CN208722033U - 一种基于窄带物联网的城市供排水管网智能监测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供的一种基于窄带物联网的城市供排水管网智能监测系统，将NB‑IoT监测终端与NB‑IoT基站无线连接，服务器分别与所述NB‑IoT基站和应用终端连接，所述NB‑IoT监测终端的单片机分别与电磁阀、水泵和防火门的开关电连接，通过NB‑IoT监测终端可以实时监测水资源各项指标，可以实时监测管网的流量、压力、温度等数据，避免城市内涝，有效监控管道漏耗、破损的情况，便于相关人员及时发现并处理异常，防止市政工人在地下管网或井下作业时因有毒有害气体中毒窒息身亡或溺水身亡事故的发生，并可以远程及时对监测点采取相应的措施，增强可控性，在一定程度上维持水资源各项指标正常，同时可对管网运行数据进行大数据挖掘和异常风险预测。
Description
技术领域
本实用新型涉及物联网技术领域，尤其是涉及一种基于窄带物联网的城市供排水管网智能监测系统。
背景技术
目前，城市供排水设施的漏损与故障是社会的一大痛点，人工监测与维修的成本也较大且不及时，多数城市因供水管问题引起的自来水平均漏损率已高达24％，远超欧洲发达国家漏损率的7％；近年来，多个城市频繁遭遇强暴雨袭击，引发严重内涝；违规排污事件也时有发生，被污染的水源带来饮用水安全隐患。
现如今，已有将窄带物联网应用于水监测的方案，通过传感器采集压力、流量、水位、雨量和水质数据，通过监测终端将采集得到的数据传输给NB-IoT基站，基站通过运营商网络将采集的数据上报给监测平台，由监测平台将数据下发给各类监测应用，但目前的基于窄带物联网的水监测方案大多是针对水质和水量的方案，监测的类型还不够完善，且在水监测过程中，仅仅是将采集到的固定类型的数据展现出来以供监测或报警，缺乏及时对远程监测点进行改善的措施，功能不够完善。
实用新型内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种基于窄带物联网的城市供排水管网智能监测系统，可以远程及时对监测点采取相应的措施。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：
一种基于窄带物联网的城市供排水管网智能监测系统，包括NB-IoT监测终端、NB-IoT基站、服务器和应用终端；
所述NB-IoT监测终端包括监测传感器、NB-IoT模块和单片机；
所述单片机分别与所述监测传感器和NB-IoT模块连接；
所述监测传感器通过RS485总线与所述单片机连接；
所述NB-IoT模块通过UART接口与所述单片机连接；
所述NB-IoT模块与所述NB-IoT基站无线连接；
所述服务器分别与所述NB-IoT基站和所述应用终端连接；
还包括电磁阀、水泵和防火门，所述单片机分别与所述电磁阀、水泵和防火门的开关电连接。
进一步的，所述监测传感器通过RS485总线与所述单片机连接包括：
所述监测传感器通过MAX485接口芯片与所述单片机连接；
所述监测传感器的探头与所述MAX485接口芯片的第2、第3管脚连接；
所述MAX485接口芯片的第1管脚和第4管脚分别接到所述单片机的RXD和TXD引脚上。
进一步的，所述监测传感器包括水流速度传感器，所述水流速度传感器内固定有扇叶，所述扇叶内固定有一块磁体，所述扇叶上方与所述扇叶所在平面垂直固定有霍尔元件；
所述霍尔元件两端分别与电压放大电路电连接，所述电压放大电路与所述单片机电连接。
进一步的，所述监测传感器包括投入式液位传感器，所述投入式液位传感器与所述单片机电连接；
所述投入式液位传感器采用隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感元件。
进一步的，所述监测传感器包括超声波测距模块，所述超声波测距模块包括超声波发射器、接收器和SB5027单片微处理器，所述单片微处理器分别与所述超声波发射器、所述接收器和所述单片机电连接。
进一步的，所述监测传感器包括浑浊度传感器，所述浑浊度传感器内部封装有红外线对管和A/D转换处理器，所述A/D转换处理器分别与所述红外线对管和所述单片机电连接。
进一步的，所述应用终端包括手机终端和PC终端，
所述手机终端与所述服务器无线连接；
所述PC终端与所述服务器有线连接。
进一步的，所述服务器设有报警指示灯；
当所述监测传感器采集的数据低于预设阈值范围，则所述报警指示灯显示黄色；当所述监测传感器采集的数据高于所述预设阈值范围，则所述报警指示灯显示红色；当所述监测传感器采集的数据在所述预设阈值范围内，则所述报警指示灯显示绿色。
本实用新型的有益效果在于：将NB-IoT监测终端与NB-IoT基站无线连接，服务器分别与所述NB-IoT基站和应用终端连接，所述NB-IoT监测终端的单片机分别与电磁阀、水泵和防火门的开关电连接，通过NB-IoT监测终端可以实时监测水资源各项指标，可以实时监测管网的流量、压力、温度等数据，避免城市内涝，有效监控管道漏耗、破损的情况，便于相关人员及时发现并处理异常，防止市政工人在地下管网或井下作业时因有毒有害气体中毒窒息身亡或溺水身亡事故的发生，并可以远程及时对监测点采取相应的措施，增强可控性，在一定程度上维持水资源各项指标正常，同时可对管网运行数据进行大数据挖掘和异常风险预测。
附图说明
图1所示为本实用新型实施例一种基于窄带物联网的城市供排水管网智能监测系统的第一结构示意图；
图2所示为本实用新型实施例一种基于窄带物联网的城市供排水管网智能监测系统的第二结构示意图；
图3所示为本实用新型实施例一种基于窄带物联网的城市供排水管网智能监测系统的MAX485硬件接口连接示意图。
具体实施方式
为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本实用新型最关键的构思在于:将所述NB-IoT监测终端的单片机分别与电磁阀、水泵和防火门的开关电连接。
请参照图1，一种基于窄带物联网的城市供排水管网智能监测系统，包括NB-IoT监测终端、NB-IoT基站、服务器和应用终端；
所述NB-IoT监测终端包括监测传感器、NB-IoT模块和单片机；
所述单片机分别与所述监测传感器和NB-IoT模块连接；
所述监测传感器通过RS485总线与所述单片机连接；
所述NB-IoT模块通过UART接口与所述单片机连接；
所述NB-IoT模块与所述NB-IoT基站无线连接；
所述服务器分别与所述NB-IoT基站和所述应用终端连接；
还包括电磁阀、水泵和防火门，所述单片机分别与所述电磁阀、水泵和防火门的开关电连接。
从上述描述可知，本实用新型的有益效果在于：
将NB-IoT监测终端与NB-IoT基站无线连接，服务器分别与所述NB-IoT基站和应用终端连接，所述NB-IoT监测终端的单片机分别与电磁阀、水泵和防火门的开关电连接，通过NB-IoT监测终端可以实时监测水资源各项指标，可以实时监测管网的流量、压力、温度等数据，避免城市内涝，有效监控管道漏耗、破损的情况，便于相关人员及时发现并处理异常，防止市政工人在地下管网或井下作业时因有毒有害气体中毒窒息身亡或溺水身亡事故的发生，并可以远程及时对监测点采取相应的措施，增强可控性，在一定程度上维持水资源各项指标正常，同时可对管网运行数据进行大数据挖掘和异常风险预测。
进一步的，所述监测传感器通过RS485总线与所述单片机连接包括：
所述监测传感器通过MAX485接口芯片与所述单片机连接；
所述监测传感器的探头与所述MAX485接口芯片的第2、第3管脚连接；
所述MAX485接口芯片的第1管脚和第4管脚分别接到所述单片机的RXD和TXD引脚上。
进一步的，所述监测传感器包括水流速度传感器，所述水流速度传感器内固定有扇叶，所述扇叶内固定有一块磁体，所述扇叶上方与所述扇叶所在平面垂直固定有霍尔元件；
所述霍尔元件两端分别与电压放大电路电连接，所述电压放大电路与所述单片机电连接。
进一步的，所述监测传感器包括投入式液位传感器，所述投入式液位传感器与所述单片机电连接；
所述投入式液位传感器采用隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感元件。
进一步的，所述监测传感器包括超声波测距模块，所述超声波测距模块包括超声波发射器、接收器和SB5027单片微处理器，所述单片微处理器分别与所述超声波发射器、所述接收器和所述单片机电连接。
进一步的，所述监测传感器包括浑浊度传感器，所述浑浊度传感器内部封装有红外线对管和A/D转换处理器，所述A/D转换处理器分别与所述红外线对管和所述单片机电连接。
进一步的，所述应用终端包括手机终端和PC终端，
所述手机终端与所述服务器无线连接；
所述PC终端与所述服务器有线连接。
从上述描述可知，应用终端包括移动手机终端和PC终端，方便了相关人员的及时查看监测水资源的数据，提高了便利性。
进一步的，所述服务器设有报警指示灯；
当所述监测传感器采集的数据低于预设阈值范围，则所述报警指示灯显示黄色；当所述监测传感器采集的数据高于所述预设阈值范围，则所述报警指示灯显示红色；当所述监测传感器采集的数据在所述预设阈值范围内，则所述报警指示灯显示绿色。
从上述描述可知，所述服务器设有警示灯，可以及时报警提醒相关人员进行检查即做出相应措施，一定程度上避免了采集数据异常时无人注意到的情况。
实施例一
请参照图1和图2，一种基于窄带物联网的城市供排水管网智能监测系统，包括NB-IoT监测终端、NB-IoT基站、服务器和应用终端；
所述NB-IoT监测终端包括监测传感器、NB-IoT模块和单片机；
所述单片机分别与所述监测传感器和NB-IoT模块连接；
所述监测传感器通过RS485总线与所述单片机连接；
所述NB-IoT模块通过UART接口与所述单片机连接；
所述NB-IoT模块与所述NB-IoT基站无线连接；
所述服务器分别与所述NB-IoT基站和所述应用终端连接；
还包括电磁阀、水泵和防火门，所述单片机分别与所述电磁阀、水泵和防火门的开关电连接。
其中，所述NB-IOT监测终端具有DRX特性，所述NB-IOT监测终端在发送数据包后立刻进入一种休眠状态，不再进行任何通信活动，等到有需要上报数据的请求时刻，所述NB-IOT监测终端被唤醒并发送数据，发送数据完毕后进入睡眠状态，以此循环来降低所述NB-IOT监测终端功耗，加长所述NB-IOT监测终端使用年限。其依托电信运营商传统蜂窝网络建立而成，信道上行采用SC-FDMA通信调制方式，下行采用OFDMA通信调制方式，信号发射功率为23dBm，可实现在现有电信网络的平滑升级，快速实现全面网络覆盖。NB-IOT终端所采集的数据可直接通过基站上传云端，相比于Zigbee、Lora、蓝牙等无线传输技术，省去了组网步骤和网关，使得终端部署更加灵活，垂直应用更加方便。
所述NB-IoT监测终端采用psm+edrx技术以及低功耗芯片，通过减少不必要的信令和在PSM状态时不接受寻呼信息来达到省电目的，保障电池的使用寿命在10年以上。NB-IoT监测终端大约只消耗180KHz的频段，终端PSM模式用5号电池理论支持10年，实时监控水厂、污水厂、管网、泵站的压力、流量、水质及相关机电设备运行参数的变化，保存历史记录，能够根据当前城市排水系统的运行情况预判将来一段时间内可能会发生的状况并提供应对策略；根据所获取的降雨总量、污水排放数据、管网输送参数、泵站运转以及污水处理厂运行情况等实现各泵站、管网与污水处理厂三者之间的协调与控制，达到排水效果最优化的目的。
利用智能化网络有效控制管道老化、施工造成的管道破损、供水终端损坏造成奔流不止等浪费现象，能及时排查和解决，甚至实现不断水检修，一方面服务器端根据各泵站上传数据信息的时效性，判断进行保存或丢弃该数据信息；对各泵站的污水流入量、污水流出量、实时水位、目标水位、机泵运行台数与运转频率等进行模拟运算，将有参考意义的计算结果存储到服务器数据库中，为以后的决策调度提供信息支持。另一方面服务器端还负责对各泵站的状态监控，根据每个泵站的运行状态与运转频率进行协调调度，以使整个城市智慧排水系统达到排水效果最优化的目的。
具体地，还包括NB-IoT核心网、NB-IoT平台和监测系统平台；所述NB-IoT基站为所述NB-IoT监测终端提供无线接入服务，并将所述NB-IoT监测终端采集到的数据上报发给NB-IoT网关接入所述NB-IoT核心网，通过安全防火墙把数据传递给后台数据库和用户移动端设备，使用防火墙是为了保障数据的可靠性，强化系统的安全。所述NB-IoT基站主要采用运营商已架设的LTE基站，部署方式主要分为独立部署、保护带部署和带内部署；所述NB-IoT核心网是基于800MHz频段的中国电信NB-IoT网络，可以识别NB-IoT监测终端的有效性、存储NBIoT监测终端采集到的数据，与NB-IoT平台对接，将NB-IoT监测终端采集到的数据提供给NB-IoT平台；所述NB-IoT平台通过调用第三方地图平台的API与GIS/GPS组合地理信息管理系统连接，实现远程故障分析定位，令使用者可以在Web界面上直观定位每个管网故障的位置，便于维修人员确定管网发生故障的地址、及时维修；所述NB-IoT平台通过运营商网络与所述服务器连接。
其中，所述单片机为STM32F407VET6单片机，该型号单片机引脚数为100，Flash容量为512KB，封装类型为LQFP，时钟频率为168MHz，A/D位大小为12bit，可用A/D通道为16，可以满足管网数据处理的基本要求；
所述NB-IoT监测终端集成华为海思的BC-95NB-IoT模块，其接收灵敏度为-129dBm，该模块支持NB-IoT通信标准，硬件通信接口为UART，使用AT命令控制，休眠功耗低至5μA，内嵌UDP和CoAP协议。BC-95在使用时有PSM、Idle、Active这3种模式，最大工作电流分别是5μA、6mA、300mA。终端选用锂电池作为电源。所述单片机通过UART接口使用AT-Command控制NB通信模块进行数据交互。
具体地，所述监测传感器通过RS485总线与所述单片机连接包括：
所述监测传感器通过MAX485接口芯片与所述单片机连接；
如图3所示，所述监测传感器的探头与所述MAX485接口芯片的第2、第3管脚连接；
所述MAX485接口芯片的第1管脚和第4管脚分别接到所述单片机的RXD和TXD引脚上。
所述监测传感器包括智能水表、压力表、流量计、水质仪表、雨量传感器、水位传感器、温度传感器、气体传感器等各种监测传感器，所述水位传感器可以实时监测城市地下综合管廊的水位；
所述水质仪表包括PH传感器、浊度传感器、余氯传感器、ORP传感器、电导率传感器等。所述PH传感器主要通过检测氢离子来获取水体的酸碱值，所述余氯传感器可以检测出水体样本中游离氯、一氯胺和总氯的含量，可以实时监测城市地下综合管廊的有毒有害气体数据，防止企业违规排污，所述ORP传感器主要用于溶液的氧化还原电位，电导率传感器用于检测水体中总离子的浓度。
所述监测传感器包括水流速度传感器，所述水流速度传感器内固定有扇叶，所述扇叶内固定有一块磁体，所述扇叶上方与所述扇叶所在平面垂直固定有霍尔元件；
所述霍尔元件两端分别与电压放大电路电连接，所述电压放大电路与所述单片机电连接。
所述监测传感器包括投入式液位传感器，所述投入式液位传感器与所述单片机电连接；
所述投入式液位传感器采用隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感元件。
所述监测传感器包括超声波测距模块，所述超声波测距模块包括超声波发射器、接收器和SB5027单片微处理器，所述单片微处理器分别与所述超声波发射器、所述接收器和所述单片机电连接。
所述监测传感器包括浑浊度传感器，所述浑浊度传感器内部封装有红外线对管和A/D转换处理器，所述A/D转换处理器分别与所述红外线对管和所述单片机电连接。
所述应用终端包括手机终端和PC终端，
所述手机终端与所述服务器无线连接；
所述PC终端与所述服务器有线连接。
所述服务器设有报警指示灯；
当所述监测传感器采集的数据低于预设阈值范围，则所述报警指示灯显示黄色；当所述监测传感器采集的数据高于所述预设阈值范围，则所述报警指示灯显示红色；当所述监测传感器采集的数据在所述预设阈值范围内，则所述报警指示灯显示绿色。
综上所述，本实用新型提供的一种基于窄带物联网的城市供排水管网智能监测系统，将NB-IoT监测终端与NB-IoT基站无线连接，服务器分别与所述NB-IoT基站和应用终端连接，所述NB-IoT监测终端的单片机分别与电磁阀、水泵和防火门的开关电连接，可以实时监测水资源各项指标，有效监控管道漏耗、破损的情况，及时报警，便于相关人员发现并处理异常，应用终端包括移动手机终端和PC终端，方便了相关人员的及时查看监测水资源的数据，提高了便利性，并可以远程及时对监测点采取相应的措施，增强可控性，在一定程度上维持水资源各项指标正常。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于窄带物联网的城市供排水管网智能监测系统，其特征在于，包括NB-IoT监测终端、NB-IoT基站、服务器和应用终端；
所述NB-IoT监测终端包括监测传感器、NB-IoT模块和单片机；
所述单片机分别与所述监测传感器和NB-IoT模块连接；
所述监测传感器通过RS485总线与所述单片机连接；
所述NB-IoT模块通过UART接口与所述单片机连接；
所述NB-IoT模块与所述NB-IoT基站无线连接；
所述服务器分别与所述NB-IoT基站和所述应用终端连接；
还包括电磁阀、水泵和防火门，所述单片机分别与所述电磁阀、水泵和防火门的开关电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网的城市供排水管网智能监测系统，其特征在于，所述监测传感器通过RS485总线与所述单片机连接包括：
所述监测传感器通过MAX485接口芯片与所述单片机连接；
所述监测传感器的探头与所述MAX485接口芯片的第2、第3管脚连接；
所述MAX485接口芯片的第1管脚和第4管脚分别接到所述单片机的RXD和TXD引脚上。
3.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网的城市供排水管网智能监测系统，其特征在于，
所述监测传感器包括水流速度传感器，所述水流速度传感器内固定有扇叶，所述扇叶内固定有一块磁体，所述扇叶上方与所述扇叶所在平面垂直固定有霍尔元件；
所述霍尔元件两端分别与电压放大电路电连接，所述电压放大电路与所述单片机电连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网的城市供排水管网智能监测系统，其特征在于，
所述监测传感器包括投入式液位传感器，所述投入式液位传感器与所述单片机电连接；
所述投入式液位传感器采用隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感元件。
5.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网的城市供排水管网智能监测系统，其特征在于，
所述监测传感器包括超声波测距模块，所述超声波测距模块包括超声波发射器、接收器和SB5027单片微处理器，所述单片微处理器分别与所述超声波发射器、所述接收器和所述单片机电连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网的城市供排水管网智能监测系统，其特征在于，
所述监测传感器包括浑浊度传感器，所述浑浊度传感器内部封装有红外线对管和A/D转换处理器，所述A/D转换处理器分别与所述红外线对管和所述单片机电连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网的城市供排水管网智能监测系统，其特征在于，所述应用终端包括手机终端和PC终端，
所述手机终端与所述服务器无线连接；
所述PC终端与所述服务器有线连接。
8.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网的城市供排水管网智能监测系统，其特征在于，
所述服务器设有报警指示灯；
当所述监测传感器采集的数据低于预设阈值范围，则所述报警指示灯显示黄色；当所述监测传感器采集的数据高于所述预设阈值范围，则所述报警指示灯显示红色；当所述监测传感器采集的数据在所述预设阈值范围内，则所述报警指示灯显示绿色。
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