CN210533430U - 一种井盖安全监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种井盖安全监测系统，包括井盖设备端，所述设备端嵌入到目标井盖结构中，分别设有定位单元、监测单元、报警单元、通讯单元和供电单元；本实用新型的整体结构紧凑小巧，嵌入到了井盖的结构中，并创新应用了北斗卫星导航定位系统，设计了位置、时间等信息数据压缩方法，具有井下有毒气体环境预测功能，设计了基于有毒气体检测的井盖自锁保护机构、井盖倾角计算算法等，实现了对监测控制中心覆盖区域内的井盖状态安全监测，为民众出行和井下工作人员提供了重要的安全保障，具有巨大的应用价值。

Description

一种井盖安全监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种安全监测系统，尤其是一种井盖安全监测系统。

背景技术

随着科技的不断发展与进步，智能设备已逐渐步入我们的生活，扮演越来越重要的角色。尽管如此，无论多智能的设备也离不开一些基础设施的支持，例如井盖。城市中大大小小、随处可见的井盖是工作人员检测检修设备或电路的窗口，保障着电力水力等系统的功能。与此同时，多次重复开启、反复重载受压、缺乏及时全方位监管等使得城市中的部分井盖出现倾斜偏置、破损甚至缺失等问题。汽车正在行驶可车轮突然陷入无盖井，骑车人正在快速前行却因突然出现在面前的凸起井盖被摔伤，路人经过看似正常的窖井时被突然倾斜翻转的井盖砸成骨折，夜间出门时被一个没有井盖的窖井吞噬，井下工作人员因为井下的有毒气体环境而陷入危险。全国各地因为井盖缺失及井下毒气而造成事故的情形不绝于耳，井盖吞人事件更是频频发生，城市里数目庞大的井盖，已经成为了公共安全的巨大隐患，威胁着人们的生命财产安全。

这些没有得到及时处理的问题井盖，无论出现在机动车道或人行道路上都将产生严重的安全隐患，如遇暴雨等恶劣天气，危险指数更将会成倍增加。为从源头解决此类问题井盖，研究设计了基于北斗卫星导航系统的井盖安全监测系统，实现对井盖状态进行实时监测。

调研发现，目前市场上常见的井盖安全监测系统可以实现对井盖的位置和基本信息监测，但有以下三个缺点：第一，因传感器和计算算法过于简单，无法实现对井盖姿态信息的精确监测，易出现信息漏报，仍存在部分安全隐患；第二，监测数据较为单一，很少考虑到有毒气体的检测和井下环境的预判，应用范围较窄；第三，未对数据进行压缩处理，传输数据量大，功耗大；第四，定位系统存在较大误差，无法准确与井盖相匹配，无法实现对井盖位置的准确描述。

实用新型内容

针对以上现有技术的不足，本实用新型提供一种井盖安全监测系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种井盖安全监测系统，包括井盖设备端，所述设备端嵌入到目标井盖结构中，分别设有定位单元、监测单元、报警单元、通讯单元和供电单元；定位单元采用北斗/GPS双模模块获取卫星定位数据，具有定位信息数据压缩功能；监测单元为核心，集成了有毒气体传感器、激光测距仪和九轴陀螺仪，可以测量出每个井盖下方空间的深度，并根据井盖处测得的有毒气体浓度，计算出井盖下方一定深度的有毒气体浓度，为将要进入井下作业的维修养护人员提供有毒气体浓度信息以及报警提示，而且可以通过陀螺仪数据解算出井盖倾角，从而判断当前井盖姿态是否安全，为行人和行车人员提供告警；报警单元采用蜂鸣器和闪烁灯联合告警；通讯单元采用WiFi/无线传输模块，能将井盖数据实时传送到监测控制中心；供电单元由可充电蓄电池、太阳能发电板共同组成。

进一步改进，扩大太阳能发电板面积，以保证系统充足的电力供给；所述设备端为一个封装严密的长方体盒状装置，各单元置于长方体盒内部，上表面引出天线头并贴于表面；井盖下端为基于有毒气体的安全自锁装置，与井盖上部采用合页连接，只打开上部即可进行透气操作；防止井下工作人员在井下环境毒气浓度过大时贸然下井。监测单元包括姿态检测、测距和有毒气体检测传感器。

进一步改进：在太阳能发电板表面添加硬质钢化玻璃，以保证发电板不被破坏，增加装置的使用寿命；井盖设备端长方形外壳下表面设置多个毛细孔，检测有毒气体的同时可防止进水。

本实用新型的有益效果：

本申请的井盖安全监测系统不仅可对井盖进行精确定位，而且可以对井盖的姿态角度等进行精确检测计算，同时增加了有毒气体检测、井下环境预测、基于有毒气体检测的网状安全自锁装置、以及数据压缩后传输和系统低功耗等功能，相比于市场上的井盖安全监测系统，具有其独特的优势，如：远程定位快捷性；井盖姿态角度识别准确性；有毒气体检测保障安全性，系统低功耗；数据压缩方法；数据接收及正确性校验等。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

图1是本实用新型的工作示意图；

图2是本实用新型的井盖设备端装配图；

图3是本实用新型的嵌入式核心结构示意图；

图4是本实用新型的基于有毒气体检测的网状安全自锁装置；

图5是本实用新型实施例2所述数据帧格式定义示意图；

图6是本实用新型实施例2所述最终的一帧数据格式示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型做以下详细说明。

如图1所示，一种井盖安全监测系统，包括多个井盖设备端和监测控制中心，其中所述设备端安装在目标井盖上，可实时上传井盖位置、倾角等状态数据，各个井盖子系统通过无线方式将数据传输到监测控制中心，并在地图上绘制出井盖安全状态分布图，居民用户可通过手机APP获得井盖分布图及安全状态信息等。

如图2所示，一种井盖安全监测系统，其井盖设备端与井盖的装配图如图所示，钢化玻璃板1，太阳能电池板2，井盖设备端的嵌入式智能核心3、其内部结构在图3中具体展现，井盖4。钢化玻璃板1可以起到密封和保护内部设备的作用，同时不会阻碍太阳能发电板2的工作，钢化玻璃板1和太阳能发电板2可以根据需要改变大小及形状，以适应系统对电源的需求。四个结构紧密结合，装配完后可在缝隙处填充密封胶，以提供密封环境，防水防尘，保障内部设备的稳定工作。

如图3所示，一种井盖安全监测系统，其井盖设备端的嵌入式智能核心3包含多个单元模块：电池5，北斗/GPS双模定位模块6，WiFi/无线传输模块7，单片机底板8，单片机核心板9，单片机降压板10(单片机底板8、单片机核心板9、单片机降压板10共同构成单片机单元)，九轴陀螺仪及有毒气体传感器11。

如图4所示，一种井盖安全监测系统，其基于有毒气体检测的网状安全自锁装置。井盖4，通过铰接的合页13与透气网状基座12相连，安全锁控制装置14与井盖设备端采用局域自组网络通信，锁销15可由14控制插入锁孔，固定钢筋16其两端底部固定到地面中。当锁销15插入锁孔时，透气网状基座12连同整个井盖4都被固定，起到防止工作人员冒险下井的作用，同时可透出有毒气体，当其浓度下降到安全线以下后，安全锁可打开，工作人员即可下井工作维修，在平时安全锁也可起到防盗作用。

各个单元模块的工作原理是：

单片机单元：由单片机底板8、单片机核心板9、单片机降压板10构成，采用自主绘制的stm32高性能控制板，具备串口通信、AD电压检测，PWM波输出、降压稳压供电等多种功能，以满足井盖设备端的多种功能需求。

监测单元：由九轴陀螺仪、有毒气体传感器和激光测距仪11构成，监测单元主要监测两方面的安全状态，一方面是井盖倾角的安全状态，该信息在手机App上进行实时更新，主要为行人和过往行车人员服务，另一方面是井下有毒有害气体浓度检测，考虑到其服务特征，该信息并不进行实时更新，采取发送请求的方式获取信息，以降低整个系统的信息传输负担，其可通过扫描井盖钢化玻璃板内部的二维码获得，也可在手机App中点击某个井盖进行获取，主要为将要进入井下作业的工作人员服务。

九轴陀螺仪模块可以输出井盖的俯仰角度及横滚角度，并解算出井盖的倾斜角度，当倾斜角度大于一定值时(该值可设定)即说明井盖状态不安全，并启动报警系统，同时在上传的角度数据中加上报警数据。由于陀螺仪不能直接反馈井盖与水平面的夹角，所以需要设计井盖倾斜角度计算算法。在本专利中，参考飞机姿态的坐标变换算法，用于求解井盖倾斜后井盖平面的法向矢量，再采用数学手段计算出其与水平面法向矢量的夹角，即为两平面夹角，亦为井盖倾角。

有毒气体传感器和测距仪11能有效测量出每个井盖的井下深度，并根据井盖处测得的气体浓度数值判断井下环境是否安全。在井盖设备端收到请求数据的信号后，井盖设备端会在当前姿态数据串的后面添加上有毒气体的状态和井下深度数据，然后发给监测控制中心，再通过网络发送到手机App。井盖下端的内部环境分为很多种，可能会产生多种有毒有害气体，例如城市污水管道内主要存在CH₄、H₂S、CO₂等气体，且在空间分布上各层占比不同，依次为上层甲烷占比最大，中层硫化氢占比最大，下层二氧化碳占比最大。对于需要进入井道内工作的工作人员来说，H₂S是剧毒气体，所以针对H₂S气体进行检测，有毒气体传感器分为多种类型，包含电化学气体传感器、可燃气体传感器、半导体传感器和红外传感器等。在井盖设备端中可选用德国速丽迪公司的4H₂S-100电化学气体浓度传感器，其具有较好的灵敏度、体积小、功耗低等特点。当监测控制中心接收到H₂S气体浓度数据和井盖下方深度数据之后，将其发送到手机App,并可在手机上将其绘制出安全状态分布图，直观的呈现给用户。

报警单元：由单片机底板8构成，单片机底板8上内嵌蜂鸣器及闪烁灯联合用于告警，在井盖状态不安全时启动。

通讯单元：由无线数据传输模块7构成，单片机将数据处理后，通过串口将数据发送到无线数据传输模块，采用WiFi/无线数据传输模块进行数据上传，当网络信号不佳或WiFi无线数据传输模块出现问题时，将自动切换到无线数传模块进行数据传输，最终通过无线网络将数据传输到监测控制中心。

定位单元：由北斗/GPS双模定位模块6构成，北斗卫星具备定时和授时的功能，单片机单元可通过该模块获取当前时间以及位置信息，具有定位信息数据压缩功能；并通过通讯单元上传到监测控制中心，以获取井盖的位置分布图。

供电单元：由电池5及图2中的太阳能充电板组成，太阳能充电板输出电能，由单片机降压板进行稳流，再输入到蓄电池对其进行充电，再由蓄电池对整个系统进行供电。

基于有毒气体检测的网状安全自锁装置：有毒气体检测配合井盖下方的网状安全自锁装置，其只有在井盖下方气体浓度未超标的时候经过专门的工作人员申请数据后才可开启，防止工作人员冒险下井发生中毒事件，同时可防止井盖被盗。若井盖下方有毒气体浓度超标，工作人员则可以将井盖上部打开，通过网状安全装置进行毒气释放，等到井下环境安全之后，工作人员再进入井下工作。

实施例2

一种井盖安全监测系统的优势具体体现为：

(1)远程定位快捷性

利用定位单元(北斗/GPS双模模块)获取北斗/GPS双模定位信号，实现了对井盖位置的精确定位，具有定位信息数据压缩功能；同时可通过通讯单元将信息快速发送至远程的监测控制中心，监测控制中心可将各地井盖安全信息采用手机APP的方式发送给居民，实现对井盖的可视化监管，保障行人，车辆等的安全。

(2)井盖姿态角度识别准确性

利用三轴陀螺仪传感器判断井盖姿态，并设计了基于坐标变换的井盖倾斜角度计算算法，当水平倾斜角度超过设定角度时，判定井盖异常，启动报警单元，同时将报警信息通过无线通讯单元传递至远程的监测控制中心，即可对目标井盖进行实时监控，同时在监测控制中心接收数据后，对井盖状态进行二次判断，以保证井盖姿态角度识别准确性。

井盖倾斜角度计算算法：

飞机由地面坐标系到机体坐标系的转换矩阵为：

式中：ψ为偏航角，θ为俯仰角，

为横滚角

水平面单位法向矢量为：

其顶点坐标为：

[x_g y_g z_g]^T=[0 0 1]^T (3)

对其进行坐标变换，因为计算倾角只需要用到俯仰角和横滚角，所以令偏航角为0，可得到变换后法向矢量的顶点坐标为：

所以变换后的单位法向矢量为：

即可求得井盖倾角为：

(3)基于有毒气体检测的安全自锁装置

采用激光进行测距，相比同类产品使用的超声波，其精度较高，用于检测井盖下方深度。井盖设备端中集成的有毒气体传感器可以检测到井盖位置的有毒气体浓度，由此控制安全自锁装置，以保障井下工作人员的安全，并且具有防盗功能。

(4)系统低功耗

采用各类单片机中性价比较高的stm32单片机，使用其低功耗模式，以降低电量消耗。如果想要进一步降低功耗，可以采用MSP430单片机，MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处理器。

(5)数据压缩方法

在井盖设备端向监测控制中心发送数据时，采用按位存储的无符号2进制数进行发送，最大程度减少发送的数据量。将要发送的角度数据、安全状态数据和有毒气体检测状态数据等进行转换压缩，其中，角度数据为-90度到90度的有符号整形变量，在原角度基础上加上90度将其转换成0-180的无符号整形变量再以2进制数进行发送。安全状态数据和有毒气体检测状态数据都为0或1的开关量，为缩短数据串长度，仅用两位2进制数进行发送。获取的时间和定位经纬度时空信息根据这些数据自身的特点进行相应的不同编码方式变换处理，压缩操作将需要占用几十个字节长度的信息编码成只需10个字节，极大降低了数据传输的长度，也间接的降低了系统的功耗。数据帧格式定义如图5所示：井盖状态18，有毒气体检测状态19，角度数据20，时空信息21；

(6)数据接收及正确性校验

监测控制中心接收数据时，需要识别数据的起始位，所以在数据帧前加一个8位的特殊字符作为帧头。接收到数据后，还需要判别当前的数据是否有效，所以在数据帧尾加一个8位的特殊字符作为帧尾，进行奇偶校验，所以最终的一帧数据格式如图6所示：帧头17，井盖状态18，有毒气体检测状态19，角度数据20，时空信息21，奇偶校验22，帧尾23。

以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (3)

1.一种井盖安全监测系统，其特征在于：包括井盖设备端，所述设备端嵌入到目标井盖结构中，分别设有定位单元、监测单元、报警单元、通讯单元和供电单元；定位单元采用北斗/GPS双模模块获取卫星定位数据，具有定位信息数据压缩功能；监测单元为核心，集成了有毒气体传感器、激光测距仪和九轴陀螺仪；报警单元采用蜂鸣器和闪烁灯联合告警；通讯单元采用WiFi/无线传输模块，能将井盖数据实时传送到监测控制中心；供电单元由可充电蓄电池、太阳能发电板共同组成。

2.根据权利要求1所述的一种井盖安全监测系统，其特征在于：所述设备端为一个封装严密的长方体盒状装置，各单元置于长方体盒内部，上表面引出天线头并贴于表面；井盖下端为基于有毒气体的安全自锁装置，与井盖上部采用合页连接，只打开上部即可进行透气操作；监测单元包括姿态检测、测距和有毒气体检测传感器。

3.根据权利要求1所述的一种井盖安全监测系统，其特征在于：所述太阳能发电板置于长方体盒上表面，长方体盒底部采用毛细孔进行防水。

Images