CN105334769A - 城市综合管廊综合采集设备及其组成的综合采集系统 - Google Patents

Abstract

城市综合管廊综合采集设备，该设备包括MCU微控制器、数字量输出模块、模拟量输入模块、数字量输入模块、USB存储模块、RS485通讯模块、WIFI模块、以太网控制模块和异常报警模块；其能够采集多种传感器信号，并对采集的数据进行分析，能够监控综合管廊的安全，保证综合管廊或电缆隧道等安全稳定运行。

Description

城市综合管廊综合采集设备及其组成的综合采集系统

技术领域

本发明涉及城市综合管廊的综合采集和区域控制，更具体的，采用光纤环网的通讯方式对综合管廊或电缆隧道等进行综合采集和联动控制。

背景技术

城市综合管廊，它是实施统一规划、设计、施工和维护，建于城市地下用于敷设市政公用管线的市政公用设施。是指在城市地下用于集中敷设电力、通信、广播电视、给水、排水、热力、燃气等市政管线的公共隧道。随着国家大力推广城市地下综合管廊的建设，越来越多的城市加强了综合管廊的建设，地下管廊装有各种线信号线、热力管、燃气管、电信管道、给水管道、电力管道等等，是一个多种信号与传输对象交汇的场所，为了充分保障管廊内环境安全，需要对其内部环境进行监测，以达到实时、自动监测地下管廊内的环境，其重要性不言而喻。很多厂家专门设计了针对某种功能的检测设备，例如综合管廊内的气体检测，温度检测，水位检测等，而这些安全检测设备检测功能单一，不能兼容多功能的综合采集，导致综合管廊的安全检测需要各种各样的采集器，并且随着采集器应用的种类繁多，采集器之间不能相互通讯，导致每个采集器都需要与主服务器进行通讯，最后由主机进行数据的分析，由于各个厂家的通讯接口不统一，在通讯线路布线时又是一个相当繁杂的过程，并且目前的厂家一般采用RS-485或CAN总线的通讯接口，传输距离受限，不能很好的应用在综合管廊中，在供电方面，大多数厂家的采集器或设备支持的是12V或24V的供电方式，导致在综合管廊内取电不方便，需要外接开关电源来进行电源转换，但开关电源的防水处理由是工程施工的一大难题，因此开发一款能够解决以上问题的设备，是目前迫切需要解决的事情。

发明内容

发明目的：

本发明提供一种城市综合管廊综合采集设备机器组成的综合采集系统，其目的是解决以往所存在的问题。

技术方案：

城市综合管廊综合采集设备，其特征在于：该设备包括MCU微控制器、数字量输出模块、模拟量输入模块、数字量输入模块、USB存储模块、RS485通讯模块、WIFI模块、以太网控制模块和异常报警模块；MCU微控制器与数字量输出模块、模拟量输入模块、数字量输入模块、USB存储模块、RS485通讯模块以太网控制模块和异常报警模块连接，以太网控制模块与WIFI模块电连接。

所述以太网控制模块具有两路光纤接口，七路以太网接口，通讯方式上支持光纤自愈环网的通讯方式，以太网接口与光纤接口通过以太网交换芯片实现数据的交互，以太网交换芯片与MCU微控制器电连接。

光纤通过光模块连接以太网交换芯片，MCU微控制器与以太网芯片的引脚进行电连接，网线通过七路网络变压器与以太网控制芯片连接。

该设备还包括为整个设备进行供电的集中供电模块。

RS485通讯模块中，485接口电路通过485电平转换芯片连接至MCU微控制器；模拟量输入模块中AI接口通过A/D转换连接至SPI隔离芯片，SPI隔离芯片连接MCU微控制器；数字量输入模块中DI接口电路通过光电耦合芯片连接反相器，反相器连接MCU微控制器；USB存储模块中USB接口电路连接静电保护芯片和过流保护电源，静电保护芯片连接MCU微控制器；MCU微控制器连接数字量输出模块中的驱动电路，驱动电路连接继电器。

MCU微控制器上还连接有时钟、看门狗、温湿度传感器和光敏电阻。

其中MCU微控制器采用STM32F105微处理器，STM32微处理器采用ARMCortex-M3内核，时钟频率达到72MHz。

该系统由多个城市综合管廊综合采集设备通过光电综合缆采用环网的通讯方式进行通讯连接，其中一个城市综合管廊综合采集设备通过以太网连接到服务器或数据库,其他的城市综合管廊综合采集设备连接需要采集信息的设备上。

优点及效果：

本发明提供一种城市综合管廊综合采集设备机器组成的综合采集系统，其能够采集多种传感器信号，并对采集的数据进行分析，能够监控综合管廊的安全，保证综合管廊或电缆隧道等安全稳定运行；通讯采用光纤环网的通讯方式，能够远距离通讯，简化通讯布线，提供给其他设备通讯接口，提供路由功能，能够将数据传输到远程服务器。供电采用直流远供的方式，采用UPS电源集中为综合采集设备供电，直流远供的供电方式取电方便，电源稳定，并且具有一定的电池后备时间，远供线路与市电完全隔离，降低施工成本，可以选用传输电缆与光缆的复合结构，可以与光缆一次性施工。

附图说明

图1为本发明的系统架构框图

图2为本发明的设备内部功能原理框图

图3为本发明的网络通讯电路框图

图4为本发明的整体电路框图。

具体实施方式：

首先结合附图对本发明做进一步的说明：

如图2所示，本发明提供一种城市综合管廊综合采集设备机器组成的综合采集系统，该设备包括MCU微控制器24、数字量输出模块25、模拟量输入模块26、数字量输入模块27、USB存储模块28、RS485通讯模块29、WIFI模块30、以太网控制模块31和异常报警模块32；MCU微控制器24与数字量输出模块25、模拟量输入模块26、数字量输入模块27、USB存储模块28、RS485通讯模块29以太网控制模块31和异常报警模块32连接，以太网控制模块31与WIFI模块30电连接。其中MCU微控制器24采用STM32F105微处理器，STM32微处理器基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核，时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品，时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。由于在城市综合管廊或电缆隧道中没有手机信号，造成人员与外界通讯不便，所述WIFI模块提供网络热点功能，WIFI模块与以太网通讯模块电连接，地下人员通过手机能够连接到WIFI模块，实现与外部通讯的功能。

如图3所示，所述以太网控制模块具有两路光纤接口，七路以太网接口，通讯方式上支持光纤自愈环网的通讯方式，以太网接口与光纤接口通过以太网交换芯片实现数据的交互，以太网交换芯片与MCU微控制器电连接。MCU微控制器能够将数据通过以太网交换芯片发送到光纤接口或以太网接口，最终能实现与远程服务器通讯的功能。以太网通讯接口能够连接网络摄像头或IP电话等网络设备。所述光纤自愈环网指当网络传输中断（例如光纤断）时，不需要工作人员进行维修，网络传输会自动地在短时间内（ITU-T规定小于50ms）恢复，用户几乎不受影响，物理连接采用手拉手的环网连接方式。

光纤通过光模块37连接以太网交换芯片34，MCU微控制器24与以太网芯片34的引脚进行电连接，网线通过七路网络变压器33与以太网控制芯片34连接。具体的说，两路光口，满足环网手拉手的方式，光纤要与以太网交换芯片34通讯，中间需要连接光电转换芯片（光模块37）进行转换，光模块的一端与光纤进行连接，另一端与以太网交换芯片34连接，MCU微控制器39与以太网芯片34的引脚进行电连接，以太网控制模块31提供7路以太网接口，网线通过7路网络变压器33与以太网控制芯片34连接，这样就实现了MCU微控制器24能与外部多种网络设备进行通讯并且采用环网自愈的通讯方式，更能够保证通讯的可靠性，当有光纤线路出现故障时，综合采集设备能够自动识网络中的最优路径，保证通讯的正常工作。由于在隧道内没有手机信号，以太网交换芯片34与WIFI芯片35引脚连接，WIFI芯片35对外引出WIFI天线36，从而实现与手机23的无线通讯功能，操作人员能通过手机连接WIFI信号，将综合管廊或隧道中的实际情况与服务器进行通讯，服务器根据数据进行解析和诊断。

该设备还包括为整个设备进行供电的集中供电模块。所述集中供电模块，支持直流380V远供供电，也可以支持交流220V的供电方式，方便用户选择供电方式，推荐使用直流远供方式，直流远供电源不受当地市电复杂的负荷变化，昼夜变化，电站多样化而产生电压过高或过低；不受当地大型设备开启和关闭时而产生干扰、谐波、闪变和浪涌等干扰；杜绝当地复杂电力网络中的直接雷和感应雷损坏通讯设备。直流远程供电网络干净单一，供电电压稳定，从而保障通信设备工作稳定、可靠，并有效延长通信设备使用寿命。

RS485通讯模块29中，485接口电路42通过485电平转换芯片43连接至MCU微控制器24；模拟量输入模块26中AI接口通过A/D转换45连接至SPI隔离芯片46，SPI隔离芯片46连接MCU微控制器24；数字量输入模块27中DI接口电路47通过光电耦合芯片48连接反相器49，反相器49连接MCU微控制器24；USB存储模块28中USB接口电路54连接静电保护芯片55和过流保护电源56，静电保护芯片55连接MCU微控制器24；MCU微控制器24连接数字量输出模块25中的驱动电路51，驱动电路51连接继电器50。USB接口功能，能够连接U盘，当综合采集器检测到异常报警时，将当前的状态存储到U盘中，并形成日志文件，方便后期数据的分析和诊断，为现象的重现提供依据。

MCU微控制器24上还连接有时钟52、看门狗53、温湿度传感器58和光敏电阻57。

图4是本发明综合采集设备的电路框图，RS485通讯模块29由RS485通讯电路组成，主要由485接口电路42和485电平转换芯片43组成，在485接口电路中采用TVS管对两路差分线路进行过压保护，通过自恢复保险丝进行过流保护，并采用气体放电管对线路进行静电保护，提高了485通讯的可靠性，通过485电平转换芯片43将差分信号转成TTL电平信号，并连接到MCU微控制器24的UART引脚。RS485通讯模块实现数据的接收和发送的功能，通讯协议采用MODBUS_RTU的方式，能够连接外部的其他采集设备，为外部的其他设备提供通讯接口，RS485通讯电路与MCU微控制器电连接，由MCU微控制器与以太网通讯模块进行数据交互，从而将其他的采集设备的数据传输到服务器。

模拟量输入模块26由模拟量输入电路组成，与MCU微控制器电连接，能够采集其他设备提供的模拟量信号，能够连接气体传感器或其他模拟量输出设备，例如，连接气体传感器，检测综合管廊内气体含量，并将采集到的数据通过以太网通讯模块发送到服务器，当检测到综合管廊内气体含量超标时，服务器可以发送指令给综合采集设备，驱动风机的运行，排除有毒气体。模拟量输入模块主要由AI接口电路44、A/D转换芯片45、SPI隔离芯片46组成，在AI接口电路中，通过改变电阻的方式能够改变采集电流和电压的方式，并通过运放搭建SallenKey低通滤波电路，将运放的输出引脚连接到A/D转换芯片45的输入引脚，A/D转换芯片45实现模拟信号至数字信号转换以及检测功能，转换结果经过SPI总线传输到SPI数字隔离芯片46引脚上，最后将SPI隔离芯片的输出引脚连接到MCU微控制器的引脚。SPI数字隔离芯片46将AD采集的前端与MCU微控制器24电气信号分离开来，保障MCU微控制器24安全运行。数字量输入模块27由数字量输入电路组成，与MCU微控制器电连接，能够采集其他设备提供的I/O信号，并将采集到的信号通过以太网通讯模块发送到服务器，服务器根据相应的数据信息诊断当前综合管廊的实际状态。数字量输入模块主要由DI接口电路47、光电耦合芯片48、反相器49等组成，DI接口电路47由电阻和二极管等器件组合而成，ID接口电路47的输出端与光电耦合芯片48的输入引脚相连，当输入信号是低电平时，光电耦合芯片不导通，当输入信号是高电平时光电耦合芯片导通，光电耦合芯片的输出端与反相器49连接，最后连接到MCU微控制器24引脚上，数字量输入信号通过光耦进行隔离，光耦前端隔离电压高达3000V，能够很好的保护后端电路，后端用反相器49提高了I/O的驱动能力，MCU微控制器24检测反相器49引脚的电平来分析输入的信号，将检测到的数字量信号传输到服务器。数字量输出模块25由数字量输出电路组成，与MCU微控制器电连接，能够响应服务器发来的指令信息，根据不同的功能需求实现输出控制，能够连接警号和防火门等外部设备，例如当发生火灾报警时，服务器发送指令给综合采集设备，要求关闭防火门，MCU微控制器使能数字输出模块，则关闭防火门。实现联动控制，数字量输出模块主要由驱动电路51和继电器电路50组成，驱动电路51主要由8路达林顿门阵列芯片构成，能够简化外部的驱动电路，MCU微控制器24的引脚与驱动电路51的输入电路连接，驱动电路51的输出引脚驱动继电器的线圈。继电器的输出采用干接点的输出方式，继电器能够驱动警号、风机等设备。

异常报警模块，由温湿度电路和光学电路组成，与MCU微控制器电连接，由于综合管廊或隧道内可能存在积水的现象，可能会影响采集设备的正常工作，通过温湿度电路能够知道当前综合采集设备的温湿度的状态，当超出一定的温湿度范围时发出报警信息，另外在综合采集设备正常带电工作的情况下，不允许人员打开综合采集器的壳体，当有人员打开壳体时发出报警信息。

综合采集系统如图1所示，该系统由多个城市综合管廊综合采集设备通过光电综合缆5采用环网的通讯方式进行通讯连接，其中一个城市综合管廊综合采集设备通过以太网22连接到服务器19或数据库20,其他的城市综合管廊综合采集设备连接需要采集信息的设备上。

具体的说，如图1所示，综合采集设备1、2、3、4通过光电综合缆5进行通讯连接，采用环网的通讯方式，将综合采集设备将采集到的外部数据通过以太网22传输到服务器19或数据库20，最终进行数据分析和响应处理。供电采用UPS电源21为综合采集设备集中供电，通过光电综合缆5连接，综合采集设备能够连接多种外部设备或传感器，综合采集设备能够提供以太网通讯接口，连接外部的网络电话8和摄像机6等网络设备，能够提供模拟量采集接口，能够采集电压信号或4~20ma电流信号，能够连接气体仪表12和液位仪表15等模拟量信号设备，综合采集设备提供数字量输出接口，能够连接报警器7，风机17，水泵9等设备，另外综合采集设备也提供RS485接口，为其他设备提供通讯接口，能够连接例如智能井盖16，门禁10和其他采集设备14。由于综合管廊或电力隧道中没有手机信号，综合采集设备提供WIFI热点，用户可以通话手机23进行连接，达到与外界通讯的目的。

本发明具有存储记录功能，综合采集器在响应服务器的通讯命令的同时，会记录一条动作执行信息，记录当前执行的操作，当发生报警信息时，综合采集设备会存储一条报警信息，根据记录信息的不同会形成两个日志文件：动作执行日志，报警信息日志。针对以上功能综合采集设备提供USB存储模块28，USB存储模块28支持U盘的存储，如图4，外部电路主要由USB接口电路54、静电保护芯片55、过流保护电源56组成，MCU微控制器24支持USB-HOST功能，U盘设备作为USB的从设备，所以要通过过流保护电源56给U盘供电，过流保护芯片56能够提供500MA电流，当检测到供电电流大于500MA时对U盘接口进行保护，MCU微控制器24与U盘之间添加了一个静电保护芯片55，防止静电造成USB接口电路的烧毁。

如上所述异常报警功能由异常报警模块32提供，如图4，异常报警模块32由异常报警电路组成，主要由光敏电阻57和温湿度传感器58组成，当提供带电工作时，禁止人员打开壳体，如果打开壳体，光敏电阻由于外部的可见光阻值会发生变化，MCU微控制器24检测到光敏电阻57阻值发生变化则发出报警信息，在综合管廊或电缆隧道内会有积水的现象，会导致综合采集设备侵入水里，通过温湿度传感器58检测当前壳体内的温湿度，当检测到壳体内的湿度大于综合采集设备设定的阈值时，综合采集设备会发出报警信息。

综合采集设备的电源40支持集中供电的方式，支持直流380V供电，也支持交流220V供电，电源40采用高性能，高效率的电源模块，输入电压范围宽，直流支持DC100V~DC430V供电，交流支持AC85V~AC305V,更能很好的支持用户的选择。485电平转换芯片43和A/D转换芯片45采用隔离电源41供电，从供电方式上起到安全隔离的作用。另外综合采集设备的如时钟52、看门狗53等器件，作用是保证系统可靠稳定的运行。

Claims (8)

1.城市综合管廊综合采集设备，其特征在于：该设备包括MCU微控制器（24）、数字量输出模块（25）、模拟量输入模块（26）、数字量输入模块（27）、USB存储模块（28）、RS485通讯模块（29）、WIFI模块（30）、以太网控制模块（31）和异常报警模块（32）；MCU微控制器（24）与数字量输出模块（25）、模拟量输入模块（26）、数字量输入模块（27）、USB存储模块（28）、RS485通讯模块（29）以太网控制模块（31）和异常报警模块（32）连接，以太网控制模块（31）与WIFI模块（30）电连接。

2.根据权利要求1所述的城市综合管廊综合采集设备，其特征在于：所述以太网控制模块具有两路光纤接口，七路以太网接口，通讯方式上支持光纤自愈环网的通讯方式，以太网接口与光纤接口通过以太网交换芯片实现数据的交互，以太网交换芯片与MCU微控制器电连接。

3.根据权利要求2所述的城市综合管廊综合采集设备，其特征在于：光纤通过光模块（37）连接以太网交换芯片（34），MCU微控制器（24）与以太网芯片（34）的引脚进行电连接，网线通过七路网络变压器（33）与以太网控制芯片（34）连接。

4.根据权利要求3所述的城市综合管廊综合采集设备，其特征在于：该设备还包括为整个设备进行供电的集中供电模块。

5.根据权利要求1所述的城市综合管廊综合采集设备，其特征在于：RS485通讯模块（29）中，485接口电路（42）通过485电平转换芯片（43）连接至MCU微控制器（24）；模拟量输入模块（26）中AI接口通过A/D转换（45）连接至SPI隔离芯片（46），SPI隔离芯片（46）连接MCU微控制器（24）；数字量输入模块（27）中DI接口电路（47）通过光电耦合芯片（48）连接反相器（49），反相器（49）连接MCU微控制器（24）；USB存储模块（28）中USB接口电路（54）连接静电保护芯片（55）和过流保护电源（56），静电保护芯片（55）连接MCU微控制器（24）；MCU微控制器（24）连接数字量输出模块（25）中的驱动电路（51），驱动电路（51）连接继电器（50）。

6.根据权利要求5所述的城市综合管廊综合采集设备，其特征在于：MCU微控制器（24）上还连接有时钟（52）、看门狗（53）、温湿度传感器（58）和光敏电阻（57）。

7.根据权利要求5所述的城市综合管廊综合采集设备，其特征在于：其中MCU微控制器（24）采用STM32F105微处理器，STM32微处理器采用ARMCortex-M3内核，时钟频率达到72MHz。

8.利用权利要求1所述的城市综合管廊综合采集设备所构成的综合采集系统，其特征在于：该系统由多个城市综合管廊综合采集设备通过光电综合缆（5）采用环网的通讯方式进行通讯连接，其中一个城市综合管廊综合采集设备通过以太网（22）连接到服务器（19）或数据库（20）,其他的城市综合管廊综合采集设备连接需要采集信息的设备上。