CN203562081U - 一种基于压电效应的井盖安全监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于压电效应的井盖安全监控系统，包含嵌入式网关、GPRS模块、Web服务器和带井盖报警器的ZigBee网络模块；该带井盖报警器的ZigBee网络模块与嵌入式网关通过信号连接，嵌入式网关与GPRS模块通过信号连接，GPRS模块与Web服务器通过信号连接；带井盖报警器的ZigBee网络模块，包括若干个井盖报警器，井盖报警器与ZigBee路由器通过信号连接，ZigBee路由器和ZigBee协调器通过信号连接。井盖报警器包括ZigBee控制器、A/D采集器、嵌入式压电模块、自报警模块以及传感器，A/D采集器、嵌入式压电模块、自报警模块以及传感器分别与ZigBee控制器通过信号连接。本实用新型的有益效果在于：具有自供电和自报警功能，形成井盖的分布式监控网络系统。

Description

一种基于压电效应的井盖安全监控系统

技术领域

本发明涉及井盖安全技术领域，尤其是一种基于压电效应的井盖安全监控系统。

背景技术

据调查统计，中国一般规模城市中市政井盖每年被盗数量占整个城市市政井盖保有量的1%左右，被盗井盖数量巨大，造成市政运营成本增加；井盖处于室外，长期经受外力作用，容易破裂损坏，对过往车辆和行人造成陷阱危险；另外下水道如果未按时清淘造成淤积，长时间累积形成沼气浓度过高，易诱发沼气中毒、爆炸等危险事件。这些存在的问题必须想办法进行解决。

传统的井盖防盗技术一般是从机械结构方面设计其防盗功能，由于受制造技术和现场使用环境的影响，最终实施效果不好，不能有效防止偷盗行为发生。市场上也有采用电子报警系统，例如采用3G、GPRS、ZigBee等网络技术，对井盖进行安全监控的，但大多使用单一技术，未形成分布式网络监控效果。

一些即使对井盖采用分布式网络监控系统的，其系统供电问题也较难解决，一般采用是高密度的锂电池就近供电或电缆远距离供电。但锂电池易受潮老化，供电质量无法保证，电缆易被破坏，而且架设困难。

实用新型内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于压电效应的井盖安全监控系统，克服了现有技术的不足，具有自报警和自供电功能，形成分布式监控网络，实时交换控制信号。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：提供一种基于压电效应的井盖安全监控系统，包含：

嵌入式网关，所述嵌入式网关用于显示井盖报警器的实时状态和位置数据；

GPRS模块，所述GPRS模块与嵌入式网关信号连接，所述GPRS模块用于接收嵌入式网关传来的报警信息和窨井编码信息，并将其转发到具有固定IP地址的Web服务器中，实现报警数据的上传，同时将上述报警信息和窨井编码信息以短信形式发送给检修人员；

Web服务器，所述Web服务器与GPRS模块信号连接，所述web服务器用于网络信息传输；以及

带井盖报警器的ZigBee网络模块，所述带井盖报警器的ZigBee网络模块与所述嵌入式网关通过信号连接，所述带井盖报警器的ZigBee网络模块用于实时监测带检测的井内的光强度的变化以及气体浓度的变化并实现网路传输。

进一步的，带井盖报警器的ZigBee网络，包括：

若干个井盖报警器，所述若干个井盖报警器用于实时监测带检测的井内的光强度的变化以及气体浓度的变化得到报警信息；

与井盖报警器信号连接的ZigBee路由器，所述Zigbee路由器用于接收并保存报警信息并将井盖报警器的地址信息以及报警信息一起传输给ZigBee协调器；以及

与ZigBee路由器信号连接的ZigBee协调器，用于收集网络中所有井盖报警器的信息并管理网路上的节点，ZigBee协调器与嵌入式网关相连，并将将其处理后的信息传输给嵌入式网关。

再进一步的，井盖报警器包括：

传感器，所述传感器用于检测待检测的井内的光亮以及气体浓度；

与传感器相连的A/D采集器，用于接收来自传感器的信号以及将接收到的信号转换为数字信号；

与A/D采集器相连的ZigBee控制器，用于接收来自A/D采集器的数字信号并将数字信号与ZigBee控制器内设置的预设值比较后输出报警控制信号；

与ZigBee控制器相连的自报警模块，所述自报警模块接收报警控制信号并发出报警信号；

与ZigBee控制器相连的嵌入式压电模块，用于为ZigBee控制器供电。

再进一步的，传感器包括气体传感器以及光敏传感器。

再进一步的，嵌入式压电模块包括压电材料、整流电路、电子开关、超级电容和电源管理电路，所述压电材料通过整流电路与超级电容电连接，所述超级电容以及高密度锂电池通过电子开关与电源管理电路电连接。

再进一步的，电源管理电路包括：

与压电材料相连的控制电路，用于接收压电材料产生的交流电并将交流电转化为直流电；

与控制电路相连的降压电路，用于接收来自控制电路的直流电并将直流电转换为3.3v的电压。

再进一步的，压电材料为PZT-5单晶片，多层单晶片之间采用并联连接方式。

再进一步的，光敏传感器采用视敏型磷砷化镓光敏二极管。

再进一步的，气体传感器采用MH-440V/D红外气体传感器。

再进一步的，ZigBee控制器为针对IEEE802.15.4应用的片上系统CC2530。

本发明的有益效果：一种基于压电效应的井盖安全监控系统，其中，通过嵌入式压电模块和电源管理电路的配合使用，实现了基于压电效应的混合供电模式，无需接市政供电，具有自供电功能，安装方便，降低该系统整体运营成本；井盖报警器上通过设置蜂鸣器和高亮度LED，形成自报警模块，具有自报警功能。通过带井盖报警器的ZigBee网络进行井盖报警信号的采集，然后将信号传输给GPRS模块，GPRS模块通过Web服务器传输给互联网，最后可通过互联网查询和具有短信报警功能，形成了分布式监控网络，具有报警速度快，定位准确，多种模式报警的特点。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1是井盖安全监控系统结构框图。

图2是ZigBee网络的拓扑图。

图3是井盖报警器结构框图。

图4是井盖报警器安装示意图。

图5是嵌入式压电模块结构框图

图6是井盖安全监控系统工作原理流程图。

图中标记，1为井盖报警器，2为ZigBee路由器，3为ZigBee协调器，4为井盖，5为嵌入式压电模块，6为传感器，7为ZigBee控制器，8为自报警模块。

具体实施方式

实施例：下面结合附图对本专利进行进一步说明

本发明专利的技术方案构思为：采用压电效应，即在压电材料上施加一定压力会产生电荷的原理。当车辆碾压井盖，使嵌入在井盖中的压电材料产生形变进而产生电荷，机械能转化为电能，采用超级电容收集电荷，设计电源管理电路实现嵌入式压电模块供能。

通信技术采用ZigBee网络传输报警信号，设计嵌入式网关管理网络，结合GPRS模块发送报警信号至井盖管理部门，采用Web服务器存储数据并远程控制。

如图1和图2所示，一种基于压电效应的井盖安全监控系统，包含带井盖报警器的ZigBee网络模块、嵌入式网关、GPRS模块以及Web服务器。带井盖报警器的ZigBee网络模块与嵌入式网关通过信号连接，嵌入式网关与GPRS模块通过信号连接，GPRS模块与Web服务器通过信号连接。

该带井盖报警器的ZigBee网络模块，包括井盖报警器1、ZigBee路由器2和ZigBee协调器3。井盖报警器1与ZigBee路由器2通过无线信号连接，ZigBee路由器2和ZigBee协调器3通过无线信号连接。井盖报警器1在该网络中作为终端节点，用于采集报警信息，将报警信息无线传输给周边的ZigBee路由器2；该ZigBee路由器2接收并保存报警信息，将井盖报警器1的地址信息以及报警信息一起传输给ZigBee协调器3；ZigBee协调器3用于收集网络中所有井盖报警器1的信息，并管理网路上的节点，ZigBee协调器3与嵌入式网关相连，并将将其处理后的信息传输给嵌入式网关。

该带井盖报警器的ZigBee网络模块为由若干个井盖报警器1、ZigBee路由器2和ZigBee协调器3组成混合型拓扑网络结构，以每条道路为单位部署无线传感网络，采用路灯杆或建筑物侧墙作为ZigBee路由器2的固定支点。各个ZigBee路由器2之间组成网状拓扑结构，可通过多跳通信实现远距离传输，使监测作用不受道路长短的影响；网状拓扑结构形成了冗余路由，保证了网络数据传输的可靠性。

嵌入式网关的硬件芯片为三星公司的ARM11系列6410，软件采用QT设计界面，用于显示井盖报警器1的实时状态和位置数据；GPRS模块选用SIM900A模块，用于接收嵌入式网关传来的报警信息和窨井编码信息，并将其转发到具有固定IP地址的Web服务器中，实现报警数据的上传，同时将上述报警信息和窨井编码信息以短信形式发送给检修人员，提醒相关人员及时维修和处理；Web服务器作为现有技术，这里不做详细说明。

该系统的工作原理：井盖报警器1作为数据传输的终端监控节点，将报警信息以及井盖报警器1的地址信息一起通过ZigBee路由器以及ZigBee协调器传送到嵌入式网关中，嵌入式网关及时处理数据并显示报警位置，然后将处理后的数据通过GPRS模块统一发送至固定IP地址的Web服务器上，用户通过Web服务器可以查询每个井盖的实时安全状态和地理位置；同时GPRS模块将上述报警信息和窨井编码信息以短信形式发送给检修人员，提醒相关人员及时维修和处理。

如图3和图4所示，该井盖报警器1包括ZigBee控制器7、A/D采集器、嵌入式压电模块5、自报警模块8以及传感器6。该传感器6由光敏传感器和气体传感器集成在一起组成，用于采集光信号和气体信号；该自报警模块8由蜂鸣器和高亮度LED灯集成在一起组成，蜂鸣器以及高亮度LED分别用于发出声、光报警信号。传感器6的光敏传感器和气体传感器实时检测井内的光信号以及气体浓度信号，并且传感器6将采集到的信号传送给A/D采集器；A/D采集器将来自传感器6的信号转换为数字信号并将得到数字信号传递给ZigBee控制器7；ZigBee控制器7接收来自A/D采集器的数字信号，当接收到的数字信号高于ZigBee控制器内的预设值时，ZigBee控制器7输出启动报警控制信号；蜂鸣器以及高亮度LED接收来自ZigBee控制器7的启动报警控制信号，蜂鸣器发出报警声，高亮度LED发光。同时，嵌入式压电模块5通过导线连接Zigbee控制器7，用于供电。

作为优选方式，该Zigbee控制器7采用TI公司生产的，针对IEEE802.15.4应用的片上系统CC2530，内部集成了工作在2.4GHz的射频发射器，拥有低功耗的8051MCU内核。光敏传感器采用视敏型磷砷化镓光敏二极管，光敏二极管适用于可见光范围，红外光全截止，频谱曲线近似人眼，暗态电流极低；寿命长，可靠性高。气体传感器采用MH-440V/D红外气体传感器，用于检测下水道沼气是否超标。

该井盖报警器1的嵌入压电式模块5设置在井盖4和地面之间，传感器6、ZigBee控制器7和自报警模块8集中设置在井盖4的下方。平时ZigBee控制器7处于休眠状态。通过传感器6采集数据，当有异常情况发生时，唤醒ZigBee控制器7，ZigBee控制器7控制自报警模块8实现自报警功能，将信息传输给ZigBee网络。

该井盖报警器1的工作原理为：当车辆和行人碾压井盖4时，嵌入式压电模块5由于压电效应会产生电流，继而为ZigBee控制器7供电。当打开井盖4时，安装在井盖4下方的传感器6中的光敏传感器感知光线，发出报警信号给周边的ZigBee路由器2；当井盖4下方沼气偏高时，传感器6中的气体传感器感知浓度，发出报警信号给周边的ZigBee路由器2。当窨井盖损坏或被盗后，可见光进入窨井后，光敏传感器通过而唤醒窨井监测单元而发送报警信息。当出现井盖4被盗的情况后，ZigBee控制器7输出信号，控制蜂鸣器产生高分贝的报警声响，同时输出信号控制高亮度LED灯不断闪烁的高强光，从而实现对偷盗者的警示和提醒行人注意危险的作用。

如图5所示，该嵌入式压电模块5包括压电材料、整流电路、超级电容、高密度锂电池、电源管理电路以及电子开关。压电材料通过整流电路与超级电容电连接，超级电容以及高密度锂电池通过电子开关与电源管理电路电连接。

作为优选方式，压电材料选用PZT-5单晶片，并采用单晶片相互并联的连接方式，放置于井盖与地面接触处。利用车辆和行人碾压井盖4，该嵌入式压电模块5受压力产生电能，为ZigBee控制器7供电。电源管理电路包括控制电路和降压电路，所述控制电路与降压电路电连接，控制电路采用LTC3588，专门针对压电传感器等高阻抗源设计的一款低功耗芯片，将压电材料输出的高电压，低功率的交流电转化为直流电。降压电路采用漏电流较小的降压芯片MAX666组成，将输出电压转为单片机需要的3.3V。控制电路主要负责进行混合供电的切换，采用低功耗的电子开关芯片ADG801实现。超级电容作为现有技术，此处不作详细描述。

该嵌入式压电模块5的工作原理为：压电材料输出较大电压，较小电流的交流电信号，通过整流后存储，存储介质选用超级电容，容量大小为1.5F。压电材料和超级电容之间通过整流电路连接。超级电容以及高密度锂电池采用电子开关与电源管理电路选择连接，当超级电容上面电压高于工作电压时，电子开关选择超级电容进行供电输出，当超级电容电压低于工作电压时，开关选择锂电池进行供电输出。

如图6所示，该井盖安全监控系统的工作原理流程图：为达到省电效果，该井盖报警器1开始处于睡眠状态。当任意两种情况发生时，即会唤醒井盖报警器1，第一种情况：当检测到井盖4被翘起，光线从较小值突变到极大值，唤醒井盖报警器1；第二种情况，当沼气浓度超标后，唤醒井盖报警器1。井盖报警器1读取井盖ID信息和报警信号，通过ZigBee网络将井盖ID信息和报警信号发送到嵌入式网关，嵌入式网关接收相关信息后，通过GPRS模块将相关信息发送到固定IP地址的Web服务器上面，同时发送报警短信给相关人员。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于压电效应的井盖安全监控系统，包含：

嵌入式网关，所述嵌入式网关用于显示井盖报警器的实时状态和位置数据；

GPRS模块，所述GPRS模块与嵌入式网关信号连接，所述GPRS模块用于接收嵌入式网关传来的报警信息和窨井编码信息，并将其转发到具有固定IP地址的Web服务器中，实现报警数据的上传，同时将上述报警信息和窨井编码信息以短信形式发送给检修人员；以及

Web服务器，所述Web服务器与GPRS模块信号连接，所述web服务器用于网络信息传输，

其特征在于：

还包括带井盖报警器的ZigBee网络模块，所述带井盖报警器的ZigBee网络模块与所述嵌入式网关通过信号连接，所述带井盖报警器的ZigBee网络模块用于实时监测带检测的井内的光强度的变化以及气体浓度的变化并实现网路传输。

2.按照权利要求1所述的井盖安全监控系统，其特征在于：所述带井盖报警器的ZigBee网络，包括：

若干个井盖报警器，所述若干个井盖报警器用于实时监测带检测的井内的光强度的变化以及气体浓度的变化得到报警信息；

与井盖报警器信号连接的ZigBee路由器，所述Zigbee路由器用于接收并保存报警信息并将井盖报警器的地址信息以及报警信息一起传输给ZigBee协调器；以及

与ZigBee路由器信号连接的ZigBee协调器，用于收集网络中所有井盖报警器的信息并管理网路上的节点，ZigBee协调器与嵌入式网关相连，并将将其处理后的信息传输给嵌入式网关。

3.按照权利要求2所述的井盖安全监控系统，其特征在于：所述井盖报警器包括：

传感器，所述传感器用于检测待检测的井内的光亮以及气体浓度；

与传感器相连的A/D采集器，用于接收来自传感器的信号以及将接收到的信号转换为数字信号；

与A/D采集器相连的ZigBee控制器，用于接收来自A/D采集器的数字信号并将数字信号与ZigBee控制器内设置的预设值比较后输出报警控制信号；

与ZigBee控制器相连的自报警模块，所述自报警模块接收报警控制信号并发出报警信号；

与ZigBee控制器相连的嵌入式压电模块，用于为ZigBee控制器供电。

4.按照权利要求3所述的井盖安全监控系统，其特征在于：所述传感器包括气体传感器以及光敏传感器。

5.按照权利要求3所述的井盖安全监控系统，其特征在于：所述嵌入式压电模块包括压电材料、整流电路、电子开关、超级电容和电源管理电路，所述压电材料通过整流电路与超级电容电连接，所述超级电容以及高密度锂电池通过电子开关与电源管理电路电连接。

6.按照权利要求5所述的井盖安全监控系统，其特征在于：所述电源管理电路包括：

与压电材料相连的控制电路，用于接收压电材料产生的交流电并将交流电转化为直流电；

与控制电路相连的降压电路，用于接收来自控制电路的直流电并将直流电转换为3.3V的电压。

7.按照权利要求5所述的井盖安全监控系统，其特征在于：所述压电材料为PZT-5单晶片，多层单晶片之间采用并联连接方式。

8.按照权利要求4所述的井盖安全监控系统，其特征在于：所述光敏传感器采用视敏型磷砷化镓光敏二极管。

9.按照权利要求4所述的井盖安全监控系统，其特征在于：所述气体传感器采用MH-440V/D红外气体传感器。

10.按照权利要求3所述的井盖安全监控系统，其特征在于：所述ZigBee控制器为针对IEEE802.15.4应用的片上系统CC2530。

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