CN220171428U - 一种井盖在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种井盖在线监测装置，包括集成电路板，集成电路板包括检测模块，用于检测井盖当前的状态信息；微处理器，用于接收并处理检测模块发送的状态信息；通讯模块，用于接收微处理器处理后的状态信息，并将处理后的状态信息发送给后台终端；其中，通讯模块包括NB‑IOT通信模块和USIM卡，USIM卡与NB‑IOT通信模块的引脚之间连接有瞬态抑制二极管，且瞬态抑制二极管并联有滤波电路，本申请具有提高了抗干扰能力和数据通信的稳定性、可及时且完整地传递通信数据的优点。

Description

一种井盖在线监测装置

技术领域

本申请涉及井盖监测技术领域，尤其涉及一种井盖在线监测装置。

背景技术

窨井是城市地下管线中专、控制的地下空间，在城市中所有的公共供水、污水渠、电话线、光纤网络等都透过窨井下的地下通道联结。窨井是其向地面的出口，被窨井盖覆盖。地下管道多是直线的，当需要转向时，在转向位设置窨井，目的是使直线管道不易阻塞，而且易于安装管线。窨井包括窨井外框、导水槽和窨井盖，其中窨井外框是通过混泥土固定到预留基槽中，而窨井盖则直接盖在窨井外框上面。对于城市道路中，窨井与窨井间距一般为40m～60m，据不完全统计，1000万人口城市其窨井数量约100万个，因此，窨井的养护是预防由窨井引发的安全事故的关键。

随着使用时间越长，窨井盖与窨井外框之间的间隙会发生改变，导致窨井盖从窨井外框脱落，或者窨井盖发生位移、倾斜(没有盖好)，而相关管理部门不能及时了解异常窨井情况，从而引起发道路安全事故。据不完全统计，仅在2019年，全国因窨井施工、管理、养护不当致人伤亡案件就多大150余件，其中，造成十余人死亡。因此，需要对窨井盖状态进行实时监测，以进行提前防范，而现有监测装置可采用无线通信的方式将获得的窨井盖状态数据传输给后台终端，但是数据信号抗干扰能力较弱，数据通信稳定性较差，导致数据传输不及时或丢失，不利于及时掌握最新数据。

实用新型内容

本申请的主要目的在于提供一种井盖在线监测装置，旨在解决现有监测装置抗干扰能力较弱，数据通信稳定性较差的技术问题。

为实现上述目的，本申请提供一种井盖在线监测装置，包括集成电路板，集成电路板包括检测模块，用于检测井盖当前的状态信息；微处理器，用于接收并处理检测模块发送的状态信息；通讯模块，用于接收微处理器处理后的状态信息，并将处理后的状态信息发送给后台终端；其中，通讯模块包括NB-IOT通信模块和USIM卡，USIM卡与NB-IOT通信模块的引脚之间连接有瞬态抑制二极管，且瞬态抑制二极管并联有滤波电路。

可选地，检测模块包括加速度传感器，用于检测井盖的位置信息，加速度传感器与微处理器通信连接；水浸检测传感器，用于检测井盖是否处于水浸的状态信息，水浸检测传感器与微处理器通信连接。

可选地，通讯模块还包括与微处理器连接的开关控制电路，开关控制电路包括P-MOS管、上拉电阻、钽电容、第一瓷片电容和第二瓷片电容，P-MOS管通过上拉电阻连接电源端口，钽电容、第一瓷片电容和第二瓷片电容并联于P-MOS管上。

可选地，通讯模块还包括与微处理器连接的电平转换电路，电平转换电路包括两个三极管，其中一个三极管分别连接有两个第一电阻，另一个三极管分别连接有两个第二电阻，其中一个三极管与对应两个第一电阻组成串口数据输入NB-IOT通信模块，以输出电平转换电路，另一个三极管与对应两个第二电阻组成串口数据输出NB-IOT通信模块，以输入电平转换电路。

可选地，通讯模块还包括天线接口和LED网络状态指示灯，天线接口连接有PCB天线。

可选地，还包括供电模块，供电模块包括锂亚电池，用于对检测模块和微处理器供电；电容器，电容器与锂亚电池并联。

可选地，还包括外壳体，集成电路板和供电模块均设置于外壳体内，外壳体用于固定于井盖内侧。

可选地，外壳体包括底板，集成电路板和供电模块均设置于底板上；外壳盖，外壳盖与底板可拆卸连接。

可选地，集成电路板和供电模块与底板的连接区域填充有泡沫胶布。

可选地，底板外缘设置有一圈密封槽，密封槽内设置有密封圈。

本申请所能实现的有益效果如下：

本申请通过通讯模块将微处理器处理后的状态发送给后台终端时，由于USIM卡与NB-IOT通信模块的引脚之间连接有瞬态抑制二极管，当其两端受到瞬间的高能量冲击时，瞬态抑制二极管能瞬间地将自身的高阻特性转化为低阻特性，吸收大电流从而其两端的电压钳制在一个确定的值上，从而使后边电路免受瞬态高能量的冲击，从而保护电路安全，以提高数据通信的稳定性，同时结合滤波电路可抑制干扰，有效提高抗干扰能力，从而可及时且完整地向后台终端传递通信数据。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本申请的实施例中一种井盖在线监测装置的结构示意图；

图2为本申请的实施例中微控制器的电路原理示意图；

图3为本申请的实施例中加速度传感器的电路原理示意图；

图4为本申请的实施例中通讯模块的电路原理示意图；

图5为本申请的实施例中集成电路板的结构示意图；

图6为本申请的实施例中集成电路板微带线的结构示意图。

附图标记：

110-集成电路板，120-外壳体，121-底板，122-外壳盖。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

实施例

参照图1-图6，本实施例提供一种井盖在线监测装置，包括集成电路板110，集成电路板110包括检测模块，用于检测井盖当前的状态信息；微处理器，用于接收并处理检测模块发送的状态信息；通讯模块，用于接收微处理器处理后的状态信息，并将处理后的状态信息发送给后台终端；其中，通讯模块包括NB-IOT通信模块和USIM卡，USIM卡与NB-IOT通信模块的引脚之间连接有瞬态抑制二极管，且瞬态抑制二极管并联有滤波电路。

在本实施例中，通过通讯模块将微处理器处理后的状态发送给后台终端时，由于USIM卡与NB-IOT通信模块的引脚之间连接有瞬态抑制二极管，当其两端受到瞬间的高能量冲击时，瞬态抑制二极管能瞬间地将自身的高阻特性转化为低阻特性，吸收大电流从而其两端的电压钳制在一个确定的值上，从而使后边电路免受瞬态高能量的冲击，从而保护电路安全，以提高数据通信的稳定性，同时结合滤波电路可抑制干扰，有效提高抗干扰能力，从而可及时且完整地向后台终端传递通信数据。

需要说明的是，NB-IOT通信模块的型号可采用移远BC260Y；USIM卡即为贴片USIM流量卡芯片；瞬态抑制二极管的型号可采用ESDA6V1-5W6；滤波电路可采用33pF滤波电路。

作为一种可选的实施方式，检测模块包括加速度传感器，用于检测井盖的位置信息，加速度传感器与微处理器通信连接；水浸检测传感器，用于检测井盖是否处于水浸的状态信息，水浸检测传感器与微处理器通信连接。

在本实施例中，加速度传感器在感知到装置倾斜角度大于设定的阈值时，输出高电平，唤醒微控制器。加速度传感器与微控制器采用SPI通信，通信速率为4MByte，确保微控制器能够快速准确的获取当前装置的原始数据，加速度传感器对于可感知井盖是否发生倾斜、位移、或翻转等问题；在道路地势低洼地带，由于污水井连接的排水管发生堵塞，或污水井的进水瞬时流量大，排水来不及等原因，而相关管理部门不能及时了解现场情况进行疏通，导致大量污水从窨井处渗出，渗出的污水蔓延在道路上，造成道路堵塞、交通瘫痪等事故，因此本实施例可通过水浸检测传感器检测井盖是否处于水浸状态，并能及时远程上报给平台，相关部门能够及时的了解现场情况，并作出相应的解决方案。

需要说明的是，加速度传感器可采用意法半导体ST公司的LIS2DH12TR三轴加速度传感器，通过微控制器的配置使其工作在低功耗模式下，其平均功耗小于5uA，采样频率为10Hz，在低功耗运行的同时，能够保证其检测灵敏度。

作为一种可选的实施方式，通讯模块还包括与微处理器连接的开关控制电路，开关控制电路包括P-MOS管、上拉电阻、钽电容、第一瓷片电容和第二瓷片电容，P-MOS管通过上拉电阻连接电源端口，钽电容、第一瓷片电容和第二瓷片电容并联于P-MOS管上。

在本实施例中，该开关控制电路由微控制器直接控制，当需要给NB-IOT通信模块供电时，拉低P-MOS管的G极，P-MOS管导通，并通过钽电容及并联的第一瓷片电容和第二瓷片电容进行滤波，使整个电源电路稳定。需要说明的是，上拉电阻可为1MΩ，钽电容为100uF，第一瓷片电容为100nF，第二瓷片电容为33pF。

需要说明的是，微控制器可采用STM32L051C8T6A低功耗32位MCU，并搭配32.768KHz晶振源，在低功耗模式下，由该晶振源提供始终频率，确保微控制器在每5秒启动一次、以及固定时间上报数据到平台。当需要数据上报时，微控制器通过上述开关控制电路给NB-IOT通信模块供电，并设置相关外设出于正常工作模式，如UART、SPI、LED等。任务或事件处理完成后，微控制器关闭NB-IOT通信模块，设置加速度传感器进入低功耗模式，复位相关外设配置，并进入低功耗模式。微控制器在低功耗模式，被唤醒的条件有两个，一是外部中断，如加速度传感器检测到倾斜大于预设定的阈值，二是水浸传感器检测到装置处于水浸状态中。

作为一种可选的实施方式，通讯模块还包括与微处理器连接的电平转换电路，电平转换电路包括两个三极管，其中一个三极管分别连接有两个第一电阻，另一个三极管分别连接有两个第二电阻，其中一个三极管与对应两个第一电阻组成串口数据输入NB-IOT通信模块，以输出电平转换电路，另一个三极管与对应两个第二电阻组成串口数据输出NB-IOT通信模块，以输入电平转换电路。

在本实施例中，由于微控制器的工作电压等于供电电压，一般为3.6V，NB-IOT通信模块的数据传输引脚电压为1.8V，两者不能直接连接通信，因此本实施例通过电平转换电路能够很好的解决这个问题，该电路可由两个NPN型三级管、2个10KΩ的第一电阻以及2个4.7KΩ的第二电阻组成。

作为一种可选的实施方式，通讯模块还包括天线接口和LED网络状态指示灯，天线接口连接有PCB天线。天线接口可采用SMD-IPEX内针封装接口，PCB天线为分离式PCB天线，用于发射和接收信号。

作为一种可选的实施方式，还包括供电模块，供电模块包括锂亚电池，用于对检测模块和微处理器供电；电容器，电容器与锂亚电池并联。

在本实施例中，可采用4000mAH容量的3.6V锂亚电池(型号为ER18505)，锂亚电池工作温度范围为-60℃～+85℃，完全满足实际使用环境的设计需求，且最大持续放电电流为100mA。对于装置正常数据采集、数据处理是该电池的放电能力足够，但涉及到数据上报时瞬间电流变大则会导致供电能力不足，因此，在锂亚电池旁边并联了一个超级电容器，型号为RHC1520，该超级电容器最大脉冲放电电流为2000mA，且可持续放电电流为500mA。锂亚电池及超级电容器，共同组成装置的供电模块，利用锂亚电池的大容量、自损耗低，以及超级电容器的高瞬间放电的能力，进而满足监测装置的供电需求，大大提到了监测装置的使用寿命。

因此，本实施例采用大容量的锂亚电池供电，并且装置出于低功耗模式状态，理论上能够连续使用七年以上，且能重复使用，对于大面积装配本发明的装置，减少了设备频繁更换的成本。

作为一种可选的实施方式，还包括外壳体120，集成电路板110和供电模块均设置于外壳体120内，外壳体120用于固定于井盖内侧。外壳体120包括底板121，集成电路板110和供电模块均设置于底板121上；外壳盖122，外壳盖122与底板121可拆卸连接，例如螺栓连接。

在本实施例中，由于普通外壳缺乏防挤压结构，进而会造成在进行监测装置的使用时会发生挤压的情况，进而造成监测装置的损坏，因此外壳体120可设计成具有防爆阻燃防挤压结构的外壳，通过螺栓直接固定在窨井盖内侧，外壳盖122内侧可采用横竖交错的承载框设计，有效的提高了外壳体120整体的抗挤压能力，因此本实施例大大降低了监测装置的使用寿命的问题。

因此，本实施例采用的防爆阻燃防挤压结构的外壳设计，接口简单、性能好、生产质量高，满足窨井使用环境。同时，本装置无需拆卸，直接用螺栓固定在窨井盖上，现场施工方便。

作为一种可选的实施方式，集成电路板110和供电模块与底板121的连接区域填充有泡沫胶布。

在本实施例中，集成电路板110和供电模块可通过螺栓固定在底板121上，并在固定面上用3M泡沫胶布进行填充，在长期使用过程中，由于各种原因产生的震动，3M泡沫胶布可以进行有效的缓冲，进而减小了由于刚性连接造成的装置损坏。

作为一种可选的实施方式，底板121外缘设置有一圈密封槽，密封槽内设置有密封圈。

在本实施例中，可在底板121外缘设有一圈2mm宽的密封槽，该槽与外壳盖122相契合，槽内放置一圈弹性密封圈，底板121与外壳盖122用螺栓连接固定时，弹性密封圈受到挤压致使外壳体120整体完全密封，以保证装置在长期使用过程中，装置可防潮防水。

如图2所示，微控制器采用的是意法半导体公司的STM32L051C8T6A(以下简称微控制器或MCU)，R5电阻下拉到地，MCU在上电启动时，BOOT0选择从FLASH程序启动。X1、C10、C11共同构成微控制器的低频外部时钟，其时钟频率为32.768KHz，该时钟主要用于MCU出于低功耗时RTC的工作频率。J1为水浸传感器接口，J1的3引脚(网络标号WATER_IMM)连接到MCU的PB0口，MCU通过该引脚电平的高低获取装置是否出于水浸中，当装置出于水浸时，该引脚输入为高电平，反之，输入为低电平。JP4为MCU的调试接口及程序下载接口。J3为调试接口，其网络标号PSM_EINT、RESET、MRX、MTX、RI分别连接至NB-IOT通信模块。PSM_EINT为NB-IOT通信模块唤醒引脚，MCU输出，通过图4中的Q4连接至NB-IOT的PSM_EINT引脚。当需要传输数据时，MCU输出高电平，通过Q4电平转换后，NB-IOT的PSM_ENIT引脚输入低电平，NB-IOT通信模块被唤醒。RESET标号连接至图4中的Q5，通过Q5三极管的电平变换后连接至NB-IOT通信模块的复位引脚RESET引脚。当需要给NB-IOT通信模块复位时，MCU的PA11输出高电平，通过Q5电平转换后，NB-IOT模组的RESET输入低电平，模组复位。MRX、MTX为MCU的UART TX和RX，波特率为9600，是MCU与NB-IOT数据交互的桥梁。网络标号RI为NB-IOT通信模块唤醒MCU信号输入，通过图4的R6连接到NB-IOT通信模块的RI引脚。电容C5、C6、C7、C8、C9为MCU电源的滤波电容。L2、R3、Q2，组成了系统指示灯LED的驱动电路，MCU的PB3引脚输出高电平，L2指示灯点亮，反之，熄灭。JP2为锂亚电池接口，连接锂亚电池单元。D2为瞬态抑制二极管，对瞬态电压波动有很好的抑制左右，保护后端器件。E2为钽电容，C4为瓷片电容，共同构成了系统电源输入端的滤波电路。JP1为跳线帽接口，用于开发设计过程中测量功耗用，正常使用情况下该接口用跳线帽直接短接。

如图3所示，U3为加速度传感器，其型号为意法半导体公司的LI2DH12TR。所述U3通过网络标号SPI_CLK、SPI_CS、SPI_MISO、SPI_MOSI连接至MCU的SPI1控制接口，MCU与U3采用标准的SPI通信，速率为4MBit。C18瓷片电容，为U3传感器电源输入端的滤波电容，该电容靠近U3电源端位置放置，如图5所示。INT1、INT2网络标号，为U3传感器输出引脚，通过软件配置U3传感器的中断模式，当中断模式满足时，INT1或INT2输出高电平，唤醒MCU。由于U3传感器与MCU之间的通信是采用的高速SPI，因此，MCU与U3的放置距离尽可能的短，以减少因走线过长而带来的干扰信号，如图5所示。

如图4所示，VBAT连接至锂亚电池单元，R2、Q1组成了NB-IOT通信模块的电源开关，R2为1MΩ上拉电阻，上拉至VBAT，网络标号POWER_EN连接至图2中MCU的PA15引脚。当Q1的G极输入高电平时，Q1的SD截止，NB-IOT通信模块电源Vnb为0V，反之，其电压为VBAT。当系统出于低功耗时，MCU的PA15引脚出于浮空状态，网络标号POWER_EN的电平受电阻R2上拉影响，Q1的G端输入为高电平，Q1的SD截止，Vnb电压为0V。L1、R4、Q3组成NB-IOT通信模块网络状态指示灯的驱动电路，NB-IOT的NETLIGHT引脚输出高电平时，Q3导通，L1指示灯点亮，反之，熄灭。D1与图2中的D2一样，均为瞬态抑制二极管，形成EMC保护电路。E1、C1、C2、C3，共同组成NB-IOT通信模块的电源滤波电路。图4中R1、R7、R8为0Ω电阻，调试用，正常使用时为空贴。图4所示中，R10、R11、Q6组成串口数据MCU输入NB-IOT通信模块输出电平转换电路，网络标号MRX连接至MCU的RX端PA10引脚口，网络标号TXD连接至NB-IOT的串口数据输出TXD引脚。Q6三极管的基极通过R10电阻连接至1.8V高电平，Q6出于常导通状态，当TXD为低电平时，由于Q6出于导通状态，MRX也会为低电平，若TXD输出高电平，MRX被R11电阻上拉至Vnb，而由前文得知，此时的Vnb电压等于VBAT，MRX为高电平，与MCU电压一致，完成数据从NB-IOT到MCU传输的电平转换；同理，R12、R14、Q7组成串口数据MCU输出NB-IOT通信模块输入电平转换电路，其原理和前述一样。U4为贴片USIM卡，R14、R15、R16、R17为串联在USIM卡与NB-IOT通信模块之间的电阻，阻值为22Ω，抑制杂散EMI、增强ESD防护。C15、C16、C17为并联在数据线上的33pF瓷片电容，用于滤除射频干扰，D3为ESD保护器件，所述电阻、电容等。

电路保护器件尽量靠近USIM卡摆放，如图5所示。C12、C13、R9为预留π型匹配电路，C12、C13默认不贴，R9为0Ω电阻，一般情况下，射频信号线的阻抗由材料的介电常数、走线宽度(W)、对地间隙(S)、以及参考地面的高度(H)决定。PCB特性阻抗的控制通常采用微带线与共面波导两种方式，如图6所示，展示了阻抗线控制为50Ω时微带线的结构设计。基于本装置的设计，C12、C13、R9元件位置如图5所示。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种井盖在线监测装置，其特征在于，包括集成电路板，所述集成电路板包括：

检测模块，用于检测井盖当前的状态信息；

微处理器，用于接收并处理所述检测模块发送的状态信息；

通讯模块，用于接收所述微处理器处理后的状态信息，并将处理后的状态信息发送给后台终端；其中，所述通讯模块包括NB-IOT通信模块和USIM卡，所述USIM卡与所述NB-IOT通信模块的引脚之间连接有瞬态抑制二极管，且所述瞬态抑制二极管并联有滤波电路。

2.如权利要求1所述的一种井盖在线监测装置，其特征在于，所述检测模块包括：

加速度传感器，用于检测井盖的位置信息，所述加速度传感器与所述微处理器通信连接；

水浸检测传感器，用于检测井盖是否处于水浸的状态信息，所述水浸检测传感器与所述微处理器通信连接。

3.如权利要求1所述的一种井盖在线监测装置，其特征在于，所述通讯模块还包括与所述微处理器连接的开关控制电路，所述开关控制电路包括P-MOS管、上拉电阻、钽电容、第一瓷片电容和第二瓷片电容，所述P-MOS管通过所述上拉电阻连接电源端口，所述钽电容、所述第一瓷片电容和所述第二瓷片电容并联于所述P-MOS管上。

4.如权利要求1或3所述的一种井盖在线监测装置，其特征在于，所述通讯模块还包括与所述微处理器连接的电平转换电路，所述电平转换电路包括两个三极管，其中一个所述三极管分别连接有两个第一电阻，另一个所述三极管分别连接有两个第二电阻，其中一个所述三极管与对应两个所述第一电阻组成串口数据输入所述NB-IOT通信模块，以输出电平转换电路，另一个所述三极管与对应两个所述第二电阻组成串口数据输出所述NB-IOT通信模块，以输入电平转换电路。

5.如权利要求1所述的一种井盖在线监测装置，其特征在于，所述通讯模块还包括天线接口和LED网络状态指示灯，所述天线接口连接有PCB天线。

6.如权利要求1所述的一种井盖在线监测装置，其特征在于，还包括供电模块，所述供电模块包括：

锂亚电池，用于对所述检测模块和所述微处理器供电；

电容器，所述电容器与所述锂亚电池并联。

7.如权利要求6所述的一种井盖在线监测装置，其特征在于，还包括外壳体，所述集成电路板和所述供电模块均设置于所述外壳体内，所述外壳体用于固定于井盖内侧。

8.如权利要求7所述的一种井盖在线监测装置，其特征在于，所述外壳体包括：

底板，所述集成电路板和所述供电模块均设置于所述底板上；

外壳盖，所述外壳盖与所述底板可拆卸连接。

9.如权利要求8所述的一种井盖在线监测装置，其特征在于，所述集成电路板和所述供电模块与所述底板的连接区域填充有泡沫胶布。

10.如权利要求8所述的一种井盖在线监测装置，其特征在于，所述底板外缘设置有一圈密封槽，所述密封槽内设置有密封圈。