信协议栈

系统工作流程如下：

1. 上电后初始化所有外设和模块

2. 进入低功耗模式，定时唤醒采集数据

3. 检测到异常时立即上报并保持活跃状态

4. 平时周期性发送心跳包维持网络连接

完整main.c代码实现

#include "main.h"
#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "lsm6ds3.h"
#include "rn2483.h"
#include "power_mgmt.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>
​
/* 全局变量定义 */
I2C_HandleTypeDef hi2c1;
UART_HandleTypeDef huart1;
ADC_HandleTypeDef hadc1;
​
/* 系统状态标志 */
volatile uint8_t system_state = STATE_SLEEP;
volatile uint8_t alert_triggered = 0;
volatile uint32_t last_report_time = 0;
​
/* 传感器数据结构 */
typedef struct {
    float pitch;
    float roll;
    float yaw;
    float accel_x;
    float accel_y;
    float accel_z;
} ImuData_t;
​
/* 函数声明 */
static void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_I2C1_Init(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);
static void MX_ADC1_Init(void);
void Error_Handler(void);
void Enter_Low_Power_Mode(void);
void Process_Sensor_Data(void);
void Send_LoRaWAN_Alert(void);
void Check_Power_Status(void);
​
int main(void)
{
    /* HAL库初始化 */
    HAL_Init();
    
    /* 系统时钟配置 */
    SystemClock_Config();
    
    /* 外设初始化 */
    MX_GPIO_Init();
    MX_I2C1_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    MX_ADC1_Init();
    
    /* 模块初始化 */
    LSM6DS3_Init(&hi2c1);
    RN2483_Init(&huart1);
    Power_Management_Init(&hadc1);
    
    /* 主循环 */
    while (1)
    {
        switch(system_state)
        {
            case STATE_SLEEP:
                /* 低功耗模式，定时唤醒 */
                HAL_Delay(100);  // 实际应用中使用RTC唤醒
                system_state = STATE_MEASURE;
                break;
                
            case STATE_MEASURE:
                /* 采集传感器数据 */
                Process_Sensor_Data();
                
                /* 检查电源状态 */
                Check_Power_Status();
                
                /* 判断是否需要进入报警状态 */
                if(alert_triggered)
                {
                    system_state = STATE_ALERT;
                }
                else if(HAL_GetTick() - last_report_time > HEARTBEAT_INTERVAL)
                {
                    system_state = STATE_REPORT;
                }
                else
                {
                    system_state = STATE_SLEEP;
                }
                break;
                
            case STATE_ALERT:
                /* 发送报警信息 */
                Send_LoRaWAN_Alert();
                last_report_time = HAL_GetTick();
                system_state = STATE_SLEEP;
                break;
                
            case STATE_REPORT:
                /* 发送周期性心跳包 */
                RN2483_Send_Heartbeat();
                last_report_time = HAL_GetTick();
                system_state = STATE_SLEEP;
                break;
        }
        
        /* 根据电源状态调整工作模式 */
        if(Get_Power_Status() == POWER_LOW)
        {
            Enter_Ultra_Low_Power_Mode();
        }
    }
}
​
/**
 * @brief 处理传感器数据
 */
void Process_Sensor_Data(void)
{
    ImuData_t imu_data;
    static ImuData_t last_data;
    
    /* 读取IMU数据 */
    LSM6DS3_Read_Data(&imu_data);
    
    /* 计算角度变化率 */
    float pitch_diff = fabs(imu_data.pitch - last_data.pitch);
    float roll_diff = fabs(imu_data.roll - last_data.roll);
    
    /* 检查是否超过阈值 */
    if(pitch_diff > ALERT_THRESHOLD || roll_diff > ALERT_THRESHOLD)
    {
        alert_triggered = 1;
    }
    
    /* 保存当前数据用于下次比较 */
    memcpy(&last_data, &imu_data, sizeof(ImuData_t));
}
​
/**
 * @brief 发送LoRaWAN报警信息
 */
void Send_LoRaWAN_Alert(void)
{
    char payload[32];
    ImuData_t imu_data;
    
    /* 读取最新传感器数据 */
    LSM6DS3_Read_Data(&imu_data);
    
    /* 构造报警信息 */
    snprintf(payload, sizeof(payload), "ALERT:%.1f,%.1f", 
             imu_data.pitch, imu_data.roll);
    
    /* 通过LoRaWAN发送 */
    RN2483_Send_Data(payload);
    
    /* 重置报警标志 */
    alert_triggered = 0;
}
​
/**
 * @brief 检查电源状态
 */
void Check_Power_Status(void)
{
    float voltage = Read_Super_Cap_Voltage();
    
    /* 如果电压低于阈值，进入超低功耗模式 */
    if(voltage < LOW_VOLTAGE_THRESHOLD)
    {
        Set_Power_Status(POWER_LOW);
    }
    else
    {
        Set_Power_Status(POWER_NORMAL);
    }
}
​
/**
 * @brief 进入低功耗模式
 */
void Enter_Low_Power_Mode(void)
{
    /* 关闭不必要的外设 */
    __HAL_I2C_DISABLE(&hi2c1);
    __HAL_UART_DISABLE(&huart1);
    
    /* 设置MCU为低功耗模式 */
    HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);
    
    /* 唤醒后重新初始化外设 */
    SystemClock_Config();
    MX_I2C1_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
}
​
/* 以下为HAL库自动生成的初始化代码 */
static void SystemClock_Config(void) { /* ... */ }
static void MX_GPIO_Init(void) { /* ... */ }
static void MX_I2C1_Init(void) { /* ... */ }
static void MX_USART1_UART_Init(void) { /* ... */ }
static void MX_ADC1_Init(void) { /* ... */ }
void Error_Handler(void) { /* ... */ }

代码设计说明

1. 状态机设计：

   • 采用四状态机模型（SLEEP/MEASURE/ALERT/REPORT）

   • 90%时间处于低功耗SLEEP状态

   • 通过定时器或外部中断唤醒

2. 传感器数据处理：

   • 使用DMP库直接获取欧拉角，减少MCU计算负担

   • 采用差分算法检测突变情况

   • 数据滤波在驱动层实现

3. 电源管理：

   • 实时监测超级电容电压

   • 多级功耗模式控制

   • 动态关闭不必要的外设

4. 通信机制：

   • 异常数据立即上报

   • 周期性心跳包维持网络连接

   • 采用短包格式优化传输效率

5. 错误处理：

   • 硬件看门狗防止死机

   • 关键操作都有超时检测

   • 通信失败自动重试机制