CN204706174U - 一种地下管线监测系统 - Google Patents

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李枝琳
董静
姚会文
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Abstract

本实用新型专利提供一种地下管线监测系统,包括各类传感器、采集器、集中器、网络和服务器。窨井及临近管道内的各类传感器通过RS485总线连接至窨井内的采集器,采集器以433MHz无线方式连接至地面的集中器。所有集中器组成433MHz无线多跳自组网络,其中担当中心节点的集中器通过互联网连接至位于云端的服务器。本实用新型的优点和有益效果在于:采集器作为无线传输网络的终端,实现了现场数据采集、数据处理和数据上传。集中器集无线网关和无线路由功能于一体,在地下管线监测系统中发挥无线网络建立和管理、导出网络拓扑图、无线通信中继等作用,最终实现了地下管线监测系统对地下管线运行状态的实时监测。

Description

一种地下管线监测系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及城市地下管线及其附属设施信息化领域,特别涉及一种地下管线监测系统。
背景技术
[0002] 近年来,随着城市快速发展,地下空间建设规模不足、管理水平不高等问题凸显。一些城市相继发生大雨内涝、管线泄漏爆炸、路面塌陷等事件,严重影响了人民群众生命财产安全和城市运行秩序。2014年6月14日,国务院正式发布《关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》。《意见》中鼓励在地下管线规划建设、运行维护及应急防灾等工作中,广泛应用精确测控、示踪标识、物联网监测和隐患事故预警等先进技术。
[0003] 地下管线监测系统是对地下管线的运行状态和环境参数进行监测的物联网系统。通过在窨井及周边管线上安装一些压力、水位、温湿度、可燃气浓度等传感器,利用物联网技术将数据发送到云端服务器平台,实现管线运行状态的监测和管理。
[0004]由于负责地下管线现场采集的传感器种类较多,各个厂家采用的数据格式不尽统一,使得数据传输较为复杂。另外,窨井是由钢筋混凝土井身和铸铁井盖构成的封闭空间,存在无线信号屏蔽的问题,宜采用无线传输方式。但地下管线监测点数量多、分散广,穿透能力强的射频信号又存在传输距离近、传输速率较低问题,单层无线网络无法很好的完成与云端服务器的通信。
实用新型内容
[0005] 本实用新型的目的是针对上述问题,提供一种地下管线监测系统,实现云端服务器平台对地下管线运行状态的实时监测和故障报警。
[0006] 为实现上述目的,本实用新型采用如下技术方案:
[0007] 本实用新型提供一种地下管线监测系统,包括传感器、采集器、集中器、网络和服务器,其特征在于,所述的传感器通过RS485总线连接至采集器,所述的采集器以433MHz无线方式连接至集中器,所述的集中器组成433MHz无线多跳自组网络,其中担当中心节点的集中器通过网络连接至位于云端的服务器。
[0008] 所述的采集器由微控制器模块、数据采集模块、无线组网模块、调试升级模块、电源模块以及电子标签构成。
[0009] 所述的集中器由微控制器单元、无线组网单元、以太网接口单元、存储单元、调试升级单元以及电源单元构成。
[0010] 所述的数据采集模块为一个RS485电平转换器,是采集器与现场传感器的接口。[0011 ] 所述的无线组网模块为一个433MHz无线微功率透传模块,包括射频收发模块和天线部分;所述的射频收发模块与MCU的串口、SPI或者I2C接口进行连接。
[0012] 所述的电子标签固定于采集器外壳内壁上,用于存储包括地理位置、管线名目、传感器种类、检修记录在内的重要信息。
[0013] 所述的无线组网单元为一个串口转433MHz无线微功率透传模块,包括射频收发模块和天线部分。
[0014] 所述的以太网接口单元由以太网控制器和RJ45接口组成;所述的以太网接口单元与微控制器芯片通过SPI接口连接。
[0015] 所述的存储单元采用SD卡,用于存储系统日志;所述的微控制器单元通过SPI总线读写SD卡。
[0016] 所述的服务器为位于云端的平台服务器,对辖区内的地下管线运行状态进行监测和故障报警。
[0017] 针对多传感器信号接入、数据格式不统一、无线信号屏蔽等问题,本实用新型提供了一种采集器。地下管线监测系统中,采集器兼容各类现场传感器的不同通讯协议,负责将与之连接的传感器数据进行采集。为了解决多信号接入的问题,采集器采用RS485总线方式将分散的不同设备相互连接起来协同工作。采集器对接收的数据信号进行简单处理后,把它们按照一定格式封装为报文载荷,并进行数据压缩处理;然后通过无线组网模块对载荷进一步封装,借助433MHz无线自组网技术,将信息上传至地面上的无线接收装置。433MHz无线信号具有穿透力强,抗干扰能力强,组网能力强,无线网络稳定、可靠等优点。433MHz无线通信距离为100米到3千米,无线信号能穿透一米厚钢筋水泥墙壁,适用于窨井的封闭环境。
[0018] 为了克服433MHz射频通信传输距离近、速率低的问题,本实用新型提供了一种集中器,利用433MHz无线自组网技术进行网络通信。433MHz无线自组网络包含无线终端、无线路由和无线网关三种工作模式。采集器是无线传输的起点,仅工作在无线终端模式。集中器可担当无线路由或无线网关,在特定情况下可以转化工作模式。无线自组网技术的自我配置、多跳联接、低功耗等特性正好适应地下管线监测系统的特点。由于每个通信节点只是与其相邻的节点通信,因而不需要较大的发射功率,既降低了每个通信节点的成本又降低功耗,完全可以采用锂电池供电方案,增加了通信系统的灵活性,便于安装和维护。
[0019] 本实用新型能够实现的有益效果:
[0020] 1、采集器采用RS485总线通信方式,克服了多传感器信号接入、数据格式不统一的问题。
[0021] 2、采集器能够将输入数据进行标准化和压缩处理,从而减小数据传输的复杂程度,提高网络通信速度。
[0022] 3、采集器利用电子标签实现采集器的身份识别,便于工作人员巡检和维修。
[0023] 4、采集器利用433MHz无线通信技术,将数据信息上传至地面的集中器。
[0024] 5、集中器工作在无线网关模式时,负责创建与管理一个433MHz无线网络,支持大批量数据压缩和实时拓扑结构计算。
[0025] 6、集中器工作在无线路由模式时,负责无线数据的接收与转发,延长无线通信距离,扩大无线覆盖半径。
[0026] 7、集中器利用SD卡记录运行中的日志信息,用于故障排查和设备检修。
[0027] 8、集中器在地下管线监测系统中发挥无线网络建立和管理、导出网络拓扑图、无线通信中继等作用,最终实现了地下管线监测系统对地下管线运行状态的实时监测。
[0028] 下面通过附图和实施例,对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0029] 图1为地下管线监测系统的结构图。
[0030] 图2为采集器的结构图。
[0031] 图3为集中器的结构图。
具体实施方式
[0032] 以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。
[0033] 图1所示为本实用新型的系统结构示意图,地下管线监测系统包括传感器(I)、采集器(2)、集中器(3)、网络(4)和服务器(5),其特征在于所述的传感器⑴通过RS485总线连接至采集器(2),所述的采集器(2)以433MHz无线方式连接至集中器(3),所述的集中器(3)组成433MHz无线多跳自组网络,其中担当中心节点的集中器(3)通过网络⑷连接至位于云端的服务器(5)。
[0034]图2所示为本实用新型一种实施例的采集器结构示意图,所述的采集器(2)由微控制器模块¢)、数据采集模块(7)、无线组网模块(8)、调试升级模块(9)、电源模块(10)以及电子标签(11)构成。
[0035] 所述的电源模块(10)包括稳压控制电路和欠压检测电路,其中稳压控制电路包含电源开关、指示灯和稳压电路。一方面,锂电池的输出电压经稳压控制电路处理,为微控制器模块(6)、数据采集模块(7)、无线组网模块(8)以及调试升级模块(9)供电。另一方面,在微控制器模块¢)的控制下,欠压检测电路对锂电池的输出电压分压处理后送入微控制器模块(6)。如果锂电池电量过低,则发出欠压警告信号,上传至云端服务器平台。
[0036] 所述的微控制器模块(6)可采用ARM芯片作为微控制器芯片。微控制器芯片的1口与数据采集模块(7)、无线组网模块(8)、调试升级模块(9)、电源模块(10)连接。
[0037] 所述的数据采集模块(7)为一个RS485电平转换器,是采集器与现场传感器的接口,通过RS485总线进行通信。
[0038] 所述的无线组网模块(8)为一个串口转433MHz无线微功率透传模块,包括射频收发模块和天线部分;所述的射频收发模块与MCU的串口、SPI或者I2C进行连接。
[0039] 所述的调试升级模块(9)为用于下载调试和软件升级的接口电路;所述的调试升级模块通过下载器与PC相连,进行程序下载和在线调试。通过软件升级,可以支持新类型的现场传感器设备或者系统功能的改进,从而避免了增加系统升级成本。
[0040] 所述的电子标签(11)固定于采集器外壳内壁上;所述的电子标签(11)内存储了地理位置、管线名目、传感器种类、检修记录等信息。在采集器安装时,工作人员通过手持设备写入安装位置的地理信息、管线名目以及传感器种类等信息,这给巡检和维修带来了方便。
[0041] 图3所示为本实用新型一种实施例的集中器结构示意图,所述的集中器(3)由微控制器单元(12)、无线组网单元(13)、以太网接口单元(14)、存储单元(15)、调试升级单元
(16)以及电源单元(17)构成。
[0042] 所述的电源单元(17)包括稳压控制电路和变压器,其中,稳压控制电路由稳压电路、电压检测电路和控制开关三个部分构成。控制开关用于选择锂电池供电或外部电源供电,锂电池供电时集中器工作在无线路由模式,外部电源供电时集中器工作在无线网关模式。另外,通过电压检测电路检测锂电池电量信息,利用网络上传至云端服务器平台,及时提醒工作人员更换电池,从而保证系统的正常运行。
[0043] 所述的微控制器单元(12)可采用ARM芯片作为主控制芯片,用于处理数据压缩、无线网路管理、Ethernet远程通讯和故障诊断等任务。
[0044] 所述的无线组网单元(13)为一个串口转433MHz无线微功率透传模块,包括射频收发模块和天线部分,所述的射频收发模块与ARM芯片的串口、SPI或者I2C进行连接。
[0045] 所述的以太网接口单元(14)由以太网控制器和RJ45接口组成,所述的以太网接口单元(14)与ARM芯片通过SPI接口连接,是集中器作为无线网关工作时与互联网连接的接口。
[0046] 所述的存储单元(15)采用SD卡,用于存储系统日志;所述的微控制器单元(12)通过SPI总线读写SD卡。
[0047] 所述的调试升级单元(16)为用于下载调试和软件升级的接口电路。所述的调试升级单元(16)通过下载器与PC相连,进行程序下载和在线调试,方便以后程序版本的升级。
[0048] 具体的,地下管线监测系统的工作过程如下:
[0049] 地下管线监测系统包含现场传感器、无线传输网络、云端服务器平台三个部分。传感器(I)负责采集地下管线及附属设施的状态信息和环境参数,采集的数据通过无线传输网络上传至云端服务器平台,用于地下管线运行监测和管理。无线传输网络为433MHz无线自组织网络,包括无线终端、无线路由和无线网关三种网络设备。首先,无线网关发起建立网络,进行网络初始化;然后,无线路由加入到网络中;最后,无线终端再加入到网络拓扑中。
[0050] 采集器(2)通过数据采集模块(7)以RS485总线方式连接各个传感器(I)。包括采集器(2)在内的地下管线监测系统搭建完成后,通过云端服务器平台进行系统复位,启动系统运行。采集器采用Modbus总线协议与现场传感器(I)进行通信,微控制器模块(6)对采集的现场数据进行简单处理,封装为标准数据格式的报文载荷,并进行数据压缩。然后通过无线组网模块(8)对载荷进一步封装,借助433MHz无线自组网技术,将信息传输给地面的集中器(3)。
[0051] 集中器(3)集无线自组网的关键技术于一体,可任意担当无线网关或无线路由。一个无线自组织网络中仅包含一个无线网关,是网络唯一的信息出口。集中器(3)选择外部电源,初始化后进入无线网关模式,通过无线自组网单元(13)根据预设参数建立并广播网络。网络中还包含若干个以锂电池供电工作于无线路由模式的集中器(3),它们通过检查广播报文来确定是否加入该网络。仅当这些设备成功通过网络验证后,才能够实现互相间的通信。验证成功的集中器⑶既可以与担当无线网关的集中器⑶直接通信,也能够与其它集中器(3)通过手拉手接力方式向无线网关传输数据。最终,由担当无线网关的集中器(3)通过以太网接口与Internet网络(4)连接,这种有线宽带方式保证了整个网络与云端通信的可靠性和即时性。
[0052] 服务器(5)通过Internet网络(4),借助集中器(3)和采集器(2)与窨井及临近管线内的传感器进行通信,获取地下管线运行状态和环境参数。通过对数据进行处理和预警分析,判断管线的运行状态。出现故障立即报警,减小了地下管线安全事故带来的危害。
[0053] 最后应说明的是:以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已,并不用于限制本实用新型,尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种地下管线监测系统,包括传感器、采集器、集中器、网络和服务器,其特征在于,所述的传感器通过RS485总线连接至采集器,所述的采集器以433MHz无线方式连接至集中器,所述的集中器组成433MHz无线多跳自组网络,其中担当中心节点的集中器通过网络连接至位于云端的服务器; 所述的采集器由微控制器模块、数据采集模块、无线组网模块、调试升级模块、电源模块以及电子标签构成; 所述的集中器由微控制器单元、无线组网单元、以太网接口单元、存储单元、调试升级单元以及电源单元构成。
2.根据权利要求1所述的地下管线监测系统,其特征在于,所述采集器的数据采集模块为一个RS485电平转换器,是采集器与现场传感器的接口。
3.根据权利要求1所述的地下管线监测系统,其特征在于,所述采集器的无线组网模块为一个433MHz无线微功率透传模块,包括射频收发模块和天线部分;所述的射频收发模块与MCU的串口、SPI或者I2C接口进行连接。
4.根据权利要求1所述的地下管线监测系统,其特征在于,所述采集器的电子标签固定于采集器外壳内壁上,用于存储包括地理位置、管线名目、传感器种类、检修记录在内的重要信息。
5.根据权利要求1所述的地下管线监测系统,其特征在于,所述集中器的无线组网单元为一个串口转433MHz无线微功率透传模块,包括射频收发模块和天线部分。
6.根据权利要求1所述的地下管线监测系统,其特征在于,所述集中器的以太网接口单元由以太网控制器和RJ45接口组成;所述的以太网接口单元与微控制器芯片通过SPI接口连接。
7.根据权利要求1所述的地下管线监测系统,其特征在于,所述集中器的存储单元采用SD卡,用于存储系统日志;所述的微控制器单元通过SPI总线读写SD卡。
8.根据权利要求1所述的地下管线监测系统,其特征在于,所述的服务器为位于云端的平台服务器,对辖区内的地下管线运行状态进行监测和故障报警。
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