CN202351671U - 城市窨井远程综合监控数字化信息系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种城市窨井远程综合监控数字化信息系统，包括若干防盗窨井井盖、无线网络节点、GPRS模块、数字化信息系统中心，防盗窨井井盖通过无线网络节点和GPRS模块与数字化信息系统中心建立远程通信连接，通过无线终端节点实时的采集窨井环境信息和井盖状态并上传至数字化信息系统中心，在井盖被盗或是损坏的情况下，能够及时的以声光报警和短信的模式告知相关部门或者管理人员并实现对井盖的远程控制，避免了由于窨井井盖被盗或损坏而出现的人员车辆安全隐患问题以及井下线缆和设备丢失的问题。同时将监控中的窨井数据进行WEB发布，实现数据共享，构建了巡查、处理、监督三位一体的综合信息管理平台，提高了数字化城市建设的水平，提升了城市形象和竞争力。

Description

城市窨井远程综合监控数字化信息系统

技术领域

本实用新型涉及一种远程监控数字化信息系统，尤其涉及一种城市窨井远程综合监控数字化信息系统。 

背景技术

对于城市窨井监控系统产品的研发，国内主要有以下现有技术： 

1.长沙高新开发区玺天科技开发有限公司的“信号旗井盖防盗系统”，采用井下有线信号传输，井盖前置传感装置为一种集报警、数字编解码、GPS地理位置信号接收为一体的触发装置，通过一根信号线与GSM报警主机相连，同时通过特殊的电路设计与数字编解码技术相结合，可对单元内任一井盖实现GPS全球精确定位，便于与报警指挥中心GIS地理信息平台相结合，进行实时监控和指挥调度，因使用有线传输，施工成本提高，会出现断线可导致整个信号回路中断。 

2.深圳市中朗科技发展有限公司研制的“WELOCK-1型窨井盖防盗电子密码锁系统”，采用电子锁和电子钥匙，结合密码烧制技术，做到一对一开启，但未实现联网及井盖位置定位功能。 

3.专利号200810070351.4，公开了一种窨井集群远程监测管理系统，在窨井盖被盗和损坏的情况下，发送窨井的地址编码到数据管理中心，以及时对窨井进行维修和维护。但该系统只实现对井盖状态的采集，对于窨井内的环境信息采集并未涉及，功能有限而且缺少对井盖的远程控制。 

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提供一种城市窨井远程综合监控数字化信息系统，它具有位置定位，信号稳定，成本低廉的优点。 

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案： 

一种城市窨井远程综合监控数字化信息系统，包括若干防盗窨井井盖、若干无线网络节点、GPRS模块、数字化信息系统中心，防盗窨井井盖通过无线网络节点和GPRS模块与数字化信息系统中心建立远程通信连接。 

防盗窨井井盖内侧装有电动锁，内侧的电动锁与外部送电装置连接； 

防盗窨井井盖：井盖的开启方式有两种，一种是通过电动锁钥匙开启另一 种是通过数字化信息系统中心进行远程开启。 

无线网络节点通过自组网形成一个或是若干个无线网络，在无线网络中至少有一个无线网络节点通过串口与GPRS模块连接，并且通过GSM/GPRS网络与数字化信息系统中心建立无线通信； 

无线网络节点按照功能的不同分为网络协调器、路由器和若干无线终端节点，其中无线终端节点与防盗窨井井盖一一对应，并且汇集到路由器，所述路由器与网络协调器连接。 

网络协调器：用来搭建网络并给其他加入此网络的节点分配网络短地址； 

路由器：负责建立、搜寻数据包路径； 

无线终端节点：由唯一的ID号进行标识，用来采集并上传窨井环境信息和井盖状态。 

网络协调器和路由器包括电源模块、数据处理和控制模块、通信模块，无线终端节点包括电源模块、数据采集模块、数据处理和控制模块、通信模块，数据处理和控制模块与数据采集模块连接，并且通过SPI总线与通信模块相连接，电源模块分别与数据采集模块、数据处理和控制模块、通信模块连接。 

电源模块：负责给数据采集模块、数据处理和控制模块、通信模块供电。 

数据采集模块上集成了温湿度传感器、可燃性气体传感器、光敏传感器、传感器通用接口，并且通过A/D输入与数据处理和控制模块连接，所述光敏传感器安装在防盗窨井井盖内侧，经过调理电路与数据处理和控制模块主控制芯片的P1.0端口连接； 

温湿度传感器：采集窨井的温度和湿度； 

可燃性气体传感器：采集窨井里的可燃性气体浓度百分比； 

光敏传感器：用来监测井盖状态； 

传感器通用接口：包括SPI、I²C、单总线和模拟量输入，能够自动辨别该传感器类型，将其中两条线作为总线类型选择，则可以选择四种输入方式：00，SPI接口；01，IIC接口；10，单总线接口；11，模拟量输入，另外两条线则作为传感器类型选择，用来判断接入的是何种设备。 

数据处理和控制模块的主控制芯片为STC12C5A60S2系列LQFP-44，主控制芯片上设有8路12位A/D输入、PWM调制电路、内部60K Flash、看门狗、定 时器电路、I/O接口、SPI接口； 

数据处理和控制模块：是目前最流行的国产单片机STC单片机中功能最强大的一种，基本上覆盖了市面常见的各类传感器接口，方便以后扩展无线节点。 

通信模块的主控制芯片为UM2455，主控制芯片上设有SPI接口、16个扩频通信信道，SPI接口通过SPI总线与数据处理和控制模块连接，SI引脚连接数据处理和控制模块的MOSI引脚，SO引脚连接数据处理和控制模块的MISO引脚。 

通信模块：负责各个无线节点之间进行无线通讯，工作于(2.4-2.48GHz)ISM免费频段的，具有16个扩频通信信道的，传输速率为625Kbps，具有CSMA-CCA功能，采用直接序列扩频通讯，抗干扰力强。工作电压为2.4-3.6V，可以采用电池供电，发射电流20mA，接收电流23mA。覆盖范围可以从几十米到几百米。当处于休眠状态时，其休眠态耗电仅1uW。 

数字化信息系统中心设置在监控中心，它包括数据库管理系统、远程综合监控系统、数据WEB发布系统，远程综合监控系统所在的计算机通过RS232串口与GSM/GPRS网络终端GPRS无线通信模块连接，数据WEB发布系统所在的服务器通过防火墙和Internet网络与用户计算机连接。 

数字化信息系统中心：采用以数据库管理系统所在的数据库服务器为核心的集成构架，承担通信控制、数据解析、数据存储、WEB服务等功能。 

数据库管理系统存储有窨井配置信息、实时监测记录、历史记录； 

窨井配置信息包括窨井位置、井口井盖识别编码、井盖安装日期、井下温湿度阈值、井下可燃性气体浓度上限数值、窨井归属部门、负责人、联系电话； 

实时监测记录包含窨井位置、井口井盖状态、井下温湿度数值、井下气体浓度、无线终端节点模块状态、监测时间； 

历史记录包括报警事件、采样数据以及操作日志；所述报警事件包括报警类型、报警时间、维修时间、处理措施，报警类型分为井盖故障、井盖异常开启、井下可燃性气体浓度超标、井下温湿度超限、无线终端节点故障；采样数据包括井盖状态、井下温湿度、井下检测气体浓度、无线终端节点状态；操作日志包括系统运行、系统关闭、监控数据的备份、报警确认系统操作事件。 

远程综合监控系统包括无线数据接收与处理子系统、窨井实时信息子系统、报警及处理子系统、井盖远程开启子系统； 

远程综合监控系统：是数字化信息系统中心最重要的支撑系统，以城市电子地图为媒介，曲线、列表等形式动态信息显示，对监控的窨井进行可视化高效管理。 

无线数据接收与处理子系统：主要用于接收无线网络节点发送的监测数据，根据制定的通信协议，对接收到的数据流解析、识别，同时存储到数据库管理系统所在的服务器上； 

窨井实时信息子系统：以GIS组件为应用支撑层，利用绘制的电子地图和每个窨井井盖唯一的识别编码，实现电子地图中井口的准确定位，同时以曲线、列表等形式动态显示窨井的环境信息和井盖状态； 

报警及处理子系统：主要提供异常报警的应对措施。报警事件发生时，GIS电子地图将对故障地点进行准确定位，显示故障点信息，系统进行声光报警同时发送报警短信给相关部门、管理人员，提醒相关部门、人员进行及时检修，系统同时将记录所有的报警数据和处理信息； 

井盖远程开启子系统：实现了监控中心远程控制井盖的开启操作功能。 

数据WEB发布系统采用Browser/Server体系架构； 

数据WEB发布系统完成城市窨井监测数据的WEB发布，提供数据共享功能，构建城市窨井专题信息模块，各级部门和授权用户可通过Internet进行窨井信息的浏览、查询、打印。 

本实用新型所利用的技术包括： 

1.无线网络自组网技术 

本实用新型采用四层结构的无线网络协议栈模型，该协议栈包括物理层、数据链路层、网络层和应用层。物理层提供简单的信号调制和无线收发技术，为网络中的通讯设备提供透明的数据流传输。本实用新型采用UM2455无线收发芯片，省去了激活和能量监测等物理层硬件功能实现，只需要完成物理层监控芯片发送情况的软件功能；数据链路层实现的主要功能是产生并发送信标帧，为两个对等的实体提供可靠的数据链路；在网络层中，协调器负责建立起一个新的网络并为新加入的无线网络节点分配短地址，提供路由发现和邻居发现功能。应用层协议根据本实用新型需要主要包括井盖远程开启、关闭命令的下达以及窨井温湿度、气体浓度、井盖状态等参数的上传。 

应用层
	网络层
数据链路层
	物理层

2.GSM/GPRS网络技术 

在无线网络中，包括协调器、路由器和无线终端节点，至少有一个无线网络节点通过串口和GSM/GPRS模块连接到GSM/GPRS网络中。 

GPRS模块为西门子GSM/GPRS双模模块MC35i，内嵌有无线GPRS模块，包括电源、3V SIM卡、RS232接口、语音管脚、控制管脚、50Ω天线接口，并且通过串口与数据处理和控制模块的主控制芯片主控制芯片LQFP-44连接； 

GPRS模块：它采用紧凑型设计，完全兼容于上一代的MC35产品，为用户提供了简单，MC35i体积小巧，功耗低，能提供数据、语音、短信、传真功能，可作为理想的高速数据传输解决方案。支持EGSM900/GSM1800双频，GRPS Class8/Class B，以及GSM phase2/2+，输出功率在EGSM900为2W，GSM1800为1W；输入电压为3.3-4.8V，休眠状态时的功耗最大为3.50mA；空闲状态为25.0mA；发射状态为300mA(平均)。CSD状态下的最大速率14.4kbps，GPRS状态下行最大速率85.6kbps。 

3.GIS信息处理技术 

数字化信息系统中心，基于GIS组件进行二次开发，根据窨井井盖的安装位置和标识编码，在电子地图中对窨井进行标记实现井盖的准确定位； 

在该系统提供的GIS功能中包含电子地图的放大、缩小、漫游、测距以及窨井定位、、街道查询功能，可显示全城、区域、某一道路所有监控窨井的实时信息。 

本实用新型的有益效果： 

本实用新型通过无线终端节点实时的采集窨井环境信息和井盖状态并上传至数字化信息系统中心，在井盖被盗、损坏以及窨井内的温湿度、可燃性气体浓度超限的情况下，通过GIS电子地图准确定位，多视角显示故障点信息，同时以 声光报警和短信的模式告知相关部门或者管理人员，避免了由于窨井井盖被盗或损坏而出现的人员车辆安全隐患问题以及井下线缆和设备丢失的问题。解决了专利号200810070351.4窨井集群远程监测管理系统采集信息单一的缺点，同时也实现了对窨井井盖的远程控制功能，将监控中的窨井数据进行WEB发布，实现数据共享，构建了巡查、处理、监督三位一体的综合信息管理平台，提高了数字化城市建设的水平，提升了城市形象和竞争力。 

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图； 

图2为无线终端节点示意图； 

图3为通用的传感器硬件接口电路图； 

图4为无线节点主控制器电路图； 

图5为通信模块电路图； 

图6为GPRS模块外围接口电路图。 

其中，1.网络协调器，2.路由器，3.无线终端节点，4.防盗窨井井盖，5.GPRS模块，6.GSM/GPRS网络，7.数字化信息系统中心，8.数据库管理系统，9.远程综合监控系统，10.数据WEB发布系统，11.防火墙，12.Internet网络，13.用户计算机，14.电源模块，15.数据采集模块，16.数据处理和控制模块，17.通信模块，18.SPI总线接口，19.I2C总线接口，20.单总线，21.模拟量接口，22.通用接口。 

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。 

如图1所示，本实用新型包括防盗井盖4、无线网络节点、GPRS模块5和数字化信息中心7；其中，每一个无线终端节点3和一个井盖4相对应，由唯一的ID号进行标识，无线终端节点采集与它相对应的井盖信息以及窨井的环境信息；所有无线节点组成一个无线网络，首先由网络协调器1启动一个网络的建立过程对信道进行扫描选择一个空闲的信道，然后设置自己的网络PAN ID，十六位的网络地址以及拓扑结构等参数设置完成后，一个无线网络基本搭建完成。 

在无线网络搭建成功之后，路由器2或无线终端节点3通过网络协调器1加入到网络中，并分配相应的网络短地址，利用Zigbee技术实现无线节点之间数据的传输。无线节点之间进行通信的时候，发送方会向网络中发送一帧信息， 这帧信息包含三个字段分别是MAC帧头、Net帧头和数据负载。对于无线终端节点3的数据负载就是采集到的窨井环境信息和井盖状态数据。此网络中的其他无线节点在收到这帧信息后对数据包进行解析，得到源地址和目的地址；如果目的地址是自己则由数据处理和控制模块对数据进行相应的处理，如果不是自己则将这帧信息进行转发。根据当前节点是否为网络协调器1判断是往上还是往下搜索，不管是往上还是往下搜索都要从每一层的路由节点开始，判断目标节点是否在该层，若不在则继续搜索直到第零层或是最大深度，经过一层层的传递信息最终送达目的地址，节点还可以对于非法进出、破坏和盗窃等行为进行有效监控。 

在无线网络节点中至少有一个节点和GPRS模块5进行通信，通过GSM/GRPS网络6将井盖数据上传至数字化信息中心7。数字化信息中心7的数据库服务器通过串口与GPRS模块连接，接收无线网络节点信息包括线缆井实时信息、报警信息；同时数字化信息中心7的WEB服务器通过Internet将这些信息发布到各级部门和授权用户13。当数字化信息中心7发现井盖4损坏或是窨井内的可燃性气体浓度过高时就会自动报警，报警事件上传之后通过GIS电子地图对故障地点进行准确定位，显示故障点信息，系统进行声光报警同时发送报警短信给相关部门管理人员，提醒相关部门、人员进行及时检修，远程综合监控系统9接收到无线终端节点3远程开启的指令时，根据无线终端节点3的唯一识别编码通过GSM/GRPS网络6发送防盗窨井井盖4开锁密码指令，无线终端节点3根据反馈回来的密码指令，自动开启防盗窨井井盖4，维护人员可进行检修工作。 

数据库管理系统8存储有防盗窨井井盖4识别编码、防盗窨井井盖4安装日期、井下温湿度阈值、井下可燃性气体浓度上限数值、窨井归属部门、负责人、联系电话等窨井配置信息以及系统运行、关闭、监控数据备份、报警确认等系统操作事件；远程综合监控系统9中监测的窨井环境信息和防盗窨井井盖4状态上传到数据库管理系统8中，WEB发布系统10所在的服务器通过读取数据库管理系统8，在防火墙11防止恶意攻击的安全保护下，通过Internet网络12将窨井监控数据发布，实现数据共享功能，构建城市窨井专题信息模块，各级部门和授权用户计算机13可通过Internet网络12进行窨井信息的浏览、查询、打印。 

如图2所示，无线终端节点3由电源模块14、数据采集模块15、数据处理和控制模块16以及通信模块17组成。电源模块14负责给数据采集模块15、数 据处理和控制模块16以及通信模块17供电，数据采集模块15上面集成有温湿度传感器、可燃性气体传感器以及光敏传感器，用来采集井盖状态以及窨井的环境信息；其中温湿度传感器采集窨井的温度和湿度，可燃性气体传感器采集窨井里的可燃性气体浓度百分比；当窨井里的可燃性气体浓度百分比或是温湿度高于限定值传感器就会产生电信号送到数据处理和控制模块16产生报警。 

如图3所示，为了方便在现有传感器基础上扩展新的传感器，设计了一种通用的硬件接口。该硬件接口可以方便挂载各种类型接口的传感器，包括SPI、I²C、单总线和模拟量输入。而且传感器模块插入时，设备能够自动辨别该传感器是何种传感器，采用什么样的接口，不需要人为加以干预。需要挂载的传感器线路板上，根据功能和接口的不同，将管脚以拉高或是拉低的方式通知主控板现在挂载的是何种设备。通过这种方式，可以在不需要改动电路的情况下获得灵活的使用配置，将其中两条线作为总线类型选择，则可以选择四种输入方式：00，SPI接口；01，IIC接口；10，单总线接口；11，模拟量输入。另外两条线则作为传感器类型选择，用来判断接入的是何种设备。 

如图4所示，无线节点数据处理和控制模块16芯片为STC12C5A60S2系列LQFP-44，内部有8路12位A/D输入，PWM调制电路，普通I/O接口，SPI等等，基本上覆盖了市面常见的各类传感器接口，通过内部的A/D输入可以很方便的采集模拟量传感器信号。数据处理和控制模块16主芯片LQFP-44通过SPI接口和通信模块17进行连接，LQFP-44的MOSI引脚连接通信模块17主芯片的MOSI引脚，LQFP-44的MISO引脚连接通信模块17主芯片的MISO引脚；即在通信模块17主芯片使能前提下，数据处理和控制模块16的数据输出/输入，通信模块17数据输入/输出。 

如图5所示，通信模块17的主控制芯片为UM2455，所有的无线网络节点都通过通信模块17进行无线通信。UM2455芯片通过SPI口与数据处理和控制模块16进行连接，当有节点发来信息时，UM2455以中断方式向数据处理和控制模块16提出请求，数据处理和控制模块16进入中断后读取相应的寄存器来判断是接收还是发送中断，如果是接收则进入相应的数据接收处理子程序。 

如图6所示，GPRS模块5为新一代西门子GSM/GPRS双模模块MC35i，它通过串口和无线节点的主控制芯片LQFP-44连接，无线节点将窨井环境信息和井 盖信息传到G网终端的GPRS模块5，并由GPRS模块通过GSM/GPRS网络6将监测数据上传至数字化信息系统中心7。 

Claims (7)

1.一种城市窨井远程综合监控数字化信息系统，其特征是，包括若干防盗窨井井盖、若干无线网络节点、GPRS模块、数字化信息系统中心，所述防盗窨井井盖通过无线网络节点和GPRS模块与数字化信息系统中心建立远程通信连接。

2.如权利要求1所述城市窨井远程综合监控数字化信息系统，其特征是，所述防盗窨井井盖内侧装有电动锁，内侧的电动锁与外部送电装置连接。

3.如权利要求1所述城市窨井远程综合监控数字化信息系统，其特征是，所述无线网络节点通过自组网形成一个或是若干个无线网络，在无线网络中至少有一个无线网络节点通过串口与GPRS模块连接，并且通过GSM/GPRS网络与数字化信息系统中心建立无线通信；

所述无线网络节点按照功能的不同分为网络协调器、路由器和若干无线终端节点，无线终端节点与防盗窨井井盖一一对应，并且汇集到路由器，所述路由器与网络协调器连接。

4.如权利要求3所述城市窨井远程综合监控数字化信息系统，其特征是，所述网络协调器和路由器包括电源模块、数据处理和控制模块、通信模块，所述无线终端节点包括电源模块、数据采集模块、数据处理和控制模块、通信模块，所述数据处理和控制模块与数据采集模块连接，并且通过SPI总线与通信模块相连接，所述电源模块分别与数据采集模块、数据处理和控制模块、通信模块连接。

5.如权利要求4所述城市窨井远程综合监控数字化信息系统，其特征是，所述数据处理和控制模块的主控制芯片为STC12C5A60S2系列LQFP-44；

所述数据采集模块上集成了温湿度传感器、可燃性气体传感器、光敏传感器、传感器通用接口，并且通过A/D输入与数据处理和控制模块连接，所述光敏传感器安装在防盗窨井井盖内侧，经过调理电路与数据处理和控制模块主控制芯片的P1.0端口连接；

所述通信模块的主控制芯片为UM2455，主控制芯片上设有SPI接口、16个扩频通信信道，SPI接口通过SPI总线与数据处理和控制模块连接，SI引脚连接数据处理和控制模块的MOSI引脚，SO引脚连接数据处理和控制模块的MISO引脚。

6.如权利要求1所述城市窨井远程综合监控数字化信息系统，其特征是，所述GPRS模块为西门子GSM/GPRS双模模块MC35i，内嵌有无线GPRS模块，并 且通过串口与数据处理和控制模块的主控制芯片LQFP-44连接。

7.如权利要求1所述城市窨井远程综合监控数字化信息系统，其特征是，所述数字化信息系统中心设置在监控中心，它包括数据库管理系统、远程综合监控系统、数据WEB发布系统，所述远程综合监控系统所在的计算机通过RS232串口与GSM/GPRS网络终端GPRS无线通信模块连接，所述数据WEB发布系统所在的服务器通过防火墙和Internet网路与用户计算机连接。 

Images