CN107071928A - 一种基于物联网的自组网装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于物联网的自组网装置，包括传感器信息采集装置、接收和中继转发设备、监控中心接入设备，三组设备以ZigBee技术进行自组网链接。其特征在于，所述传感器信息采集装置，粘贴安装于井盖上，包括外壳、盖子、隔热罩、传感器芯片和电池。所述接收和中继转发设备，安装于路灯或其他具有市政供电的设施上，接收半径几百米内所有传感器的巡查信息，并通过设备自组织物联网中继回传到监控中心。所述监控中心接入设备，作为自组织物联网到监控中心系统软件的桥梁，负责将各地井盖巡查信息接收传递至监控软件，同时负责自组织物联网的维护。本发明具有部署简单快速、成本低、监控实时性强的优点，可以实时监控城市井盖等公共设施的使用状况。
Description
技术领域
本发明涉及一种ZigBee无线网络作为传输技术，是一种自组织物联网网络,用于市政井盖等设施的实时监控上，大量的节点可自动的组建成无线网络，无需布线，节点位置可自由移动，组网灵活，而且无需承担通信费用。
背景技术
公共设施与民生息息相关，当公共设施不能很好管理，将严重影响威胁人民的生命安全与社会稳定。在我国各个地区，井盖被盗、“陷阱”伤人事件时有所闻。
羊城晚报刊登了2010年5月一则井盖害人命的新闻，18岁少女夜班归途命丧无盖沙井，事发在广州天河区；
新快报刊登了2010年6月又一则井盖害人命的新闻，无盖沙井绊倒八旬老翁不治身亡！而文中记者更亲身体验一个井盖辗转五部门而找不到主管者，如此井盖能不害人；
南国今报_井盖张嘴险“吞”孕妇；
南国早报2010年08月05日：井盖盖不牢接连“咬”伤人；
南国早报2010年07月09日：井盖似跷跷板，行人一踩摔跤；
华南都市报2010年01月07日：频频张口伤人 窨井盖成“杯具”；
沈阳日报2010年08月11日：孕妇坠井胎儿夭折；
扬子晚报2010年01月09日：踩翻窨井盖 惨遭钢筋刺心；
郑州晚报2010年04月29日：窨井盖打转，摔破路人肝脏；
以上的案例让我们反思，探索公共设施更好的管理模式，避免更多的悲剧。
公共设施的产权分散导致集中管理难。自来水、电力、通讯等部门只要获得相关部门道路开挖许可手续，就可以设置井盖，并负责其管理、维护和修缮。由此，井盖一“诞生”就有了“身份”：分属自来水、通讯、燃气、电力公司和市政部门5个“家族”。其中，通讯井盖又细分为电信、移动通信、联通等单位所有。井盖形状有圆的，方的，还有椭圆的，型号规格也有不同。盖子不翼而飞后，只能各自来补缺，换了其它的型号规格还不对。不仅如此，个别单位报失渠道不畅和接到报失后不及时补缺，也在一定程度上降低了井盖报修效率，以至于有的井盖“失踪”几个月都无人问津。井盖的管理要耗用大量的人力、物力，涉及很多部门参与，而且要求实时性强，因为涉及到公共安全。单单靠制度、人力解决这些问题，已经远远不行，必须借助物联网的技术，借助城市数字管网的建设，来共同解决井盖的问题。
本发明很好的解决了类似井盖这样的公共设施的管理问题。思路是建成一套数字化城市管理模式，通过信息化平台的支持，逐步建设“网格数字城市空间”和“设施数字化身份证”等现代管理模式，为城市的发展提供了坚实的管理基础。网格数字城市空间合计就是网格空间计算技术。网格就是互联网技术即将迎来的第三次发展浪潮，简单的说就是在互联网上用户能实现所有资源的全面连通和共享。将来用户使用互联网上的所有资源就像从电网中使用电能那样简单方便。网格的具体特征并不在于它的规模，而是资源共享，消除了资源孤岛。这其中城市管理的应用服务都将在网格平台上实现质的飞跃。特别是网格的发展和应用对城市管理的信息化建设具有重要的现实意义，同时必将带来巨大的经济效益和社会效益。这种城市管理新模式从管理体制上采用单元网格管理法和城市部件﹑城市事件管理法相结合的方式，从技术上基于“政务关联”平台，应用、整合多项数字城市技术，借助以手机为原型的多功能通讯传输工具，采用信息实时采集﹑传输的手段，通过建立城市管理监督平台和指挥中心，再造城市管理流程，从而实现精确、敏捷、高效、可视化﹑全时段、全方位覆盖的城市管理模式。新模式所承担的城市管理主要是市政、市容管理，包括城市基础设施的运营和城市环境的维护，城市设施状况的快速检查，涵盖了市政基础设施管理、城市公用事业管理、城市国土房产管理、城市环境保护、城市园林绿化管理、城市市容环境卫生管理、城市建筑管理等内容。实现了城市管理内容的具体化，使城市部件精确定位，对于管理对象做到了从未有过的清晰。也可以对某类部件进行快速、准确的专项普查，对城市进行全时段监控，实现由粗放管理到精细管理的转变。城市网格化管理新模式使城市管理者对管理对象做到一清二楚，为维护城市公共安全提供了可靠保障。新模式将城市管理部件准确定位并编码，通过城市管理监督员全天候不间断巡查，不仅可以及时发现并上报各种城市管理部件和事件信息，还可以在很短时间内完成对某类城市管理对象的专项普查；不仅可以及时发现问题，且可以及时处理问题，有效防止因井盖丢失、消防设施残缺、地下空间隐患等可能造成的安全事故，从而为维护城市公共安全提供了可靠保障。城市网格化管理新模式可有效整合了信息资源和管理资源，大大降低管理成本，有力推进了节约型管理和资源节约型城区建设。新模式可充分整合城市的信息化资源和城市管理资源，设计了科学合理的城市管理系统，在管理方式发生巨大变革的同时，节约了大量人力、物力、财力。城市网格化管理新模式可实现了市民与政府的良性互动，形成了市民与政共同管理城市的格局。
本发明对市区的各类井盖进行分类、梳理，根据难易程度和重要性确定无线传感器网络的布施计划。可以逐步建立健全整个城市的井盖无线传感器监测网络。充分考虑井盖数量巨大，井盖安装位置，井盖供电不便，井盖受车辆影响震动，及井盖可能被水淹的客观条件，尽量降低井盖附加装置的成本，尽量使用电池供电，供电时间至少达两年以上，安装简便，防水抗震等。
发明内容
本发明解决的技术问题在于克服上述现有管理和技术中存在不足，提供了一种可以快速部署、价格低廉的基于物联网的自组网装置。
为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术措施：
一种基于物联网的自组网装置，包括传感器信息采集装置、接收和中继转发设备、监控中心接入设备，三组设备以ZigBee技术进行自组网链接。其特征在于，所述传感器信息采集装置，粘贴安装于井盖上，包括外壳、盖子、隔热罩、传感器芯片和电池。所述接收和中继转发设备，安装于路灯或其他具有市政供电的设施上，接收半径几百米内所有传感器的巡查信息，并通过设备自组织物联网中继回传到监控中心。所述监控中心接入设备，作为自组织物联网到监控中心系统软件的桥梁，负责将各地井盖巡查信息接收传递至监控软件，同时负责自组织物联网的维护。
本发明还可以通过以下技术措施进一步完善：
作为进一步改进，所述传感器信息采集装置粘接固定在井盖外表面，于地面之上。传感器芯片内置天线，必须处于地面之上才可以被接收到无线信号。传感器信息采集装置，采用定时上报所在井盖编码的方式实现自动巡检的作用，通过ZigBee组网技术上传信号。隔热罩为耐高温陶瓷材料烧结而成。外壳有加强筋塑胶结构，可以承受大型汽车的碾压。
作为进一步改进，接收和中继转发设备，还承担周边其他中继设备信号的转发任务，是自组织物联网的主要路由节点。该设备使用市电供电，功耗不大于5瓦，具备防雨能力。监控中心接入设备，使用市电供电，功耗不大于5瓦，具备通过USB或RS-232连接计算机的通用接口。监控软件为基于地理信息系统的综合管理软件，能够在电子地图上准确查看井盖所处位置和实时查看任意路段井盖最新状态，能够在井盖丢失或被破坏后及时发出提示告警。能够查询历史巡查数据，统计某个辖区或某个路段的井盖丢失情况，自动通知维护责任人，自动生成丢失井盖统计图文报告等。传感器信息采集装置的无线信号传输有效距离是500米，因此所述接收和中继转发设备，安装于路灯或其他具有市政供电的设施上，每一平方公里以内至少设置一个，用以接收传感器信息采集装置的无线信号。
由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益技术效果：
本发明的采用的外壳结构，类似于道路上的分道隔离凸台，安装方便，只需要用胶粘于地面即可，同时可以承受大型汽车的碾压。另外，在夏季高温天气，地表温度可以达到50度以上甚至更高，而传感器芯片承受的温度为80℃，因此为了提高使用寿命，在壳体内部装有隔热罩，采用绝缘耐高温陶瓷烧结而成，具有绝热功能，保证外部环境不干扰到内部芯片的使用，隔热罩同时具备高强度特点，不被外力所损坏。
为进一步提高信号的检测精度，本发明采用低功耗传感器芯片，使用电池供电，至少连续工作两年以上。采用低成本方案，单个井盖上附加装置成本仅约几十元；安装方便，装置直接粘接附着于井盖上，安装维护极为方便。高可靠，耐高温，抗震防水，满足道路条件使用。功能丰富，能够生成井盖准确位置数据库，自动巡检，自动通知责任人，能够统计井盖故障高发路段，提升管理效能。
为了能够向政府提供更科学的公共设施管理方案，本发明的自组网技术还包括建立基于运用无线网络，对现场信息进行采集和传送的数据采集系统，实现城市监督管理的移动办公。建设接受城管监督员、街道、社区、市民呼入热线反映问题的受理接入、数据录入、问题分析和信息传输系统。完成城市管理监督中心和指挥中心的办公场地装修、机房建设、硬件及网络设备的配置和集成、系统软件的配置等。建设基于电子地图技术的市级城市网格化井盖管理信息平台。
附图说明
附图1是本发明基于物联网的自组网装置的网络通信连接关系图。
附图2是本发明的无线传感器网络体系结构。
附图3是本发明的传感器网络节点体系结构。
附图4是本发明的ZigBee协议框架。
附图5是本发明的传感器信息采集装置结构图。
附图标记：
1.外壳；2. 盖子；3.电池；4.传感器芯片； 5.隔热罩。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详细的阐述。
如附图1所示的基于物联网的自组网装置，包括传感器信息采集装置、接收和中继转发设备、监控中心接入设备，三组设备以ZigBee技术进行自组网链接。图中第一类设备为安装于井盖上的传感器信息采集装置，第二类设备为接收和中继转发设备，安装于路灯或其他具有市政供电的设施上，该设备能够接受半径几百米内所有井盖的传感器信息采集装置的巡查信息，并通过设备自组织物联网中继回传到第三类设备，即监控中心接入设备。如附图5所示的传感器信息采集装置，包括外壳1，盖子2，电池3，传感器芯片4和隔热罩5。隔热罩5紧贴于外壳1内壁安装，传感器芯片4再安装于隔热罩5内壁，电池3再贴于传感器芯片4安装，最后盖子2将隔热罩5和电磁3和传感器芯片4封住，扣在外壳1的表面。盖子2和外壳1安装后形成一个平面，该平面作为安装面，用胶固定于井盖之上。该装置体积小巧，便于安装。外壳1有加强筋塑胶结构，可以承受大型汽车的碾压，在第一层抵御外力的破坏。隔热罩5为耐高温陶瓷材料烧结而成，可以抵御外界的高、低温对传感器芯片的影响，同时在第二层抵御外力的破坏。使得整体结构具备抗震防水能力。充分考虑低成本和低功耗要求，传感器信息采集装置采用定时上报所在井盖编码的方式实现自动巡检的作用，巡检的时间间隔可根据实际管理需要设置为几个小时到数天，并能够在井盖被移动出正常位置一定距离后，及时通知告警。传感器信息采集装置粘接固定在井盖外表面，于地面之上。传感器芯片内置天线，必须处于地面之上才可以被接收到无线信号。
第二类设备为接收和中继转发设备，安装于路灯或其他具有市政供电的设施上，该设备能够接受半径几百米内所有井盖的巡查信息，并通过设备自组织物联网中继回传到监控中心。由于传感器信息采集装置的无线信号传输有效距离是500米，因此所述第二类设备接收和中继转发设备，在每一平方公里以内至少设置一个，用以接收传感器信息采集装置的无线信号。同时该设备还承担周边其他中继设备信号的转发任务，是自组织物联网的主要路由节点。该设备使用市电供电，功耗不大于5瓦，具备防雨能力。第三类设备为监控中心接入设备，该设备作为自组织物联网到监控中心系统软件的桥梁，负责将各地井盖巡查信息接收传递至监控软件，同时负责自组织物联网的维护。该设备使用市电供电，功耗不大于5瓦，具备通过USB或RS-232连接计算机的通用接口。
如附图1所示的基于物联网的自组网装置，是由一个应用管理软件，也就是监控软件来管理运行，监控软件为基于地理信息系统的综合管理软件，能够在电子地图上准确查看井盖所处位置和实时查看任意路段井盖最新状态，能够在井盖丢失或被破坏后及时发出提示告警。能够查询历史巡查数据，统计某个辖区或某个路段的井盖丢失情况，自动通知维护责任人，自动生成丢失井盖统计图文报告等。
本系统设计的基于ZigBee和GPRS无线传感器网络的远程数据监测系统。ZigBee无线网络是一种自组织网络,大量的节点可自动的组建成无线网络,无需布线,节点位置可自由移动,组网灵活,而且无需承担通信费用。实施办法见附图1。
本发明具体的实施方法，就是在监测区域内,通过人工布置等方式,部署很多的传感器节点,这些节点通过自组织的方式自动构建成无线网络,通过节点上集成的各种传感器,以协作的方式感知、采集和传输监测区中的特定信息,实现对监测区域内任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析。无线传感器网络由大量的传感器节点组成,这些传感器节点同时把传感器模块、数据处理模块和无线通信模块集成在一起,构成了一个同时具有数据处理功能和无线通信功能的传感器互连系统,该系统能完成各种复杂的监控任务。实施办法见附图2。
对实施办法的进一步补充，传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分构成,传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器模块负责控件整个传感器节点的操作,存储和处理本身采集的数据以及其它节点发送来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制信息和收发采集数据;能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量,采用电池供电，传感器网络节点体系结构见附图3。
本发明中ZigBee网络中的节点按通信能力一共分为两种:全功能设备(full-function Device ,FFD)和精简功能设备(reduced-function device ,RFD)：
(l)全功能设备(FFD):全功能设备具有ZigBee协议规定的所有功能及特性,具有足够的计算能力和存储容量,能够在网络中充当协调器、路由器,当然也能够作为终端节点工作；
(2)精简功能设备(RFD):精简功能设备功能受限,只能作为终端节点工作,精简功能设备降低了节点的复杂度和成本。FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通信,RFD设备之间不能直接通信,只能与FFD设备通信,或者通过一个FFD设备向外转发数据。
本方案ZigBee网络的拓扑结构:星形拓扑。
本发明ZigBee采用的标准定义了一种网络协议，这种协议能够确保无线设备在低成本、低功耗和低据速率网络中的互操作性。ZigBee协议栈构建在IEEE802.15.4标准基础之上,IEEE802.15.4标准定义了MAC和PHY层的协议标准。MAC和PHY层定义了射频以及相邻的网络设备之间的通讯标准。而ZigBee协议栈则定义了网络层,应用层和安全服务层的标准。ZigBee协议的层次架构如图4所示。越向下越贴近硬件越向上越贴近应用程序。
Claims (10)
1.一种基于物联网的自组网装置，包括传感器信息采集装置、接收和中继转发设备、监控中心接入设备，三组设备以ZigBee技术进行自组网链接；其特征在于，所述传感器信息采集装置，粘贴安装于井盖上，包括外壳、盖子、隔热罩、传感器芯片和电池；所述接收和中继转发设备，安装于路灯或其他具有市政供电的设施上，接收半径几百米内所有传感器的巡查信息，并通过设备自组织物联网中继回传到监控中心；所述监控中心接入设备，作为自组织物联网到监控中心系统软件的桥梁，负责将各地井盖巡查信息接收传递至监控软件，同时负责自组织物联网的维护。
2.根据权利要求1所述的物联网的自组网装置，其特征在于，所述传感器信息采集装置粘接固定在井盖外表面，于地面之上。
3.根据权利要求1所述的物联网的自组网装置，其特征在于，所述传感器芯片内置天线，必须处于地面之上才可以被接收到无线信号。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于物联网的自组网装置，其特征在于，所述传感器信息采集装置，采用定时上报所在井盖编码的方式实现自动巡检的作用，通过ZigBee组网技术上传信号。
5.根据权利要求4所述的基于物联网的自组网装置，其特征在于，所述隔热罩为耐高温陶瓷材料烧结而成。
6.根据权利要求4所述的基于物联网的自组网装置，其特征在于，所述外壳有加强筋塑胶结构，可以承受大型汽车的碾压。
7.根据权利要求1所述的基于物联网的自组网装置，其特征在于，所述接收和中继转发设备，安装于路灯或其他具有市政供电的设施上，该设备能够接受半径几百米内所有井盖的巡查信息，并通过设备自组织物联网中继回传到监控中心；同时该设备还承担周边其他中继设备信号的转发任务，是自组织物联网的主要路由节点；该设备使用市电供电，功耗不大于5瓦，具备防雨能力。
8.根据权利要求7所述的基于物联网的自组网装置，其特征在于，所述监控中心接入设备，该设备作为自组织物联网到监控中心系统软件的桥梁，负责将各地井盖巡查信息接收传递至监控软件，同时负责自组织物联网的维护；该设备使用市电供电，功耗不大于5瓦，具备通过USB或RS-232连接计算机的通用接口。
9.根据权利要求8所述的基于物联网的自组网装置，其特征在于，所述监控软件为基于地理信息系统的综合管理软件，能够在电子地图上准确查看井盖所处位置和实时查看任意路段井盖最新状态，能够在井盖丢失或被破坏后及时发出提示告警；能够查询历史巡查数据，统计某个辖区或某个路段的井盖丢失情况，自动通知维护责任人，自动生成丢失井盖统计图文报告等。
10.根据权利要求1所述的基于物联网的自组网装置，其特征在于，所述传感器信息采集装置的无线信号传输有效距离是500米，因此所述接收和中继转发设备，安装于路灯或其他具有市政供电的设施上，每一平方公里以内至少设置一个，用以接收传感器信息采集装置的无线信号。
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