CN204706174U - 一种地下管线监测*** - Google Patents

一种地下管线监测*** Download PDF

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李枝琳
董静
姚会文
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Abstract

本实用新型专利提供一种地下管线监测***,包括各类传感器、采集器、集中器、网络和服务器。窨井及临近管道内的各类传感器通过RS485总线连接至窨井内的采集器,采集器以433MHz无线方式连接至地面的集中器。所有集中器组成433MHz无线多跳自组网络,其中担当中心节点的集中器通过互联网连接至位于云端的服务器。本实用新型的优点和有益效果在于:采集器作为无线传输网络的终端,实现了现场数据采集、数据处理和数据上传。集中器集无线网关和无线路由功能于一体,在地下管线监测***中发挥无线网络建立和管理、导出网络拓扑图、无线通信中继等作用,最终实现了地下管线监测***对地下管线运行状态的实时监测。

Description

一种地下管线监测***
技术领域
本实用新型涉及城市地下管线及其附属设施信息化领域,特别涉及一种地下管线监测***。
背景技术
近年来,随着城市快速发展,地下空间建设规模不足、管理水平不高等问题凸显。一些城市相继发生大雨内涝、管线泄漏***、路面塌陷等事件,严重影响了人民群众生命财产安全和城市运行秩序。2014年6月14日,国务院正式发布《关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》。《意见》中鼓励在地下管线规划建设、运行维护及应急防灾等工作中,广泛应用精确测控、示踪标识、物联网监测和隐患事故预警等先进技术。
地下管线监测***是对地下管线的运行状态和环境参数进行监测的物联网***。通过在窨井及周边管线上安装一些压力、水位、温湿度、可燃气浓度等传感器,利用物联网技术将数据发送到云端服务器平台,实现管线运行状态的监测和管理。
由于负责地下管线现场采集的传感器种类较多,各个厂家采用的数据格式不尽统一,使得数据传输较为复杂。另外,窨井是由钢筋混凝土井身和铸铁井盖构成的封闭空间,存在无线信号屏蔽的问题,宜采用无线传输方式。但地下管线监测点数量多、分散广,穿透能力强的射频信号又存在传输距离近、传输速率较低问题,单层无线网络无法很好的完成与云端服务器的通信。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对上述问题,提供一种地下管线监测***,实现云端服务器平台对地下管线运行状态的实时监测和故障报警。
为实现上述目的,本实用新型采用如下技术方案:
本实用新型提供一种地下管线监测***,包括传感器、采集器、集中器、网络和服务器,其特征在于,所述的传感器通过RS485总线连接至采集器,所述的采集器以433MHz无线方式连接至集中器,所述的集中器组成433MHz无线多跳自组网络,其中担当中心节点的集中器通过网络连接至位于云端的服务器。
所述的采集器由微控制器模块、数据采集模块、无线组网模块、调试升级模块、电源模块以及电子标签构成。
所述的集中器由微控制器单元、无线组网单元、以太网接口单元、存储单元、调试升级单元以及电源单元构成。
所述的数据采集模块为一个RS485电平转换器,是采集器与现场传感器的接口。
所述的无线组网模块为一个433MHz无线微功率透传模块,包括射频收发模块和天线部分;所述的射频收发模块与MCU的串口、SPI或者I2C接口进行连接。
所述的电子标签固定于采集器外壳内壁上,用于存储包括地理位置、管线名目、传感器种类、检修记录在内的重要信息。
所述的无线组网单元为一个串口转433MHz无线微功率透传模块,包括射频收发模块和天线部分。
所述的以太网接口单元由以太网控制器和RJ45接口组成;所述的以太网接口单元与微控制器芯片通过SPI接口连接。
所述的存储单元采用SD卡,用于存储***日志;所述的微控制器单元通过SPI总线读写SD卡。
所述的服务器为位于云端的平台服务器,对辖区内的地下管线运行状态进行监测和故障报警。
针对多传感器信号接入、数据格式不统一、无线信号屏蔽等问题,本实用新型提供了一种采集器。地下管线监测***中,采集器兼容各类现场传感器的不同通讯协议,负责将与之连接的传感器数据进行采集。为了解决多信号接入的问题,采集器采用RS485总线方式将分散的不同设备相互连接起来协同工作。采集器对接收的数据信号进行简单处理后,把它们按照一定格式封装为报文载荷,并进行数据压缩处理;然后通过无线组网模块对载荷进一步封装,借助433MHz无线自组网技术,将信息上传至地面上的无线接收装置。433MHz无线信号具有穿透力强,抗干扰能力强,组网能力强,无线网络稳定、可靠等优点。433MHz无线通信距离为100米到3千米,无线信号能穿透一米厚钢筋水泥墙壁,适用于窨井的封闭环境。
为了克服433MHz射频通信传输距离近、速率低的问题,本实用新型提供了一种集中器,利用433MHz无线自组网技术进行网络通信。433MHz无线自组网络包含无线终端、无线路由和无线网关三种工作模式。采集器是无线传输的起点,仅工作在无线终端模式。集中器可担当无线路由或无线网关,在特定情况下可以转化工作模式。无线自组网技术的自我配置、多跳联接、低功耗等特性正好适应地下管线监测***的特点。由于每个通信节点只是与其相邻的节点通信,因而不需要较大的发射功率,既降低了每个通信节点的成本又降低功耗,完全可以采用锂电池供电方案,增加了通信***的灵活性,便于安装和维护。
本实用新型能够实现的有益效果:
1、采集器采用RS485总线通信方式,克服了多传感器信号接入、数据格式不统一的问题。
2、采集器能够将输入数据进行标准化和压缩处理,从而减小数据传输的复杂程度,提高网络通信速度。
3、采集器利用电子标签实现采集器的身份识别,便于工作人员巡检和维修。
4、采集器利用433MHz无线通信技术,将数据信息上传至地面的集中器。
5、集中器工作在无线网关模式时,负责创建与管理一个433MHz无线网络,支持大批量数据压缩和实时拓扑结构计算。
6、集中器工作在无线路由模式时,负责无线数据的接收与转发,延长无线通信距离,扩大无线覆盖半径。
7、集中器利用SD卡记录运行中的日志信息,用于故障排查和设备检修。
8、集中器在地下管线监测***中发挥无线网络建立和管理、导出网络拓扑图、无线通信中继等作用,最终实现了地下管线监测***对地下管线运行状态的实时监测。
下面通过附图和实施例,对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为地下管线监测***的结构图。
图2为采集器的结构图。
图3为集中器的结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。
图1所示为本实用新型的***结构示意图,地下管线监测***包括传感器(1)、采集器(2)、集中器(3)、网络(4)和服务器(5),其特征在于所述的传感器(1)通过RS485总线连接至采集器(2),所述的采集器(2)以433MHz无线方式连接至集中器(3),所述的集中器(3)组成433MHz无线多跳自组网络,其中担当中心节点的集中器(3)通过网络(4)连接至位于云端的服务器(5)。
图2所示为本实用新型一种实施例的采集器结构示意图,所述的采集器(2)由微控制器模块(6)、数据采集模块(7)、无线组网模块(8)、调试升级模块(9)、电源模块(10)以及电子标签(11)构成。
所述的电源模块(10)包括稳压控制电路和欠压检测电路,其中稳压控制电路包含电源开关、指示灯和稳压电路。一方面,锂电池的输出电压经稳压控制电路处理,为微控制器模块(6)、数据采集模块(7)、无线组网模块(8)以及调试升级模块(9)供电。另一方面,在微控制器模块(6)的控制下,欠压检测电路对锂电池的输出电压分压处理后送入微控制器模块(6)。如果锂电池电量过低,则发出欠压警告信号,上传至云端服务器平台。
所述的微控制器模块(6)可采用ARM芯片作为微控制器芯片。微控制器芯片的IO口与数据采集模块(7)、无线组网模块(8)、调试升级模块(9)、电源模块(10)连接。
所述的数据采集模块(7)为一个RS485电平转换器,是采集器与现场传感器的接口,通过RS485总线进行通信。
所述的无线组网模块(8)为一个串口转433MHz无线微功率透传模块,包括射频收发模块和天线部分;所述的射频收发模块与MCU的串口、SPI或者I2C进行连接。
所述的调试升级模块(9)为用于下载调试和软件升级的接口电路;所述的调试升级模块通过下载器与PC相连,进行程序下载和在线调试。通过软件升级,可以支持新类型的现场传感器设备或者***功能的改进,从而避免了增加***升级成本。
所述的电子标签(11)固定于采集器外壳内壁上;所述的电子标签(11)内存储了地理位置、管线名目、传感器种类、检修记录等信息。在采集器安装时,工作人员通过手持设备写入安装位置的地理信息、管线名目以及传感器种类等信息,这给巡检和维修带来了方便。
图3所示为本实用新型一种实施例的集中器结构示意图,所述的集中器(3)由微控制器单元(12)、无线组网单元(13)、以太网接口单元(14)、存储单元(15)、调试升级单元(16)以及电源单元(17)构成。
所述的电源单元(17)包括稳压控制电路和变压器,其中,稳压控制电路由稳压电路、电压检测电路和控制开关三个部分构成。控制开关用于选择锂电池供电或外部电源供电,锂电池供电时集中器工作在无线路由模式,外部电源供电时集中器工作在无线网关模式。另外,通过电压检测电路检测锂电池电量信息,利用网络上传至云端服务器平台,及时提醒工作人员更换电池,从而保证***的正常运行。
所述的微控制器单元(12)可采用ARM芯片作为主控制芯片,用于处理数据压缩、无线网路管理、Ethernet远程通讯和故障诊断等任务。
所述的无线组网单元(13)为一个串口转433MHz无线微功率透传模块,包括射频收发模块和天线部分,所述的射频收发模块与ARM芯片的串口、SPI或者I2C进行连接。
所述的以太网接口单元(14)由以太网控制器和RJ45接口组成,所述的以太网接口单元(14)与ARM芯片通过SPI接口连接,是集中器作为无线网关工作时与互联网连接的接口。
所述的存储单元(15)采用SD卡,用于存储***日志;所述的微控制器单元(12)通过SPI总线读写SD卡。
所述的调试升级单元(16)为用于下载调试和软件升级的接口电路。所述的调试升级单元(16)通过下载器与PC相连,进行程序下载和在线调试,方便以后程序版本的升级。
具体的,地下管线监测***的工作过程如下:
地下管线监测***包含现场传感器、无线传输网络、云端服务器平台三个部分。传感器(1)负责采集地下管线及附属设施的状态信息和环境参数,采集的数据通过无线传输网络上传至云端服务器平台,用于地下管线运行监测和管理。无线传输网络为433MHz无线自组织网络,包括无线终端、无线路由和无线网关三种网络设备。首先,无线网关发起建立网络,进行网络初始化;然后,无线路由加入到网络中;最后,无线终端再加入到网络拓扑中。
采集器(2)通过数据采集模块(7)以RS485总线方式连接各个传感器(1)。包括采集器(2)在内的地下管线监测***搭建完成后,通过云端服务器平台进行***复位,启动***运行。采集器采用Modbus总线协议与现场传感器(1)进行通信,微控制器模块(6)对采集的现场数据进行简单处理,封装为标准数据格式的报文载荷,并进行数据压缩。然后通过无线组网模块(8)对载荷进一步封装,借助433MHz无线自组网技术,将信息传输给地面的集中器(3)。
集中器(3)集无线自组网的关键技术于一体,可任意担当无线网关或无线路由。一个无线自组织网络中仅包含一个无线网关,是网络唯一的信息出口。集中器(3)选择外部电源,初始化后进入无线网关模式,通过无线自组网单元(13)根据预设参数建立并广播网络。网络中还包含若干个以锂电池供电工作于无线路由模式的集中器(3),它们通过检查广播报文来确定是否加入该网络。仅当这些设备成功通过网络验证后,才能够实现互相间的通信。验证成功的集中器(3)既可以与担当无线网关的集中器(3)直接通信,也能够与其它集中器(3)通过手拉手接力方式向无线网关传输数据。最终,由担当无线网关的集中器(3)通过以太网接口与Internet网络(4)连接,这种有线宽带方式保证了整个网络与云端通信的可靠性和即时性。
服务器(5)通过Internet网络(4),借助集中器(3)和采集器(2)与窨井及临近管线内的传感器进行通信,获取地下管线运行状态和环境参数。通过对数据进行处理和预警分析,判断管线的运行状态。出现故障立即报警,减小了地下管线安全事故带来的危害。
最后应说明的是:以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已,并不用于限制本实用新型,尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种地下管线监测***,包括传感器、采集器、集中器、网络和服务器,其特征在于,所述的传感器通过RS485总线连接至采集器,所述的采集器以433MHz无线方式连接至集中器,所述的集中器组成433MHz无线多跳自组网络,其中担当中心节点的集中器通过网络连接至位于云端的服务器;
所述的采集器由微控制器模块、数据采集模块、无线组网模块、调试升级模块、电源模块以及电子标签构成;
所述的集中器由微控制器单元、无线组网单元、以太网接口单元、存储单元、调试升级单元以及电源单元构成。
2.根据权利要求1所述的地下管线监测***,其特征在于,所述采集器的数据采集模块为一个RS485电平转换器,是采集器与现场传感器的接口。
3.根据权利要求1所述的地下管线监测***,其特征在于,所述采集器的无线组网模块为一个433MHz无线微功率透传模块,包括射频收发模块和天线部分;所述的射频收发模块与MCU的串口、SPI或者I2C接口进行连接。
4.根据权利要求1所述的地下管线监测***,其特征在于,所述采集器的电子标签固定于采集器外壳内壁上,用于存储包括地理位置、管线名目、传感器种类、检修记录在内的重要信息。
5.根据权利要求1所述的地下管线监测***,其特征在于,所述集中器的无线组网单元为一个串口转433MHz无线微功率透传模块,包括射频收发模块和天线部分。
6.根据权利要求1所述的地下管线监测***,其特征在于,所述集中器的以太网接口单元由以太网控制器和RJ45接口组成;所述的以太网接口单元与微控制器芯片通过SPI接口连接。
7.根据权利要求1所述的地下管线监测***,其特征在于,所述集中器的存储单元采用SD卡,用于存储***日志;所述的微控制器单元通过SPI总线读写SD卡。
8.根据权利要求1所述的地下管线监测***,其特征在于,所述的服务器为位于云端的平台服务器,对辖区内的地下管线运行状态进行监测和故障报警。
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