CN112177047A - 一种基于NB-IoT的新型感知井盖一体化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于NB‑IoT的新型感知井盖一体化装置，包括MCU模块、以及与MCU模块双向电连接的开关及指示模块、电源以及电源管理芯片模块、气体/烟雾监测模块、光感监测模块、温度监测模块、NB‑IoT无线传输模块、倾斜角监控模块和超声测距及水位溢满模块，MCU模块用于监测各个传感器单元；开关及指示模块用于设备开关和指示设备的运行状态；气体/烟雾监测模块用于检测各种气体浓度以及进行烟雾探测；光感监测模块用于检测周边环境光照强度；温度监测模块用于检测设备内部温度；所述倾斜角监控模块采用3轴加速度计；超声测距及水位溢满模块中，采用超声测距模块定时的测量井道内水位距离；水位溢满模块用于超声测距有最小距离限定。
Description
技术领域
本发明属于物联网技术领域，具体涉及一种基于NB-IoT的新型感知井盖一体化装置。
背景技术
物联网概念由提出到现在经过接近20年的发展，已经慢慢融入社会生产与活动中，比如智能家居，智慧交通，智慧医疗，智慧城市等领域。
井盖是连接地面和地下的主要载体，是海绵城市，地下管廊等基础设施的重要组成部分，对于井盖智能化或者物联网化研究意义非凡。传统的智能井盖基本采用如下方案：1)GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线服务)结合倾斜传感器方案；2)采用中短距离低功耗无线技术如433M再结合传感器，搭载433M网关方案。上述方案存在如下几方面问题：1)低功耗问题，井盖下无法取电，产品低功耗设计非常重要；2)无线传输问题，生铁井盖对于设备信号屏蔽非常厉害，GPRS在信号覆盖好的地方传输正常，信号偏弱的地方则无法通讯；3)防盐雾，防油污，防震动等结构设计问题，井盖内外部环境复杂，对于设备防护等级要求比较高；4)不同井道周边环境测试不充分问题，污水井需要测试是否有可燃气体以及有毒气体，电力井需要测试是否有黑烟等。5)其他，包括方案成本高，组网安全，施工安全等诸多因素，如433M网关方案，节点增加，成本增加，通讯的可靠性削弱。综上井盖的智能化管理问题一直未得到规模化解决。
发明内容
鉴于以上存在的技术问题，本发明用于提供一种基于NB-IoT的新型感知井盖一体化装置。NB-IoT，即窄带物联网(Narrow Band Internet of Things)正成为万物互联网络的一个重要分支。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种基于NB-IoT的新型感知井盖一体化装置，包括MCU模块、以及与MCU模块双向电连接的开关及指示模块、电源以及电源管理芯片模块、气体/烟雾监测模块、光感监测模块、温度监测模块、NB-IoT无线传输模块、倾斜角监控模块和超声测距及水位溢满模块，
所述MCU模块用于监测各个传感器单元，通NB-IoT网络将井盖状态以及周边环境上报给云端系统；
开关及指示模块用于设备开关和指示设备的运行状态，其中开关采用磁控开关设置在电源以及电源管理芯片模块与MCU模块之间，指示采用红绿双色灯，当磁铁近场靠近设备时，设备开机，红绿灯交替快闪3次；设备关机，红灯快闪3次；设备驻留到运营商网络或者NB-IoT专用网络，当设备驻留到网络时，绿灯快闪3次；
所述气体/烟雾监测模块用于检测各种气体浓度以及进行烟雾探测，根据不同的应用场景使用不同的监测模块，硬件上采用模块化结构设计方案；
所述光感监测模块用于检测周边环境光照强度；
所述温度监测模块用于检测设备内部温度；
所述倾斜角监控模块采用3轴加速度计，用于精准的测量出井盖的倾斜角度，系统根据预先设置定的阈值，确定是否上报云平台系统；
所述超声测距及水位溢满模块中，采用超声测距模块定时的测量井道内水位距离，到达系统预先设置的阈值后，发出预警或者报警；水位溢满模块用于超声测距有最小距离限定，使用溢满功能做互补。
优选地，MCU模块采用STM32L超低功耗系列主控芯片。
优选地，所述气体/烟雾监测模块通过I/O口与MCU模块关联。
优选地，所述气体/烟雾监测模块通过I/O口与MCU模块关联。
优选地，NB-IoT无线传输模块通过串口和MCU模块关联。
优选地，倾斜角监测模块通过I/O口与MCU模块关联。
优选地，超声测距模块通过串口和MCU模块关联，水位溢满模块通过I/O与MCU模块关联。
采用本发明具有如下的有益效果：本发明提出一种基于NB-IoT的新型感知井盖一体化装置来解决智能井盖管理问题。NB-IoT是一种低成本，远距离低功耗的无线通信技术，其技术特点如下：1)深度覆盖，是GSM/GPRS 20倍的穿透能力；2)海量连接，一个小区可连接5万个终端；3)低功耗，低成本；4)容易部署，在现有运营商基础上升级即可实现基站部署。新型感知井盖一体化装置集成了倾斜传感模块、超声测距模块、水位溢满、非接触式开关、温度模块、光感模块、气体/烟雾监测模块以及电源芯片管理模块，满足通用型井盖以及井盖环境监测需求。
附图说明
图1为本发明实施例的基于NB-IoT的新型感知井盖一体化装置的原理框图；
图2为采用本发明实施例的基于NB-IoT的新型感知井盖一体化装置的组网示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
参照图1，所示为本发明实施例的基于NB-IoT的新型感知井盖一体化装置的原理框图，其包括MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)模块、以及与MCU模块双向电连接的开关及指示模块、电源以及电源管理芯片模块、气体/烟雾监测模块、光感监测模块、温度监测模块、NB-IoT无线传输模块、倾斜角监控模块和超声测距及水位溢满模块，其中MCU模块用于监测各个传感器单元，通NB-IoT网络将井盖状态以及周边环境上报给云端系统；开关及指示模块用于设备开关和指示设备的运行状态，其中开关采用磁控开关设置在电源以及电源管理芯片模块与MCU模块之间，指示采用红绿双色灯，当磁铁近场靠近设备时，设备开机，红绿灯交替快闪3次；设备关机，红灯快闪3次；设备驻留到运营商网络或者NB-IoT专用网络，当设备驻留到网络时，绿灯快闪3次；气体/烟雾监测模块用于检测各种气体浓度以及进行烟雾探测，根据不同的应用场景使用不同的监测模块，硬件上采用模块化结构设计方案；光感监测模块用于检测周边环境光照强度；温度监测模块用于检测设备内部温度；倾斜角监控模块采用3轴加速度计，用于精准的测量出井盖的倾斜角度，系统根据预先设置定的阈值，确定是否上报云平台系统；超声测距及水位溢满模块中，采用超声测距模块定时的测量井道内水位距离，到达系统预先设置的阈值后，发出预警或者报警；水位溢满模块用于超声测距有最小距离限定，使用溢满功能做互补。
具体应用实例中，装置以STM32L超低功耗系列作为主控单元，监测各个传感器单元，通NB-IoT网络将井盖状态以及周边环境上报给云端系统。STM32L超低功耗系列为意法半导体生产的芯片。
电源以及电源管理芯片模块中，电源管理芯片通过升压和降压为外围传感器精准供电。通过电源管理芯片以及计量计功能可以测量装置电流，电压，监测整机功耗以及电池的剩余电量，当电量不足20％时，向云端发送电量告警。
气体/烟雾监测模块通过I/O口与MCU模块关联，气体监测模块可以检测氧气、一氧化碳、甲烷、二氧化硫等气体，达到系统标定浓度后产生告警；烟雾探测模块，可以检测烟雾以及水雾浓度，达到一定浓度后产生告警。上述I/O通过中断告知MCU模块达到指定浓度，MCU模块将告警通过NB-IoT模块发出。
光感监测模块通过I/O口与MCU模块关联，光感到达指定光照度，通过中断告知MCU模块，MCU模块将告警通过NB-IoT模块发出。
温度模块通过I/O口与MCU模块关联，温度内置装置内部，内外部环境温度存在一定差距，内部温度到达指定数值后，MCU模块将告警通过NB-IoT无线传输模块发出。
NB-IoT无线传输模块通过串口和MCU模块关联，MCU模块收到告警后或者到达指定数据保活时间，将数据内容发送到物联网平台。
倾斜角监测模块通过I/O口与MCU模块关联，倾斜角采用3轴重力加速度计，可以精确测量装置倾斜角度，当装置倾斜角度达到系统设定角度后，触发中断通知MCU,MCU将告警通过NB-IoT模块发出。
超声测距及水位溢满模块，超声测距模块通过串口和MCU模块关联，系统内部定时使用超声测距进行水位测试，当发现水位显著上升，则加快内部定时器，直到触发水位预警或者告警，MCU将告警通过NB-IoT模块发出。水位溢满模块，通过I/O与MCU相关联，水位溢满通过正负极导通的原理来触发中断，MCU将告警通过NB-IoT模块发出。
通过本发明实施例提供的基于NB-IoT的新型感知井盖一体化装置，其设置在各个井盖分布点，数据业务流部分如下：
新型感知井盖装置支持移动物联网平台(如移动ONENET物联网平台)接入，支持电信天翼物联网平台接入，支持联通UDP方式数据包透传，支持华为OC物联平台接入以及其他专网平台接入。流程如下：
1)NB-IoT无线通信模块驻留到NB基站上面；
2)根据驻留的基站小区选择对应的物联网平台接入；
3)接入物联网平台后进行数据通信。
3.1上行数据
装置检测到告警数据，主动进行上报。
装置定时发送保活数据包，上报云平台系统。
3.2下行数据
云平台向装置下发配置如保活时间、光亮阈值、水位阈值、倾斜角阈值等参数。
云平台向装置下发软件版本进行装置升级。
上述过程完成了装置与云平台之间消息互动过程，云平台对装置可控可管。
应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本发明的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。
Claims (7)
1.一种基于NB-IoT的新型感知井盖一体化装置，其特征在于，包括MCU模块、以及与MCU模块双向电连接的开关及指示模块、电源以及电源管理芯片模块、气体/烟雾监测模块、光感监测模块、温度监测模块、NB-IoT无线传输模块、倾斜角监控模块和超声测距及水位溢满模块，
所述MCU模块用于监测各个传感器单元，通NB-IoT网络将井盖状态以及周边环境上报给云端系统；
开关及指示模块用于设备开关和指示设备的运行状态，其中开关采用磁控开关设置在电源以及电源管理芯片模块与MCU模块之间，指示采用红绿双色灯，当磁铁近场靠近设备时，设备开机，红绿灯交替快闪3次；设备关机，红灯快闪3次；设备驻留到运营商网络或者NB-IoT专用网络，当设备驻留到网络时，绿灯快闪3次；
所述气体/烟雾监测模块用于检测各种气体浓度以及进行烟雾探测，根据不同的应用场景使用不同的监测模块，硬件上采用模块化结构设计方案；
所述光感监测模块用于检测周边环境光照强度；
所述温度监测模块用于检测设备内部温度；
所述倾斜角监控模块采用3轴加速度计，用于精准的测量出井盖的倾斜角度，系统根据预先设置定的阈值，确定是否上报云平台系统；
所述超声测距及水位溢满模块中，采用超声测距模块定时的测量井道内水位距离，到达系统预先设置的阈值后，发出预警或者报警；水位溢满模块用于超声测距有最小距离限定，使用溢满功能做互补。
2.如权利要求1所述的基于NB-IoT的新型感知井盖一体化装置，其特征在于，MCU模块采用STM32L超低功耗系列主控芯片。
3.如权利要求2所述的基于NB-IoT的新型感知井盖一体化装置，其特征在于，所述气体/烟雾监测模块通过I/O口与MCU模块关联。
4.如权利要求2所述的基于NB-IoT的新型感知井盖一体化装置，其特征在于，所述气体/烟雾监测模块通过I/O口与MCU模块关联。
5.如权利要求2所述的基于NB-IoT的新型感知井盖一体化装置，其特征在于，NB-IoT无线传输模块通过串口和MCU模块关联。
6.如权利要求2所述的基于NB-IoT的新型感知井盖一体化装置，其特征在于，倾斜角监测模块通过I/O口与MCU模块关联。
7.如权利要求2所述的基于NB-IoT的新型感知井盖一体化装置，其特征在于，超声测距模块通过串口和MCU模块关联，水位溢满模块通过I/O与MCU模块关联。
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| CN201910585058.XA CN112177047A (zh) | 2019-07-01 | 2019-07-01 | 一种基于NB-IoT的新型感知井盖一体化装置 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN114120579A (zh) * | 2021-11-26 | 2022-03-01 | 广东电网有限责任公司 | 一种智能井盖监测系统、方法、设备及存储介质 |
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2019
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