CN107590980A - 一种基于Zigbee自组网的嵌入式井盖下水道实时数据采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Zigbee自组网的嵌入式井盖下水道实时数据采集系统，属于井盖技术领域。本发明包括固定节点井盖、汇聚节点井盖、云端服务器；所述固定节点井盖采用蓄电池供电，汇聚节点井盖通过汇聚节点井盖压力发电井盖自发电供电。本发明能采集下水道中的各种数据，比如下水道有毒气体监测、水流量监测、水质监测、生物数据采集而且其解决传感器供电问题，可供多种传感器工作，同时利用ZigBee自组网的通信网络增大数据采集范围，减少传感器能耗，基于物联网的设计将通过井盖收集到大量下水道数据，可以为智慧城市提供大量的基础数据。结构简单，成本低廉，有效降低了人力和时间成本，在智慧城市发展中有极大地运用。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于Zigbee自组网的嵌入式井盖下水道实时数据采集系统，属于井盖技术领域。
背景技术
随着城市基础建设快速进行，人民享受着发展带来的便利，城市道路建设也是有序进行着，人们的目光聚焦于道路之上，往往忽视道路上其他情况。但是在城市道路中，但是在城市道路中，人们的目光聚焦于道路之上，往往忽视了道路之下的情况。现在我们可以看到在城市当中有很多问题与城市地下不无关系，比如城市内涝、下水道中毒、下水道爆炸等，因此对于下水道中具有有很多值得监测数据，比如下水道有毒气体监测、水流量监测、水质监测、生物数据采集。通过传感器可以解决这个问题，但是使用有线传感器会造成地下线路混乱，用无线传感器电能不足反而会增加更多的人工成本。因此本发明设计一种基于Zigbee自组网的嵌入式井盖下水道实时数据采集系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明技术方案是：一种基于Zigbee自组网的嵌入式井盖下水道实时数据采集系统，解决了现行下水道采集数据困难且现有的采集装置传感器的供电问题；可供多种传感器工作，同时利用ZigBee自组网的通信网络增大数据采集范围，减少传感器能耗，可以为智慧城市提供大量的基础数据。
本发明技术方案是：一种基于Zigbee自组网的嵌入式井盖下水道实时数据采集系统，包括固定节点井盖、汇聚节点井盖、云端服务器9；
所述固定节点井盖包括下水道数据采集模块1、第一井盖防盗模块2、第一井盖电池电量监测模块3、第一井盖GPS定位模块4、固定节点井盖信号发送模块5、固定井盖；
所述汇聚节点井盖包括第二井盖防盗模块2、第二井盖电池电量监测模块3、第二井盖GPS定位模块4、汇聚节点井盖压力发电井盖6、汇聚节点井盖电能储存电路模块7、汇聚节点井盖信号接收/发送模块8；
所述下水道数据采集模块1、第一井盖防盗模块2、第一井盖电池电量监测模块3、第一井盖GPS定位模块4、固定节点井盖信号发送模块5均集成在固定井盖上；下水道数据采集模块1、第一井盖防盗模块2、第一井盖电池电量监测模块3、第一井盖GPS定位模块4均与固定节点井盖信号发送模块5相连接；
所述第二井盖防盗模块2、第二井盖电池电量监测模块3、第二井盖GPS定位模块4均集成在汇聚节点井盖压力发电井盖6上；所述汇聚节点井盖压力发电井盖6与汇聚节点井盖电能储存电路模块7相连，汇聚节点井盖电能储存电路模块7与汇聚节点井盖信号接收/发送模块8相连，第二井盖防盗模块2、第二井盖电池电量监测模块3、第二井盖GPS定位模块4均与汇聚节点井盖信号接收/发送模块8相连接；
所述固定节点井盖信号发送模块5与汇聚节点井盖信号接收/发送模块8相连接组成ZigBee网络，且汇聚节点井盖信号接收/发送模块8通过天线与云端服务器9相连；
所述下水道数据采集模块1包括下水道各类传感器、电容C19，其中所述下水道各类传感器包括有毒气体检测传感器、水流传感器、温湿度传感器、生物监测传感器，每种传感器最后与固定节点井盖信号发送模块中ZigBee模块的单片机芯片CC2530相连，传感器1号管脚接5V工作电压，传感器2号管脚接电容C19的一端和单片机芯片CC2530的P1.2口，电容C19的另一端接地，传感器3号管脚接地，其中，1号管脚为传感器电源线，2号管脚为传感器信号线，3号管脚为传感器接地线。
所述第一井盖防盗模块2、第二井盖防盗模块2结构相同，均包括电容C17、电容C18、电感L4、继电器、芯片TX125；其中芯片TX125的管脚MODE1、MODE3、MODE4共同接电感L4的一端，芯片TX125的管脚VCC接电容C17和电容C18的一端，之后与电感L4的另一端接Vcc，芯片TX125的管脚GND接电容C17和电容C18的另一端，之后接地，芯片TX125的管脚TX1和TX2分别接继电器的一端，芯片TX125的管脚的TXD接芯片CC2530的P0.0，芯片TX125的管脚的STATUS接芯片CC2530的P0.1。
所述第一井盖电池电量监测模块3、第二井盖电池电量监测模块3结构相同，均包括电阻R4、电阻R5、二极管D9、芯片LM232、电池；其中电池的正极接电阻R4的一端和芯片LM232的4号管脚，电阻R4的另一端接芯片LM232的3号管脚，电池的负极接电阻R5的一端和二极管D9的正极，之后接地，二极管D9的负极接芯片LM232的3号管脚，电阻R5的另一端接芯片LM232的2号管脚，由此电压源的正负极接保护电阻后分别接LM232芯片形成电压比较，芯片LM232的5号管脚接地，芯片LM232的1号管脚作为输出接芯片CC2530的P1.3。
所述第一井盖GPS定位模块4、第二井盖GPS定位模块4结构相同，均包括芯片EM411、反相器74LS04；其中芯片EM411的3号管脚TX接反向器74LS04的输入端，反向器74LS04的输出端接另一个另一个反相器74LS04的输入端，另一个反相器74LS04的输出端接芯片CC2530的P1.4，芯片EM411的4号管脚RX接芯片CC2530的P1.5，由这两个管脚可以获得装置的地理位置；芯片EM411的1号管脚和5号管脚共同接地，芯片EM411的2号管脚接5V电压。
所述固定节点井盖信号发送模块5和汇聚节点井盖信号接收/发送模块8均主要由ZigBee模块和信号接收发送电路组成，ZigBee模块包括电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电阻R2、电阻R3、晶振Y1、晶振Y2、无线芯片CC2530；其中该模块作为固定节点井盖信号发送模块，并同时与该模块组成的汇聚节点井盖信号接收/发送模块组成ZigBee网络，信号通过天线进行传输至云端服务器9；ZigBee模块电路中包括两个晶振电路，一个复位电路及保护电路；其中芯片CC2530管脚XOSC_Q1和XOSC_Q2分别接晶振Y2的一端，之后分别接电容C8和电容C9的一端，电容C8和电容C9的另一端共同接地，芯片CC2530管脚P2.3和P2.4分别接晶振Y1的一端，之后分别接电容C4和电容C5的一端，电容C4和电容C5的另一端共同接地，晶振电路使得芯片CC2530单片机控制器的工作频率始终保持在一个基准频率，芯片CC2530管脚RESET接电容C11和电阻R3的一端，电容C11的另一端接5V电压，电阻R3的另一端接地，在此电路中，芯片CC2530单片机处于某一工作状态，此时复位电路没有动作，当芯片CC2530单片机状态改变时，复位电路工作，会将工作状态调制初调状态。芯片CC2530管脚RBLAS接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接地，芯片CC2530管脚AVDD6和DVDD1共同接电容C6的一端和AVDD1-5共同接的电路相连，相连电路接电容C7的一端和3.3V电压，电容C6及电容C7的另一端接地，芯片CC2530管脚DVDD2接电容C10的一端，电容C10的另一端接地，芯片CC2530管脚DCOUPL接电容C3的一端，电容C3的另一端接地，芯片CC2530管脚P1和P0口作为信号接收I/O口；作为外接设备的接入口，可做信号传输工作；芯片CC2530管脚DVDD2接电容C10组成滤波电路，芯片CC2530管脚DCOUPL接电容C3组成滤波电路，这些共接电路可以保证其他外围设备的电压转换需求；
芯片CC2530管脚RF_N、RF_P作为信号接收/发送电路的连接点，信号接收/发送电路包括电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16、电感L1、电感L2、电感L3、天线；其中芯片CC2530管脚RF_N接电容C12的一端，电容C12的另一端接电感L1和电感L2的一端，芯片CC2530管脚RF_P接电容C13的一端，电容C13接电感L1的另一端及电感L3的一端和电容C14的一端，电感L3的另一端接地，电感L2和电容C14的另一端共同接电容C15和电容C16的一端，电容C15另一端接地，电容C16的另一端接天线。
所述汇聚节点井盖压力发电井盖6包括弧形钢板10、承重钢板11、密封舱壁12、复位弹簧13、极限承重底座14、柔性密封橡胶15、极限位置卡托16、液体介质17、涡轮发电机18、液体压缩舱19、气体压缩舱20、柔性橡胶21；其中弧形钢板10和承重钢板11相连，弧形钢板10作为受力点在井盖的最上端，承重钢板11与承重舱壁12和复位弹簧13相连，承重舱壁12与柔性密封橡胶15相连，组成了一个密封的舱，为了保证承重钢板11在下降位移的时候有个阈值，承重舱壁12与极限承重底座14相连，同时在复位弹簧13外圈有两个极限位置卡托16作为限定位置的部件，密封舱内充满液体介质17，当弧形钢板10上有物体通过时，对井盖就会产生一个向下的位移，密封舱被压缩后，液体介质17就会被压入液体压缩舱19，之后液体压缩舱19与气体压缩舱20形成一个动态平衡，在中间过程产生的液体介质17流动带动涡轮发电机18的转动，将机械能转换成电能，柔性橡胶21作为液体和气体缓存的介质。
所述汇聚节点井盖电能储存电路模块7包括发电机、整流电路、稳压电路；整流电路、稳压电路由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、电容C1、电容C2、电池、电阻R1、发光二极管LED、芯片LM7805组成；发电机的三相中L1相接二极管D1的正极，接二极管D4的负极，L2相接二极管D2的正极，接二极管D5的负极，L3相接二极管D3的正极，接二极管D6的负极，二极管D1、二极管D2、二极管D3的负极全部相连接芯片LM7805的1号端口，同时还与电容C1的一端相连，二极管D4、二极管D5、二极管D6的正极全部相连接芯片LM7805的2号端口，同时还与电容C1的另一端相连，芯片LM7805的2号端口还接电容C2的一端，芯片LM7805的3号端口接电容C2的另一端和二极管D7的正极，二极管D7的负极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与发光二极管LED的正极相连，发光二极管LED的负极与芯片LM7805的2号端口相连，二极管D7的负极还与二极管D8的正极相连，二极管D8的负极与电池的正极端相连，电池的负极接芯片LM7805的2号端口。
本发明的有益效果是：
本发明能采集下水道中的各种数据，比如下水道有毒气体监测、水流量监测、生物监测而且其解决传感器供电问题，可供多种传感器工作，同时利用ZigBee自组网的通信网络增大数据采集范围，减少传感器能耗，基于物联网的设计将通过井盖收集到大量下水道数据，可以为智慧城市提供大量的基础数据。结构简单，成本低廉，有效降低了人力和时间成本，在智慧城市发展中有极大地运用。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明的汇聚节点井盖压力发电井盖结构示意图；
图3是本发明的汇聚节点井盖电能储存电路模块电路原理图；
图4是本发明的固定节点井盖信号发送模块及汇聚节点井盖信号接收/发送模块电路中的 ZigBee模块电路原理图；
图5是本发明的固定节点井盖信号发送模块及汇聚节点井盖信号接收/发送模块电路中的信号接收/发送电路电路原理图；
图6是本发明的下水道数据采集模块电路原理图；
图7是本发明的井盖GPS定位模块电路原理图；
图8是本发明的井盖电池电量监测模块电路原理图；
图9 是本发明的井盖防盗模块电路原理图；
图10 是本发明的基于ZigBee的井盖星型自组网状态图。
图1-10中各标号：1-下水道数据采集模块，2-井盖防盗模块，3-井盖电池电量监测模块，4-井盖GPS定位模块，5-固定节点井盖信号发送模块，6-汇聚节点井盖压力发电井盖，7-汇聚节点井盖电能储存电路模块，8-汇聚节点井盖信号接收/发送模块，9-云端服务器，10-弧形钢板，11-承重钢板，12-承重舱壁，13-复位弹簧，14-极限承重底座，15-柔性密封橡胶，16-极限位置卡托，17-液体介质，18-涡轮发电机，19-液体压缩舱，20-气体压缩舱，21-柔性橡胶。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-10所示，一种基于Zigbee自组网的嵌入式井盖下水道实时数据采集系统，一种基于Zigbee自组网的嵌入式井盖下水道实时数据采集系统，包括固定节点井盖、汇聚节点井盖、云端服务器9；
所述固定节点井盖包括下水道数据采集模块1、第一井盖防盗模块2、第一井盖电池电量监测模块3、第一井盖GPS定位模块4、固定节点井盖信号发送模块5、固定井盖；
所述汇聚节点井盖包括第二井盖防盗模块2、第二井盖电池电量监测模块3、第二井盖GPS定位模块4、汇聚节点井盖压力发电井盖6、汇聚节点井盖电能储存电路模块7、汇聚节点井盖信号接收/发送模块8；
所述下水道数据采集模块1、第一井盖防盗模块2、第一井盖电池电量监测模块3、第一井盖GPS定位模块4、固定节点井盖信号发送模块5均集成在固定井盖上；下水道数据采集模块1、第一井盖防盗模块2、第一井盖电池电量监测模块3、第一井盖GPS定位模块4均与固定节点井盖信号发送模块5相连接；
所述第二井盖防盗模块2、第二井盖电池电量监测模块3、第二井盖GPS定位模块4均集成在汇聚节点井盖压力发电井盖6上；所述汇聚节点井盖压力发电井盖6与汇聚节点井盖电能储存电路模块7相连，汇聚节点井盖电能储存电路模块7与汇聚节点井盖信号接收/发送模块8相连，第二井盖防盗模块2、第二井盖电池电量监测模块3、第二井盖GPS定位模块4均与汇聚节点井盖信号接收/发送模块8相连接；
所述固定节点井盖信号发送模块5与汇聚节点井盖信号接收/发送模块8相连接组成ZigBee网络，且汇聚节点井盖信号接收/发送模块8通过天线与云端服务器9相连；
所述下水道数据采集模块1包括下水道各类传感器、电容C19，其中所述下水道各类传感器包括有毒气体检测传感器、水流传感器、温湿度传感器、生物监测传感器，每种传感器最后与固定节点井盖信号发送模块中ZigBee模块的单片机芯片CC2530相连，传感器1号管脚接5V工作电压，传感器2号管脚接电容C19的一端和单片机芯片CC2530的P1.2口，电容C19的另一端接地，传感器3号管脚接地，其中，1号管脚为传感器电源线，2号管脚为传感器信号线，3号管脚为传感器接地线。
作为本发明的进一步方案，所述第一井盖防盗模块2、第二井盖防盗模块2结构相同，均包括电容C17、电容C18、电感L4、继电器、芯片TX125；其中芯片TX125的管脚MODE1、MODE3、MODE4共同接电感L4的一端，芯片TX125的管脚VCC接电容C17和电容C18的一端，之后与电感L4的另一端接Vcc，芯片TX125的管脚GND接电容C17和电容C18的另一端，之后接地，芯片TX125的管脚TX1和TX2分别接继电器的一端，芯片TX125的管脚的TXD接芯片CC2530的P0.0，芯片TX125的管脚的STATUS接芯片CC2530的P0.1。
作为本发明的进一步方案，所述第一井盖电池电量监测模块3、第二井盖电池电量监测模块3结构相同，均包括电阻R4、电阻R5、二极管D9、芯片LM232、电池；其中电池的正极接电阻R4的一端和芯片LM232的4号管脚，电阻R4的另一端接芯片LM232的3号管脚，电池的负极接电阻R5的一端和二极管D9的正极，之后接地，二极管D9的负极接芯片LM232的3号管脚，电阻R5的另一端接芯片LM232的2号管脚，由此电压源的正负极接保护电阻后分别接LM232芯片形成电压比较，芯片LM232的5号管脚接地，芯片LM232的1号管脚作为输出接芯片CC2530的P1.3。
作为本发明的进一步方案，所述第一井盖GPS定位模块4、第二井盖GPS定位模块4结构相同，均包括芯片EM411、反相器74LS04；其中芯片EM411的3号管脚TX接反向器74LS04的输入端，反向器74LS04的输出端接另一个另一个反相器74LS04的输入端，另一个反相器74LS04的输出端接芯片CC2530的P1.4，芯片EM411的4号管脚RX接芯片CC2530的P1.5，由这两个管脚可以获得装置的地理位置；芯片EM411的1号管脚和5号管脚共同接地，芯片EM411的2号管脚接5V电压。
作为本发明的进一步方案，所述固定节点井盖信号发送模块5和汇聚节点井盖信号接收/发送模块8均主要由ZigBee模块和信号接收发送电路组成，ZigBee模块包括电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电阻R2、电阻R3、晶振Y1、晶振Y2、无线芯片CC2530；其中该模块作为固定节点井盖信号发送模块，并同时与该模块组成的汇聚节点井盖信号接收/发送模块组成ZigBee网络，信号通过天线进行传输至云端服务器9；ZigBee模块电路中包括两个晶振电路，一个复位电路及保护电路；其中芯片CC2530管脚XOSC_Q1和XOSC_Q2分别接晶振Y2的一端，之后分别接电容C8和电容C9的一端，电容C8和电容C9的另一端共同接地，芯片CC2530管脚P2.3和P2.4分别接晶振Y1的一端，之后分别接电容C4和电容C5的一端，电容C4和电容C5的另一端共同接地，晶振电路使得芯片CC2530单片机控制器的工作频率始终保持在一个基准频率，芯片CC2530管脚RESET接电容C11和电阻R3的一端，电容C11的另一端接5V电压，电阻R3的另一端接地，在此电路中，芯片CC2530单片机处于某一工作状态，此时复位电路没有动作，当芯片CC2530单片机状态改变时，复位电路工作，会将工作状态调制初调状态。芯片CC2530管脚RBLAS接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接地，芯片CC2530管脚AVDD6和DVDD1共同接电容C6的一端和AVDD1-5共同接的电路相连，相连电路接电容C7的一端和3.3V电压，电容C6及电容C7的另一端接地，芯片CC2530管脚DVDD2接电容C10的一端，电容C10的另一端接地，芯片CC2530管脚DCOUPL接电容C3的一端，电容C3的另一端接地，芯片CC2530管脚P1和P0口作为信号接收I/O口；作为外接设备的接入口，可做信号传输工作；芯片CC2530管脚DVDD2接电容C10组成滤波电路，芯片CC2530管脚DCOUPL接电容C3组成滤波电路，这些共接电路可以保证其他外围设备的电压转换需求；
芯片CC2530管脚RF_N、RF_P作为信号接收/发送电路的连接点，信号接收/发送电路包括电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16、电感L1、电感L2、电感L3、天线；其中芯片CC2530管脚RF_N接电容C12的一端，电容C12的另一端接电感L1和电感L2的一端，芯片CC2530管脚RF_P接电容C13的一端，电容C13接电感L1的另一端及电感L3的一端和电容C14的一端，电感L3的另一端接地，电感L2和电容C14的另一端共同接电容C15和电容C16的一端，电容C15另一端接地，电容C16的另一端接天线。
作为本发明的进一步方案，所述汇聚节点井盖压力发电井盖6包括弧形钢板10、承重钢板11、密封舱壁12、复位弹簧13、极限承重底座14、柔性密封橡胶15、极限位置卡托16、液体介质17、涡轮发电机18、液体压缩舱19、气体压缩舱20、柔性橡胶21；其中弧形钢板10和承重钢板11相连，弧形钢板10作为受力点在井盖的最上端，承重钢板11与承重舱壁12和复位弹簧13相连，承重舱壁12与柔性密封橡胶15相连，组成了一个密封的舱，为了保证承重钢板11在下降位移的时候有个阈值，承重舱壁12与极限承重底座14相连，同时在复位弹簧13外圈有两个极限位置卡托16作为限定位置的部件，密封舱内充满液体介质17，当弧形钢板10上有物体通过时，对井盖就会产生一个向下的位移，密封舱被压缩后，液体介质17就会被压入液体压缩舱19，之后液体压缩舱19与气体压缩舱20形成一个动态平衡，在中间过程产生的液体介质17流动带动涡轮发电机18的转动，将机械能转换成电能，柔性橡胶21作为液体和气体缓存的介质。
作为本发明的进一步方案，所述汇聚节点井盖电能储存电路模块7包括发电机、整流电路、稳压电路；整流电路、稳压电路由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、电容C1、电容C2、电池、电阻R1、发光二极管LED、芯片LM7805组成；发电机的三相中L1相接二极管D1的正极，接二极管D4的负极，L2相接二极管D2的正极，接二极管D5的负极，L3相接二极管D3的正极，接二极管D6的负极，二极管D1、二极管D2、二极管D3的负极全部相连接芯片LM7805的1号端口，同时还与电容C1的一端相连，二极管D4、二极管D5、二极管D6的正极全部相连接芯片LM7805的2号端口，同时还与电容C1的另一端相连，芯片LM7805的2号端口还接电容C2的一端，芯片LM7805的3号端口接电容C2的另一端和二极管D7的正极，二极管D7的负极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与发光二极管LED的正极相连，发光二极管LED的负极与芯片LM7805的2号端口相连，二极管D7的负极还与二极管D8的正极相连，二极管D8的负极与电池的正极端相连，电池的负极接芯片LM7805的2号端口。
本发明的工作原理是：
所述下水道数据采集模块1位于井盖的下面，下水道数据采集模块1分别检测固定节点井盖和汇聚节点井盖下的下水道的各种数据，比如下水道有毒气体监测、水流量监测、生物数据采集；如图6所示；
所述第一井盖防盗模块2、第二井盖防盗模块2用于进行固定节点井盖或汇聚节点井盖防盗；通过电信号控制固定节点井盖或汇聚节点井盖的开和关，若想正常打开井盖，可通过ZigBee模块的通信后台授权打开井盖，发送信号给芯片CC2530，通过芯片TX125的管脚的TXD接芯片CC2530的P0.0，芯片TX125的管脚的STATUS接芯片CC2530的P0.1，得到授权信号，打开固定节点井盖或汇聚节点井盖。
所述第一井盖电池电量监测模块3、第二井盖电池电量监测模块3用于监测电压源的电量，通过监测电压大小可以判断电量多少，并把电量信息传给固定节点井盖信号发送模块5或汇聚节点井盖信号接收/发送模块8；
所述第一井盖GPS定位模块4、第二井盖GPS定位模块4用于检测固定节点井盖和汇聚节点井盖的定位信息，并传给固定节点井盖信号发送模块5或汇聚节点井盖信号接收/发送模块8；
当发电机发电时，产生的电能是紊流电，电压不一的三相电，产生的电首先通过整流电路，通过利用二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6对电压进行整流，通过整流电路之后的电能输出进入稳压电路，通过LM7805芯片进行稳压处理。通过二极管D7、二极管D8、电容C1、电容C2、芯片LM7805，将电中的谐波进行处理，同时经过比较，所得电能为相位相同，电流相同的电，当电压不稳时，发光二极管会亮，作为提醒，最后电能通过蓄电池进行储存。
本发明主要是对固定节点井盖和汇聚节点井盖进行自组网，通过这两种井盖当中的ZigBee模块，固定节点井盖可将搜集的信息通过固定节点井盖信号发送模块5中的信号接收/发送电路发送至汇聚节点井盖，最后汇聚节点再将信息发送至云端服务器，可以在后台看到整个下水道中的具体各种数据，为保证监测范围最大化和传感器能耗最小化，固定节点井盖用蓄电池进行供电，配置第一井盖电池电量监测模块3，能量不够时会及时上报信息，将根据井盖的定位信息快速地找到缺电井盖，同时井盖设计了基于CC2530的射频防盗井盖锁，保证井盖的安全性，固定节点井盖之下可根据具体需求布置监测传感器，如气体传感器、水流传感器、温度传感器等，具体的可以采用H2S-A1硫化氢传感器、气体检测MP901VOC、霍尔流量传感器、生物监测用红外线传感器、DHT11温度传感器，采集的信息同样发送至汇聚节点井盖，为了保证能耗最小将通过定时监测的方式进行信息采集。汇聚节点井盖同样具备固定节点的基本功能，可不经过信息跳转直接发送至云端，同时为了保证整个系统的有序工作，汇聚节点井盖采用自发电的方式进行发电，所发电能将通过整流稳压电路储存在电池当中，为汇聚节点井盖源源不提供电能，同样汇聚节点井盖为了保证电能足够，将安装在车流量大的道路中。利用贪心算法对ZigBee的自组网的井盖压感带系统进行最优控制，保证信息采集范围最大化及系统能耗最小化的平衡优化。
系统可以设计固定节点井盖与汇聚节点井盖的比例为20:1，一个汇聚节点井盖可以通过ZigBee自组网的方式同时控制20个固定节点井盖。固定节点井盖与汇聚节点井盖都具备防盗功能、电量监测功能、GPS定位功能，采用CC2530的ZigBee通信模块保证固定节点井盖与汇聚节点井盖的通信，固定节点井盖采用蓄电池供电，汇聚节点井盖自发电供电，固定节点井盖主要负责下水道的信息采集，之后信息通过固定节点井盖的ZigBee模块发送至汇聚节点井盖处，同时汇聚节点还包括采集固定节点井盖和汇聚节点井盖的电量信息、定位信息，最后整个汇聚节点井盖和固定节点组成的ZigBee星型拓扑网络，之后汇总信息通过汇聚节点井盖发送至云端服务器。本发明通过智能井盖实时了解下水道的各类数据信息，自组网的ZigBee通信网络保证井盖最小能耗和信息采集最大范围，系统的拓展性可为智慧城市进行大量的数据，具有极大的运用价值。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (8)
1.一种基于Zigbee自组网的嵌入式井盖下水道实时数据采集系统，其特征在于：包括固定节点井盖、汇聚节点井盖、云端服务器（9）；
所述固定节点井盖包括下水道数据采集模块（1）、第一井盖防盗模块（2）、第一井盖电池电量监测模块（3）、第一井盖GPS定位模块（4）、固定节点井盖信号发送模块（5）、固定井盖；
所述汇聚节点井盖包括第二井盖防盗模块（2）、第二井盖电池电量监测模块（3）、第二井盖GPS定位模块（4）、汇聚节点井盖压力发电井盖（6）、汇聚节点井盖电能储存电路模块（7）、汇聚节点井盖信号接收/发送模块（8）；
所述下水道数据采集模块（1）、第一井盖防盗模块（2）、第一井盖电池电量监测模块（3）、第一井盖GPS定位模块（4）、固定节点井盖信号发送模块（5）均集成在固定井盖上；下水道数据采集模块（1）、第一井盖防盗模块（2）、第一井盖电池电量监测模块（3）、第一井盖GPS定位模块（4）均与固定节点井盖信号发送模块（5）相连接；
所述第二井盖防盗模块（2）、第二井盖电池电量监测模块（3）、第二井盖GPS定位模块（4）均集成在汇聚节点井盖压力发电井盖（6）上；所述汇聚节点井盖压力发电井盖（6）与汇聚节点井盖电能储存电路模块（7）相连，汇聚节点井盖电能储存电路模块（7）与汇聚节点井盖信号接收/发送模块（8）相连，第二井盖防盗模块（2）、第二井盖电池电量监测模块（3）、第二井盖GPS定位模块（4）均与汇聚节点井盖信号接收/发送模块（8）相连接；
所述固定节点井盖信号发送模块（5）与汇聚节点井盖信号接收/发送模块（8）相连接组成ZigBee网络，且汇聚节点井盖信号接收/发送模块（8）通过天线与云端服务器（9）相连；
所述下水道数据采集模块（1）包括下水道各类传感器、电容C19，每种传感器最后与固定节点井盖信号发送模块中ZigBee模块的单片机芯片CC2530相连，传感器1号管脚接5V工作电压，传感器2号管脚接电容C19的一端和单片机芯片CC2530的P1.2口，电容C19的另一端接地，传感器3号管脚接地，其中，1号管脚为传感器电源线，2号管脚为传感器信号线，3号管脚为传感器接地线。
2.根据权利要求1所述的基于Zigbee自组网的嵌入式井盖下水道实时数据采集系统，其特征在于：所述下水道各类传感器包括有毒气体检测传感器、水流传感器、温湿度传感器、生物监测传感器，采用H2S-A1硫化氢传感器、气体检测MP901 VOC传感器、霍尔流量传感器、DHT11温度传感器，生物监测用红外线传感器。
3.根据权利要求1所述的基于Zigbee自组网的嵌入式井盖下水道实时数据采集系统，其特征在于：所述第一井盖防盗模块（2）、第二井盖防盗模块（2）结构相同，均包括电容C17、电容C18、电感L4、继电器、芯片TX125；其中芯片TX125的管脚MODE1、MODE3、MODE4共同接电感L4的一端，芯片TX125的管脚VCC接电容C17和电容C18的一端，之后与电感L4的另一端接Vcc，芯片TX125的管脚GND接电容C17和电容C18的另一端，之后接地，芯片TX125的管脚TX1和TX2分别接继电器的一端，芯片TX125的管脚的TXD接芯片CC2530的P0.0，芯片TX125的管脚的STATUS接芯片CC2530的P0.1。
4.根据权利要求1所述的基于Zigbee自组网的嵌入式井盖下水道实时数据采集系统，其特征在于：所述第一井盖电池电量监测模块（3）、第二井盖电池电量监测模块（3）结构相同，均包括电阻R4、电阻R5、二极管D9、芯片LM232、电池；其中电池的正极接电阻R4的一端和芯片LM232的4号管脚，电阻R4的另一端接芯片LM232的3号管脚，电池的负极接电阻R5的一端和二极管D9的正极，之后接地，二极管D9的负极接芯片LM232的3号管脚，电阻R5的另一端接芯片LM232的2号管脚，芯片LM232的5号管脚接地，芯片LM232的1号管脚作为输出接芯片CC2530的P1.3。
5.根据权利要求1所述的基于Zigbee自组网的嵌入式井盖下水道实时数据采集系统，其特征在于：所述第一井盖GPS定位模块（4）、第二井盖GPS定位模块（4）结构相同，均包括芯片EM411、反相器74LS04；其中芯片EM411的3号管脚TX接反向器74LS04的输入端，反向器74LS04的输出端接另一个另一个反相器74LS04的输入端，另一个反相器74LS04的输出端接芯片CC2530的P1.4，芯片EM411的4号管脚RX接芯片CC2530的P1.5，芯片EM411的1号管脚和5号管脚共同接地，芯片EM411的2号管脚接5V电压。
6.根据权利要求1所述的基于Zigbee自组网的嵌入式井盖下水道实时数据采集系统，其特征在于：所述固定节点井盖信号发送模块（5）和汇聚节点井盖信号接收/发送模块（8）均主要由ZigBee模块和信号接收发送电路组成，ZigBee模块包括电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电阻R2、电阻R3、晶振Y1、晶振Y2、无线芯片CC2530；其中该模块作为固定节点井盖信号发送模块，并同时与该模块组成的汇聚节点井盖信号接收/发送模块组成ZigBee网络，信号通过天线进行传输至云端服务器（9）；ZigBee模块电路中包括两个晶振电路，一个复位电路及保护电路；其中芯片CC2530管脚XOSC_Q1和XOSC_Q2分别接晶振Y2的一端，之后分别接电容C8和电容C9的一端，电容C8和电容C9的另一端共同接地，芯片CC2530管脚P2.3和P2.4分别接晶振Y1的一端，之后分别接电容C4和电容C5的一端，电容C4和电容C5的另一端共同接地，芯片CC2530管脚RESET接电容C11和电阻R3的一端，电容C11的另一端接5V电压，电阻R3的另一端接地，芯片CC2530管脚RBLAS接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接地，芯片CC2530管脚AVDD6和DVDD1共同接电容C6的一端和AVDD1-5共同接的电路相连，相连电路接电容C7的一端和3.3V电压，电容C6及电容C7的另一端接地，芯片CC2530管脚DVDD2接电容C10的一端，电容C10的另一端接地，芯片CC2530管脚DCOUPL接电容C3的一端，电容C3的另一端接地，芯片CC2530管脚P1和P0口作为信号接收I/O口；
芯片CC2530管脚RF_N、RF_P作为信号接收/发送电路的连接点，信号接收/发送电路包括电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16、电感L1、电感L2、电感L3、天线；其中芯片CC2530管脚RF_N接电容C12的一端，电容C12的另一端接电感L1和电感L2的一端，芯片CC2530管脚RF_P接电容C13的一端，电容C13接电感L1的另一端及电感L3的一端和电容C14的一端，电感L3的另一端接地，电感L2和电容C14的另一端共同接电容C15和电容C16的一端，电容C15另一端接地，电容C16的另一端接天线。
7.根据权利要求1或2所述的基于Zigbee自组网的嵌入式井盖下水道实时数据采集系统，其特征在于：所述汇聚节点井盖压力发电井盖（6）包括弧形钢板（10）、承重钢板（11）、密封舱壁（12）、复位弹簧（13）、极限承重底座（14）、柔性密封橡胶（15）、极限位置卡托（16）、液体介质（17）、涡轮发电机（18）、液体压缩舱（19）、气体压缩舱（20）、柔性橡胶（21）；其中弧形钢板（10）和承重钢板（11）相连，弧形钢板（10）作为受力点在井盖的最上端，承重钢板（11）与承重舱壁（12）和复位弹簧（13）相连，承重舱壁（12）与柔性密封橡胶（15）相连，组成了一个密封的舱，为了保证承重钢板（11）在下降位移的时候有个阈值，承重舱壁（12）与极限承重底座（14）相连，同时在复位弹簧（13）外圈有两个极限位置卡托（16）作为限定位置的部件，密封舱内充满液体介质（17），当弧形钢板（10）上有物体通过时，对井盖就会产生一个向下的位移，密封舱被压缩后，液体介质（17）就会被压入液体压缩舱（19），之后液体压缩舱（19）与气体压缩舱（20）形成一个动态平衡，在中间过程产生的液体介质（17）流动带动涡轮发电机（18）的转动，将机械能转换成电能，柔性橡胶（21）作为液体和气体缓存的介质。
8.根据权利要求1所述的基于Zigbee自组网的嵌入式井盖下水道实时数据采集系统，其特征在于：所述汇聚节点井盖电能储存电路模块（7）包括发电机、整流电路、稳压电路；整流电路、稳压电路由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、电容C1、电容C2、电池、电阻R1、发光二极管LED、芯片LM7805组成；发电机的三相中L1相接二极管D1的正极，接二极管D4的负极，L2相接二极管D2的正极，接二极管D5的负极，L3相接二极管D3的正极，接二极管D6的负极，二极管D1、二极管D2、二极管D3的负极全部相连接芯片LM7805的1号端口，同时还与电容C1的一端相连，二极管D4、二极管D5、二极管D6的正极全部相连接芯片LM7805的2号端口，同时还与电容C1的另一端相连，芯片LM7805的2号端口还接电容C2的一端，芯片LM7805的3号端口接电容C2的另一端和二极管D7的正极，二极管D7的负极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与发光二极管LED的正极相连，发光二极管LED的负极与芯片LM7805的2号端口相连，二极管D7的负极还与二极管D8的正极相连，二极管D8的负极与电池的正极端相连，电池的负极接芯片LM7805的2号端口。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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