CN111683152A - 一种基于LoRa的地下水道井盖监测系统 - Google Patents

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李耿
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Abstract

本发明公开了一种基于LoRa的地下水道井盖监测系统，井盖监测终端包括井盖本体和监测装置，所述监测装置通过外壳固定在井盖本体的底面，所述外壳内设有单片机、GPS定位模块、角度传感器、光强度传感器、LoRa通信模块、稳压模块和电池，所述单片机通过LoRa通信模块发送警报与监测数据至LoRa基站，所述LoRa基站采用TCP/IP协议将信息传送至云端服务器，所述云端服务器采用HTTP协议实现与PC端Web以及移动端APP的连接。本发明对城市井盖进行实时且持续的监控，减少城市井盖事故的发生。

Description

一种基于LoRa的地下水道井盖监测系统
技术领域
本发明涉及一种基于LoRa的地下水道井盖监测系统，属于低功耗广域网应用技术领域。
背景技术
近年来，城市化进程不断推进，市政公用事业迅猛发展，城市功能也在不断完善，但各地却常有行人和车辆掉落井盖侧翻或破损的下水道的事故，有时也会出现井盖遭到恶意移动或偷窃的情况，造成严重的安全隐患。地下水道的井盖数量众多，分布在城市各处，人工维护的工作量巨大，成本较高，效果也并不显著。
LoRa，作为一种基于扩频技术的长距离无线通信技术，有低功耗、广覆盖、低成本等特点，能够有效满足当今物联网进行大规模部署的相关需求，LoRa工作在非授权的频段，前期的基础设施建设和运营成本低，单个基站可支持数千台终端设备。
发明内容
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供一种基于LoRa的地下水道井盖监测系统，对城市井盖进行实时且持续的监控，减少城市井盖事故的发生。
本发明中主要采用的技术方案为：
一种基于LoRa的地下水道井盖监测系统，包括井盖监测终端、LoRa基站、云端服务器、PC端Web和移动端APP，所述井盖监测终端包括井盖本体和监测装置，所述监测装置通过外壳固定在井盖本体的底面，所述外壳内设有单片机、GPS定位模块、角度传感器、光强度传感器、LoRa通信模块、稳压模块和电池，所述GPS定位模块、角度传感器、光强度传感器分别通过双绞屏蔽线与所述单片机电连接，所述电池经过稳压模块输出稳定电压为单片机和LoRa通信模块供电，所述单片机通过LoRa通信模块发送警报与监测数据至LoRa基站，所述LoRa基站采用TCP/IP协议将信息传送至云端服务器，所述云端服务器采用HTTP协议分别与PC端Web以及移动端APP连接。
优选地，所述监测装置的外壳采用绝缘防水的材料。
优选地，所述井盖监测装置中的单片机为STM32F103单片机。
优选地，所述STM32F103单片机控制监测装置周期性工作，且采用最小错误率贝叶斯决策，当GPS定位模块、角度传感器和光强度传感器中的一个传输的数据被判为异常时，监测装置进入持续测量状态。
优选地，所述云端服务器集中处理各个LoRa基站发送来的监测数据，生成清晰的数据报表发送至PC端Web及移动端APP，用户输入ID号及密码登录，且一个电话号码对应一个ID。
优选地，所述云端服务器采用基于角色的访问控制方法，给不同类别的用户分配不同的操作权限。
有益效果：本发明提供一种基于LoRa的地下水道井盖监测系统，具有如下优点：
(1)当井盖出现异常情况时，单片机产生警报信号，连同GPS定位模块、角度传感器以及光照传感器监测的数据，一块发送给LoRa通信模块，LoRa通信模块将信息发送到LoRa基站；
(2)当井盖无异常情况时，STM32F103控制监测装置周期性工作，可节省能耗；
(3)LoRa工作在非授权的频段，前期的基础设施建设和运营成本低。LoRa的接收电流低至10mA，休眠电流200nA，电池可以使用几年甚至十几年。
附图说明
图1是本发明的系统框图。
图2是本发明的硬件结构图。
图3是本发明的硬件接线图。
图4是本发明的工作流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
如图1和2所示，一种基于LoRa的地下水道井盖监测系统，包括井盖监测终端、LoRa基站、云端服务器、PC端Web和移动端APP，所述井盖监测终端包括井盖本体和监测装置，所述监测装置通过外壳固定在井盖本体的底面，所述外壳内设有单片机、GPS定位模块、角度传感器、光强度传感器、LoRa通信模块、稳压模块和电池，所述GPS定位模块、角度传感器、光强度传感器分别通过双绞屏蔽线与所述单片机电连接，用于信息传递，所述电池经过稳压模块输出稳定电压为单片机和LoRa通信模块供电，所述单片机通过LoRa通信模块发送警报与监测数据至LoRa基站，所述LoRa基站采用TCP/IP协议将信息传送至云端服务器，所述云端服务器采用HTTP协议分别与PC端Web以及移动端APP连接。
优选地，所述监测装置的外壳采用绝缘防水的材料。
优选地，所述井盖监测装置中的单片机为STM32F103单片机。如图3所示，井盖监测装置采用基于STM32F103单片机的嵌入式处理平台。STM32系列单片机是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。它具有512K片内Flash，64K片内ARM，片内Flash支持在线编程(IAP)，多达80个IO(大部分兼容5V逻辑)，4个通用定时器，2个高级定时器，2个基本定时器，3路SPI接口，2路I2S接口，2路I2C接口，5路USART等丰富资源，但该芯片开发周期长，编程复杂，对底层库函数使用和外设要求高，可以满足本设计的需求。LoRa通信模块与GPS定位模块通过USART口与STM32F103进行数据传输，角度传感器与光强度传感器通过IIC通信协议与STM32F103通信，较为均衡地利用了该嵌入式处理平台。
优选地，所述STM32F103单片机控制监测装置周期性工作，且采用最小错误率贝叶斯决策，当GPS定位模块、角度传感器和光强度传感器中的一个传输的数据被判为异常时，监测装置进入持续测量状态，由各个传感模块(GPS定位模块、角度传感器、光强度传感器)监测的数据会经STM32F103单片机发送给LoRa通信模块。
优选地，所述云端服务器集中处理各个LoRa基站发送来的监测数据，生成清晰的数据报表发送至PC端Web及移动端APP，用户输入ID号及密码登录，且一个电话号码对应一个ID。
优选地，所述云端服务器采用基于角色的访问控制方法，给不同类别的用户分配不同的操作权限。本发明中，普通用户可查看附近出现故障的井盖信息，井盖管理维护者可查看所有井盖信息，可以对井盖的状态、出现的事故、是否维修好等信息进行填写、更新等操作。用户输入ID号及密码可登录查看相关信息，一个电话号码对应一个ID。
如图4所示，为本发明的工作流程：
S1：一旦井盖位置变动或发生翻转、破损时，至少GPS定位模块、角度传感器和光强度传感器中某一个测得的数据会出现变化，为避免或减少误判，采用最小错误率贝叶斯决策，追求最小的错误率，即求解一种决策规则，使得：
minP(e)＝∫P(e|x)p(x)dx
Figure BDA0002532670600000041
其中，P(e|x)≥0，p(x)≥0对所有测量值x均成立，P(e|x)为对某个测量值x犯错误的概率，P(e)为总体错误率，w1代表数据正常，w2代表数据异常。
要使P(e)取最小值，即使后验概率P(wi|x)最大化，根据贝叶斯公式求得后验概率：
Figure BDA0002532670600000042
其中，p(x|wi)为先验概率，是已知量，可以统计以往测量值为x时被判定为wi的次数得到。
Figure BDA0002532670600000043
通过上述公式中后验概率的比较，可更精确地判断数据是否真正出现异常，减少错误信号传递。
S2当数据被判为异常时，监测装置进入持续测量状态。由各个传感模块监测的数据会经STM32F103发送给LoRa通信模块。
S3井盖监测终端通过LoRa通信模块发送警报与监测数据至LoRa基站，所述LoRa基站采用TCP/IP协议将信息传送至云端服务器，所述云端服务器集中处理各个LoRa基站发送来的监测数据，生成清晰的数据报表后，采用HTTP协议实现与PC端Web以及移动端APP的连接。
S4当井盖基本恢复原来的状态，则井盖监测终端继续进行周期性工作，多井盖没有回复原来状态，则井盖监测终端持续测量，同时发送警报和检测数据至云端服务器。
本发明中，GPS定位模块确定井盖所在的位置；角度传感器确定井盖的倾角，因井盖固定在地表，它的倾角在正常情况不变或有微小变化；光强度传感器确定监测装置所处环境的光照强度，因监测装置固定在井盖底部，光照强度十分小，漆黑的环境下光照强度没有变化或变化微小。
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 (6)

1.一种基于LoRa的地下水道井盖监测系统，其特征在于，包括井盖监测终端、LoRa基站、云端服务器、PC端Web和移动端APP，所述井盖监测终端包括井盖本体和监测装置，所述监测装置通过外壳固定在井盖本体的底面，所述外壳内设有单片机、GPS定位模块、角度传感器、光强度传感器、LoRa通信模块、稳压模块和电池，所述GPS定位模块、角度传感器、光强度传感器分别通过双绞屏蔽线与所述单片机电连接，所述电池经过稳压模块输出稳定电压为单片机和LoRa通信模块供电，所述单片机通过LoRa通信模块发送警报与监测数据至LoRa基站，所述LoRa基站采用TCP/IP协议将信息传送至云端服务器，所述云端服务器采用HTTP协议分别与PC端Web以及移动端APP连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于LoRa的地下水道井盖监测系统，其特征是，所述监测装置的外壳采用绝缘防水的材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于LoRa的地下水道井盖监测系统，其特征是，所述井盖监测装置中的单片机为STM32F103单片机。
4.根据权利要求1所述的一种基于LoRa的地下水道井盖监测系统，其特征是，所述STM32F103单片机控制监测装置周期性工作，且采用最小错误率贝叶斯决策，当GPS定位模块、角度传感器和光强度传感器中的一个传输的数据被判为异常时，监测装置进入持续测量状态。
5.根据权利要求1所述的一种基于LoRa的地下水道井盖监测系统，其特征是，所述云端服务器集中处理各个LoRa基站发送来的监测数据，生成清晰的数据报表发送至PC端Web及移动端APP，用户输入ID号及密码登录，且一个电话号码对应一个ID。
6.根据权利要求1所述的一种基于LoRa的地下水道井盖监测系统，其特征是，所述云端服务器采用基于角色的访问控制方法，给不同类别的用户分配不同的操作权限。
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