CN111272261A - 一种基于近场通信的窨井水位监测系统 - Google Patents

一种基于近场通信的窨井水位监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于近场通信的窨井水位监测系统，包括窨井水位采集点、窨井水位阅读器和服务器；窨井水位采集点安装于窨井内部，窨井水位阅读器安装于地面以上的窨井外部，窨井水位采集点采集水位，通过低频近场通信方式与窨井水位阅读器通信，窨井水位阅读器将读取的水位通过4G/NB‑IoT网络上报给服务器。本发明的窨井水位采集点和窨井水位阅读器之间由于采用了基于磁场的通信，信号不会被金属、水和大地吸收，水位信息能有效地传输至地面。本发明的窨井水位采集点采用超低功耗技术，可采用一次性电池，续航时间长，降低了使用和维护成本。

Description

一种基于近场通信的窨井水位监测系统
技术领域
本发明属于窨井水位监测技术领域，具体涉及一种基于近场通信的窨井水位监测系统。
背景技术
窨井水位监测除了人工测量外，近十年来普遍采用的基于2G/3G/4G无线传输的方法，然而2G/3G/4G信号存在被窨井盖和大地吸收的问题，传输不稳定。将天线伸出地面可以解决信号被吸收传输不稳定的问题，但又带来了天线易被损坏的缺陷。另外2G/3G/4G模块功耗大，导致监测装置的电池续航时间短。最近产生了基于NB-IoT网络和基于LoRa技术的窨井水位在线监测方法。尽管NB-IoT和LoRa传输的链路预算比2G/3G/4G技术多约20dB，基于高频载波的传输仍然会被窨井盖和大地吸收，不能完全解决问题。此外LoRa广域网并未进行广泛覆盖，应用于窨井水位测量会受到限制。
发明内容
为解决上述窨井水位信息传输的问题，本发明提供一种基于近场通信的窨井水位监测系统。近场通信采用低频电磁通信，利用磁场进行信息传输，由于磁场不被导体吸收，可以穿透窨井盖，可将窨井水位信息有效地传输到地面以上。然后再将此信号远传至服务器。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于近场通信的窨井水位监测系统，包括窨井水位采集点、窨井水位阅读器和服务器；窨井水位采集点安装于窨井内部，窨井水位阅读器安装于地面以上的窨井外部，窨井水位采集点采集水位，通过低频近场通信方式与窨井水位阅读器通信，窨井水位阅读器将读取的水位通过4G/NB-IoT网络上报给服务器。
进一步地，低频近场通信使用IEEE 1902.1的长波频段。
具体地，窨井水位采集点包括微控制器、水位传感器、数据存储器、时钟电路、低频收发器和低频近场通信线圈；水位传感器用于测量窨井水位，并将采集到的水位数据传输给微控制器，微控制器将水位值存储在数据存储器中，时钟电路用于系统时间的记录，并产生对微控制器的中断信号，低频收发器和低频近场线圈完成近场无线通信，接收阅读器的命令，并将测量得到的窨井水位发送给阅读器。
作为优选地，水位传感器采用型号为EMCC9361的电子水尺。
作为优选实施例，微控制器的芯片选用ATMEGA2561，数据存储器的芯片选用SPI接口的W25X64，时钟电路的芯片选用TWI接口的RX8025T，低频收发器的芯片采用HUNFC001模块，低频近场通信线圈选用PREMO公司的KGEA-AF/AFC线圈，由收发器的功率放大器驱动；TMEGA2561芯片的引脚PB0、PB1、PB2和PB3分别与W25X64的引脚CS、SCK、MOSI和MISO相连，ATMEGA2561芯片的引脚PD0、PD1和PB7分别与RX8025T芯片的引脚SCL、SDA和INT相连，INT引脚用于对处于低功耗睡眠状态中的ATMEGA2561芯片进行定时唤醒，ATMEGA2561芯片的引脚PD2和PD3分别与EMCC9361芯片的引脚RXD和TXD连接，ATMEGA2561芯片的引脚PE0和PE1分别与HUNFC001芯片的引脚RXD和TXD引脚相连。
具体地，窨井水位阅读器包括微控制器、数据存储器、时钟电路、4G/NB-IoT通信模块、低频收发器和低频近场通信线圈，低频收发器和低频近场通信线圈完成近场无线通信，向窨井采集点发送读水位命令，并接收水位采集点的水位信息发送给窨井水位阅读器的微控制器，窨井水位阅读器的微控制器将窨井水位值存储在窨井水位阅读器的数据存储器中，窨井水位阅读器的时钟电路用于系统时间的记录，4G/NB-IoT通信模块将采集得到的窨井水位数据上报给服务器，并接收服务器的命令。
作为优选实施例，窨井水位阅读器的微控制器的芯片选用ATMEGA2561，窨井水位阅读器的数据存储器的芯片选用SPI接口的W25X64，窨井水位阅读器的时钟电路的芯片选用TWI接口的RX8025T，窨井水位阅读器的低频收发器的芯片采用HUNFC001，4G/NB-IoT通信模块的芯片选用SIM7600；ATMEGA2561芯片的引脚的PB0、PB1、PB2和PB3分别与W25X64的引脚CS、SCK、MOSI和MISO相连，ATMEGA2561芯片的引脚PD0、PD1和PB7分别与RX8025T芯片的引脚SCL、SDA和INT相连，INT引脚用于对处于低功耗睡眠状态中的ATMEGA2561定时唤醒，ATMEGA2561芯片的引脚PD2和PD3分别与4G/NB-IoT通信模块的SIM7600芯片的引脚RXD和TXD连接，ATMEGA2561芯片的引脚PE0和PE1分别与HUNFC001模块的RXD和TXD引脚相连。
本发明的有益效果是：
1、本发明的窨井水位采集点和窨井水位阅读器之间由于采用了基于磁场的通信，信号不会被金属、水和大地吸收，水位信息能有效地传输至地面。
2、本发明的窨井水位采集点采用超低功耗技术，可采用一次性电池，续航时间长，降低了使用和维护成本。
附图说明
图1是窨井水位监测系统的组成图。
图2是窨井水位采集点的组成图。
图3是窨井水位采集点的一种实施例。
图4是窨井水位阅读器的组成图。
图5是窨井水位阅读器的一种实施例。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是窨井水位监测系统的组成图，包括窨井水位采集点、窨井水位阅读器和服务器。窨井水位采集点安装于窨井内部，地面以下，窨井水位阅读器安装于窨井外部，地面以上。窨井水位采集点和窨井水位阅读器之间的通信方式采用低频近场通信。1个窨井水位阅读器可与1个或者多个靠近的窨井水位采集点通信，获取1个或者多个窨井的水位。
窨井水位采集点采集水位，通过低频近场通信方式与窨井水位阅读器通信，窨井水位阅读器将读取的水位通过4G/NB-IoT网络上报服务器。不同于射频通信系统的借助于电磁波通信，低频近场通信采用磁场通信，可以不受金属、水和大地的影响，可以将位于窨井盖下的水位采集点采集的水位信息传送出窨井外的窨井水位阅读器。窨井水位阅读器通常使用立竿安装于窨井上方数米以内，可以保证和窨井水位采集点进行近场通信。
图2是窨井水位采集点的组成图，包括微控制器、水位传感器、数据存储器、时钟电路、一次性电池、低频收发器和低频近场通信线圈。微控制器是整个水位采集点的核心，掌控整个采集点。水位传感器用于测量窨井水位，通常采用压力水位计、超声波水位计或者电子水尺。数据存储器一般是E2PROM或Flash存储器，用于记录水位值。时钟电路用于系统时间的记录，并产生对微控制器的中断信号。低频收发器和低频近场线圈完成近场无线通信，可接收阅读器的命令，并将测量得到的窨井水位发送给阅读器。水位采集点在一次性电池供电下工作。水位采集点有编号，当有多个采集点时，以此编号区分不同的采集点。
窨井水位采集点工作过程如下：窨井水位采集点上电后，微控制器首先进行初始化，包括微控制器端口设置、时钟读取、水位传感器初始设置、低频收发器初始设置。初始化完成后低频收发器设置于接收状态，水位传感器处于低功耗状态，时钟电路定时给微控制器产生中断信号，微控制器进入睡眠模式，整个水位采集点功耗达到最低。微控制器可由时钟电路产生的中断信号唤醒，也可由低频接收电路唤醒。当时钟电路中断唤醒微控制器后，微控制器采集水位传感器数据，并存储于数据存储器中，微控制器回到睡眠模式。当低频接收电路唤醒微控制器后，微控制器开始接收低频接收电路的信息，根据信息内容作出响应。如果接收到的是读取本采集点的水位，微控制器通过低频发送器发送信息，由低频线圈产生磁场发送出去。发送完成后微控制器将低频收发器设置于接收状态，回到睡眠模式。如果接收到的不是读取本采集点的水位，微控制器直接回到睡眠模式。窨井水位采集点绝大多数时间处于极低的功耗状态，一次性电池可工作数年。
图3是窨井水位采集点的一种实施例。低频近场通信线圈选用PREMO公司的KGEA-AF/AFC线圈，通信距离达数米，由收发器的功率放大器驱动。微控制器的芯片选用ATMEGA2561，时钟电路的芯片选用TWI接口的RX8025T，数据存储器的芯片选用SPI接口的W25X64。电子水尺选用EMCC9361，量程1.28米，水位分辨率1cm，满足测量要求。低频收发器的芯片采用HUNFC001模块。ATMEGA2561芯片的引脚PB0、PB1、PB2和PB3分别与W25X64的引脚CS、SCK、MOSI和MISO相连，ATMEGA2561对W25X64进行读写，用于水位的读取和存储。ATMEGA2561芯片的引脚PD0、PD1和PB7分别与RX8025T芯片的引脚SCL、SDA和INT相连，ATMEGA2561对RX8025T读取，以获得时间，INT引脚用于对处于低功耗睡眠状态中的ATMEGA2561芯片进行定时唤醒。ATMEGA2561芯片的引脚PD2和PD3分别与电子水尺EMCC9361芯片的引脚RXD和TXD连接，ATMEGA2561读取电子水尺EMCC9361的水位。ATMEGA2561芯片的引脚PE0和PE1分别与HUNFC001芯片的引脚RXD和TXD引脚相连，实现数据通过近场方式传输。
图4是窨井水位阅读器的组成图，包括微控制器、数据存储器、时钟电路、4G/NB-IoT通信模块、低频收发器和低频近场通信线圈、可充电电池以及太阳能电池板。微控制器是整个阅读器的核心，掌控整个阅读器。数据存储器一般是Flash存储器，用于记录窨井水位值。时钟电路用于系统时间的记录。4G/NB-IoT通信模块用于和服务器的通信，将采集得到的窨井水位上报服务器，也可接收服务器的命令。低频收发器和低频近场通信线圈完成近场无线通信，可将向窨井采集点发送读水位命令，并可接收水位采集点的水位信息响应。水位阅读器由太阳能电池板供电，通过可充电电池蓄电。低频近场通信线圈选用PREMO公司的KGEA-AF/AFC线圈，通信距离达数米，由低频收发器的功率放大器驱动。
窨井水位阅读器工作过程如下：窨井水位阅读器上电后，微控制器首先进行初始化，包括微控制器端口设置、时钟读取、4G/NB-IoT模块的初始设置。初始化完成后低频收发器设置于断电关闭状态，4G/NB-IoT模块设置于和网络保持连接状态，PSM模式进入，等待服务器的命令。时钟电路定时给微控制器产生中断信号，微控制器进入睡眠模式。微控制器可由时钟电路产生的中断信号唤醒，也可由4G/NB-IoT模块网络唤醒。当时钟电路中断唤醒微控制器后，微控制器给低频发送器上电，通过低频发送器发送读取水位采集点水位命令，发送完关闭发送器，打开低频接收电路，等待水位采集点的水位响应，接收完成后关闭接收电路，将水位存储在数据存储器中，微控制器回到睡眠模式。当4G/NB-IoT模块唤醒微控制器后，微控制器开始接收服务器的命令，根据信息内容作出响应。响应完成后，微控制器回到睡眠模式。水位阅读器由太阳能电池板供电，通过可充电电池蓄电，保证在没有太阳的数十天内对阅读器的电能供应。
图5是窨井水位阅读器的一种实施例。4G/NB-IoT通信模块选用SIM7600，微控制器的芯片选用ATMEGA2561，时钟电路的芯片选用TWI接口的RX8025T，数据存储器的芯片选用SPI接口的W25X64，低频收发器的芯片采用HUNFC001。ATMEGA2561芯片的引脚的PB0、PB1、PB2和PB3分别与W25X64的引脚CS、SCK、MOSI和MISO相连，ATMEGA2561对W25X64进行读写，用于水位的读取和存储。ATMEGA2561芯片的引脚PD0、PD1和PB7分别与RX8025T芯片的引脚SCL、SDA和INT相连，ATMEGA2561对RX8025T读取，以获得时间，INT引脚用于对处于低功耗睡眠状态中的ATMEGA2561定时唤醒。ATMEGA2561芯片的引脚PD2和PD3分别与4G/NB-IoT通信模块的SIM7600芯片的引脚RXD和TXD连接，ATMEGA2561通过4G/NB-IoT通信模块将水位信息发送给服务器。ATMEGA2561芯片的引脚PE0和PE1分别与HUNFC001模块的RXD和TXD引脚相连，实现数据通过近场方式传输。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于近场通信的窨井水位监测系统，其特征在于：包括窨井水位采集点、窨井水位阅读器和服务器；窨井水位采集点安装于窨井内部，窨井水位阅读器安装于地面以上的窨井外部，窨井水位采集点采集水位，通过低频近场通信方式与窨井水位阅读器通信，窨井水位阅读器将读取的水位通过4G/NB-IoT网络上报给服务器。
2.根据权利要求1所述的一种基于近场通信的窨井水位监测系统，其特征在于：低频近场通信使用IEEE 1902.1的长波频段。
3.根据权利要求1所述的一种基于近场通信的窨井水位监测系统，其特征在于：窨井水位采集点包括微控制器、水位传感器、数据存储器、时钟电路、低频收发器和低频近场通信线圈；水位传感器用于测量窨井水位，并将采集到的水位数据传输给微控制器，微控制器将水位值存储在数据存储器中，时钟电路用于系统时间的记录，并产生对微控制器的中断信号，低频收发器和低频近场线圈完成近场无线通信，接收阅读器的命令，并将测量得到的窨井水位发送给阅读器。
4.根据权利要求3所述的一种基于近场通信的窨井水位监测系统，其特征在于：水位传感器采用型号为EMCC9361的电子水尺。
5.根据权利要求4所述的一种基于近场通信的窨井水位监测系统，其特征在于：微控制器的芯片选用ATMEGA2561，数据存储器的芯片选用SPI接口的W25X64，时钟电路的芯片选用TWI接口的RX8025T，低频收发器的芯片采用HUNFC001模块，低频近场通信线圈选用PREMO公司的KGEA-AF/AFC线圈，由收发器的功率放大器驱动；TMEGA2561芯片的引脚PB0、PB1、PB2和PB3分别与W25X64的引脚CS、SCK、MOSI和MISO相连，ATMEGA2561芯片的引脚PD0、PD1和PB7分别与RX8025T芯片的引脚SCL、SDA和INT相连，INT引脚用于对处于低功耗睡眠状态中的ATMEGA2561芯片进行定时唤醒，ATMEGA2561芯片的引脚PD2和PD3分别与EMCC9361芯片的引脚RXD和TXD连接，ATMEGA2561芯片的引脚PE0和PE1分别与HUNFC001芯片的引脚RXD和TXD引脚相连。
6.根据权利要求3所述的一种基于近场通信的窨井水位监测系统，其特征在于：窨井水位阅读器包括微控制器、数据存储器、时钟电路、4G/NB-IoT通信模块、低频收发器和低频近场通信线圈，低频收发器和低频近场通信线圈完成近场无线通信，向窨井采集点发送读水位命令，并接收水位采集点的水位信息发送给窨井水位阅读器的微控制器，窨井水位阅读器的微控制器将窨井水位值存储在窨井水位阅读器的数据存储器中，窨井水位阅读器的时钟电路用于系统时间的记录，4G/NB-IoT通信模块将采集得到的窨井水位数据上报给服务器，并接收服务器的命令。
7.根据权利要求6所述的一种基于近场通信的窨井水位监测系统，其特征在于：窨井水位阅读器的微控制器的芯片选用ATMEGA2561，窨井水位阅读器的数据存储器的芯片选用SPI接口的W25X64，窨井水位阅读器的时钟电路的芯片选用TWI接口的RX8025T，窨井水位阅读器的低频收发器的芯片采用HUNFC001，4G/NB-IoT通信模块的芯片选用SIM7600；ATMEGA2561芯片的引脚的PB0、PB1、PB2和PB3分别与W25X64的引脚CS、SCK、MOSI和MISO相连，ATMEGA2561芯片的引脚PD0、PD1和PB7分别与RX8025T芯片的引脚SCL、SDA和INT相连，INT引脚用于对处于低功耗睡眠状态中的ATMEGA2561定时唤醒，ATMEGA2561芯片的引脚PD2和PD3分别与4G/NB-IoT通信模块的SIM7600芯片的引脚RXD和TXD连接，ATMEGA2561芯片的引脚PE0和PE1分别与HUNFC001模块的RXD和TXD引脚相连。
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