CN106707880B - 管网监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种管网监测装置，包括电源管理模块、图像采集模块、单片机、配置管理模块、摄像头、数据中心和太阳能组件；其中单片机包括CPU，CPU分别与图像采集模块和配置管理模块连接，CPU根据配置管理模块配置的信息来控制图像采集模块工作；图像采集模块通过GPRS网络与数据中心通信；图像采集模块与摄像头连接；太阳能组件与电源管理模块连接；电源管理模块分别与CPU、图像采集模块和摄像头连接，用以向各模块提供电能。本发明的管网监测装置通过图像识别技术来采集郊外无法供电的且没有通信接口的机械仪表的数据信息，并且通过无线网络将数据远传至数据中心，有效地降低了使用成本。

Description

管网监测装置及方法

技术领域

本发明属于管网监测领域，尤其涉及一种郊外无法供电的管网监测装置及方法。

背景技术

在全国有许多大型工业企业及热力厂家，在郊外无人区布置了大量管路检测仪表(诸如水表、压力表等)，对这些仪表的检查和数据获靠人力定期检查和收集数据，数据收集和管网告警不及时，还会浪费大量的人力资源，在线数据监测或数据采集成为必要。

要实现在线数据采集，首先，在线数据采集需要提供通信接口的智能仪表才能采集，而这些机械仪表没有通信接口，无法采集数据；其次，在线数据采集需要供电，而郊外无法供电或供电成本较高，需要无源数据采集；最后，在线数据采集需要远程数据通信，有线通信相对成本较高，可以采用无线通信。

目前，市场上还没有满足上述3个基本条件的管网监测装置，针对这类郊外无法供电的管网监测领域还未有涉足。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种管网监测装置，其采用太阳能供电技术、图像抓拍识别技术和超低功耗技术，低成本地解决了郊外无法供电的管网监测问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种管网监测装置，包括电源管理模块、图像采集模块、单片机、配置管理模块、摄像头、数据中心和太阳能组件；其中所述单片机包括CPU，所述CPU 分别与所述图像采集模块和配置管理模块连接，所述CPU根据所述配置管理模块配置的信息来控制所述图像采集模块工作；所述图像采集模块通过6PRS网络与所述数据中心通信；所述图像采集模块与所述摄像头连接；所述太阳能组件与所述电源管理模块连接；所述电源管理模块分别与所述CPU、图像采集模块和摄像头连接，用以向各模块提供电能。

较佳的，所述电源管理模块包括电源控制逻辑单元、启动与初始化单元和休眠单元；所述CPU包括定时器，所述定时器分别与所述启动与初始化单元、休眠单元和电源管理模块连接。

较佳的，所述电源管理模块还包括充电电池、太阳能充电管理电路、电源转换电路和电源输出电路；所述电源控制逻辑单元分别与所述充电电池、太阳能充电管理电路、电源转换电路和电源输出电路连接，所述电源控制逻辑单元根据所述充电电池的包括电压、温度在内的状态信息来控制所述充电电池充放电；所述太阳能充电管理电路分别与所述太阳能组件、充电电池和电源转换电路连接；所述充电电池与所述电源转换电路连接；所述电源转换电路与所述电源输出电路连接；所述电源输出电路分别与所述CPU、图像采集模块和摄像头连接，用以向各模块提供电能。

较佳的，所述单片机的型号为MSP430。

一种管网监测方法，实施上述管网监测装置，其步骤是：

1)配置管理模块预先配置相关信息；

2)定时器按照预定的工作周期唤醒CPU，启动和初始化单元对各个模块进行初始化工作；

3)第一个摄像头配置及初始化完成后进行图像抓拍，此时启动第二个摄像头；

4)经过图像抓拍后获取的图像数据经过图像处理后存储于单片机内的存储器中，同时通过GPRS上传到数据中心，然后关闭第一摄像头，第二个摄像头进行图像抓拍，此时启动第三个摄像头，以此类推；

5)当管网监测装置完成工作周期内的所有活动且远程没有延期通信请求时，休眠单元关闭GPRS和摄像头，并切断工作电源；同时硬件休眠单元保存数据和监控信息；CPU再次进入休眠状态，等待下一个工作周期的到来。

本发明的技术方案带来的有益技术效果是：

本发明的管网监测装置采用太阳能供电，实现对无源数据进行采集，能够解决郊外无法供电的无源表计的数据采集的技术问题；

本发明的管网监测装置通过摄像头对无源表计进行图像抓拍采集，处理和存储，并通过RPRS上传到数据中心，实现在线数据监测管网，降低了监测成本；

本发明的管网监测装置通过存储器对无源表计图片进行存储，确保图像采集模块与数据中心通讯期间发生中断时数据不丢失；

本发明的管网监测方法通过唤醒、休眠以及摄像头的逐次启动、逐次采集和主次关闭来实现管网监测装置在低功耗下工作。

附图说明

图1是本发明一实施例的管网监测装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例的时间片管理系统图；

图3是本发明一实施例的电源管理模块的结构示意图；

图4是本发明一实施例的管网监测装置的图像采集与处理流程图。

图中，1-单片机；2-电源管理模块；3-图像采集模块；4-配置管理模块；5-太阳能组件；6-摄像头；7-数据中心；11-CPU；21-电源控制逻辑单元；22- 启动与初始化单元；23-休眠单元；24-太阳能充电管理电路；25-充电电池； 26-电源转换电路；27-电源输出电路；111-定时器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。

如图1所示，本实施例中管网监测装置采用低功耗的MSP430单片机1作为处理器，扩展1GB TF卡存储器，64KB EEPROM，1路GPRS无线接口，2路图像抓拍接口，在此硬件基础上，增加电源管理模块2、图像采集模块3和配置管理模块4。

管网监测装置包括电源管理模块2、图像采集模块3、单片机1、配置管理模块4、摄像头6、数据中心7和太阳能组件5；其中单片机1包括CPU11， CPU11分别与图像采集模块3和配置管理模块4连接，CPU11根据配置管理模块4配置的信息来控制图像采集模块3工作；图像采集模块3通过GPRS网络与数据中心7通信；图像采集模块3与摄像头6连接；太阳能组件5与电源管理模块2连接；电源管理模块2分别与CPU11、图像采集模块3和摄像头6连接，用以向各模块提供电能。该设计中，管网监测装置由太阳能供电，抓拍仪表图片识别表计计量数据，保存图片和数据，并将图片和识别数据远程到数据中心7，其中，如图2所示，管网监测装置使用高精度定时器111，按时间片管理各项任务的调度和逻辑协调，处理各种告警和错误报告，管理各模块间的接口；配置管理模块4通过设备调试软件对设备信息、采集信息、数据中心7 信息进行配置，并保存相关配置表单到EEPROM中，实现双备份相互校验；以下将重点介绍电源管理模块2以及图像采集模块3的图像采集与处理流程。

本实施例的管网监测装置的太阳能组件5采用规格为峰值电压为18V左右、峰值电流为1A左右，为满足一个月内只需要3天以上太阳光照就能持续工作的要求，管网监测装置需要充分利用太阳能组件5转换来的电能，尽量存储到充电电池25中去，并且需要管网监测装置超低功耗用电，因此电源管理是管网监测装置的关键技术之一。电源管理模块2按照CPU11中定时器111 的时间片管理设备中各个接口硬件的工作状态和供电电源输入输出控制。如图 2所示，电源管理模块2包括电源控制逻辑单元21、启动与初始化单元22和休眠单元23；CPU11中的定时器111分别与启动与初始化单元22、休眠单元 23和电源管理模块2连接，用以控制管网监测装置在预设的工作周期内进行工作和休眠。

如图3所示，电源管理模块2包括充电电池25、太阳能充电管理电路24、电源转换电路26和电源输出电路27；电源控制逻辑单元21分别与充电电池 25、太阳能充电管理电路24、电源转换电路26和电源输出电路27连接；太阳能充电管理电路24分别与太阳能组件5、充电电池25和电源转换电路26 连接；充电电池25与电源转换电路26连接；电源转换电路26与电源输出电路27连接；电源输出电路27分别与CPU11、图像采集模块3和摄像头6连接，用以向各模块提供电能。外置的太阳能组件5接收太阳能转换为18V以下的电能，依据环境温度、光照强度和光照角度等因素，太阳能组件5输出从微弱的几乎可以忽略不计的电流到1A的电流；太阳能充电管理电路24高效地自适应的将电压稳定到14.4V-15V；电源控制逻辑单元21读取充电电池25的配置信息，根据配置信息检测充电电池25的状态(电压、温度)，统计循环充放电的时间(如晚上不能充电)，智能的按照配置信息提取充放电曲线，按照曲线电流给充电电池25充放电；电源转换电路26利用高效的开关稳压电流把充电管理电路的充电电压或充电电池25的放电电压转换为5V或3.3V的工作电压；管网监测装置的主要能耗大户是图像采集模块3中的GPRS模块及摄像头6，因此电源输出电路27提供GPRS模块和摄像头6的电能，并由电源控制逻辑单元21控制。当管网监测装置需要工作时接通电源，工作结束时关闭电源，关闭电源后这些设备的能耗低于3.3V·200uA。

管网监测装置可以按照由配置管理模块4配置的工作周期来实现工作和休眠，由于郊外无法供电的管网监测要求的实时性较低，默认的一个工作周期的时间为1小时，其中工作时间为5-8分钟，休眠时间为52-55分钟。在需要工作时，定时器111唤醒CPU11，启动与初始化单元22对各个模块进行初始化工作，对于启动时间较长的GPRS模块定期进行初始化进程监控，当完成初始化就立即链接数据中心7，在初始化等待过程中释放资源让其他模块同步工作；同时接通摄像头6电源启动工作，如有多个摄像头6时(根据配置信息获知)，先启动第一个摄像头6，当其开始采集图像时启动第二个摄像头6，当第二个摄像头6开始采集图像时，第一个摄像头6采集图像已经结束，此时立即关闭第一个摄像头6，同时启动第三个摄像头6，以此类推，逐次启动，逐次采集，逐次关闭。

当管网监测装置完成工作周期内的所有活动且远程没有延期通信请求时，休眠单元23关闭GPRS模块和摄像头6，并切断工作电源；同时休眠单元23 保存数据和监控信息；之后CPU11进入休眠状态，等待下一个工作周期的到来，整机休眠后，能耗低于3.3V·10uA。

如图4所示，当CPU11从休眠中唤醒后，图像采集模块3从配置管理模块 4中获取配置信息(S1)，再从配置信息中依次提取摄像头6头相关配置，根据摄像头6相关配置安排采集时间队列，按照时间队列的顺序和每个摄像头6 的配置参数依次对摄像头6进行摄像头配置及初始化(S2)。摄像头配置及初始化内容包括启动摄像头6、清空图片缓存、设定图片大小、设定压缩比率等。摄像头6配置及初始化完成后进行图像抓拍(S3)，图像抓拍时闪光灯抓拍定位图片，按照特定的编码格式获取图片数据，获取图片数据经过图像处理(S4) 后按照设定的格式存入TF卡中(S5)；同时图像数据远传接口(S6)通过GPRS 网络上传到数据中心7(S7)。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种管网监测装置，其特征在于：包括电源管理模块、图像采集模块、单片机、配置管理模块、摄像头、数据中心和太阳能组件；其中所述单片机包括CPU，所述CPU分别与所述图像采集模块和配置管理模块连接，所述CPU根据所述配置管理模块配置的信息来控制所述图像采集模块工作；所述图像采集模块通过GPRS网络与所述数据中心通信；所述图像采集模块与所述摄像头连接；所述太阳能组件与所述电源管理模块连接；所述电源管理模块分别与所述CPU、图像采集模块和摄像头连接，用以向各模块提供电能；所述配置管理模块通过设备调试软件对设备信息、采集信息、数据中心信息进行配置，并保存相关配置表单到EEPROM中，实现双备份相互校验；

所述电源管理模块包括电源控制逻辑单元、启动与初始化单元和休眠单元；所述CPU包括定时器，定时器按时间片管理各项任务的调度和逻辑协调，处理各种告警和错误报告，管理各模块间的接口；所述定时器分别与所述启动与初始化单元、休眠单元和所述电源控制逻辑单元连接，用以控制管网监测装置在预设的工作周期内进行工作和休眠；

所述电源管理模块还包括充电电池、太阳能充电管理电路、电源转换电路和电源输出电路；所述电源控制逻辑单元分别与所述充电电池、太阳能充电管理电路、电源转换电路和电源输出电路连接，所述电源控制逻辑单元根据所述充电电池的包括电压、温度在内的状态信息来控制所述充电电池充放电；所述太阳能充电管理电路分别与所述太阳能组件、充电电池和电源转换电路连接；所述充电电池与所述电源转换电路连接；所述电源转换电路与所述电源输出电路连接；所述电源输出电路分别与所述CPU、图像采集模块和摄像头连接，用以向各模块提供电能；电源管理模块按照CPU中定时器的时间片管理设备中各个接口硬件的工作状态和供电电源输入输出控制；

所述电源控制逻辑单元读取所述充电电池的配置信息，根据配置信息检测充电电池的状态，统计循环充放电的时间，智能的按照配置信息提取充放电曲线，按照曲线电流给充电电池充放电；管网监测装置按照由配置管理模块配置的工作周期来实现工作和休眠。

2.如权利要求1所述的管网监测装置，其特征在于：所述单片机的型号为MSP430。

3.一种管网监测方法，采用了权利要求1-2中任意一项所述的管网监测装置，其步骤是：

1）配置管理模块预先配置相关信息；

2）定时器按照预定的工作周期唤醒CPU，启动和初始化单元对各个模块进行初始化工作；

3）第一个摄像头配置及初始化完成后进行图像抓拍，此时启动第二个摄像头；

4）经过图像抓拍后获取的图像数据经过图像处理后存储于单片机内的存储器中，同时通过GPRS上传到数据中心，然后关闭第一摄像头，第二个摄像头进行图像抓拍，此时启动第三个摄像头，以此类推；

5）当管网监测装置完成工作周期内的所有活动且远程没有延期通信请求时，休眠单元关闭GPRS和摄像头，并切断工作电源；同时休眠单元保存数据和监控信息；CPU再次进入休眠状态，等待下一个工作周期的到来。