一種基於壓電效應的井蓋安全監控系統的製作方法
2023-06-21 04:16:56 3
一種基於壓電效應的井蓋安全監控系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於壓電效應的井蓋安全監控系統，包含嵌入式網關、GPRS模塊、Web伺服器和帶井蓋報警器的ZigBee網絡模塊；該帶井蓋報警器的ZigBee網絡模塊與嵌入式網關通過信號連接，嵌入式網關與GPRS模塊通過信號連接，GPRS模塊與Web伺服器通過信號連接；帶井蓋報警器的ZigBee網絡模塊，包括若干個井蓋報警器，井蓋報警器與ZigBee路由器通過信號連接，ZigBee路由器和ZigBee協調器通過信號連接。井蓋報警器包括ZigBee控制器、A/D採集器、嵌入式壓電模塊、自報警模塊以及傳感器，A/D採集器、嵌入式壓電模塊、自報警模塊以及傳感器分別與ZigBee控制器通過信號連接。本發明的有益效果在於：具有自供電和自報警功能，形成井蓋的分布式監控網絡系統。
【專利說明】一種基於壓電效應的井蓋安全監控系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及井蓋安全【技術領域】，尤其是一種基於壓電效應的井蓋安全監控系統。【背景技術】
[0002]據調查統計，中國一般規模城市中市政井蓋每年被盜數量佔整個城市市政井蓋保有量的1%左右，被盜井蓋數量巨大，造成市政運營成本增加；井蓋處於室外，長期經受外力作用，容易破裂損壞，對過往車輛和行人造成陷阱危險；另外下水道如果未按時清淘造成淤積，長時間累積形成沼氣濃度過高，易誘發沼氣中毒、爆炸等危險事件。這些存在的問題必須想辦法進行解決。
[0003]傳統的井蓋防盜技術一般是從機械結構方面設計其防盜功能，由於受製造技術和現場使用環境的影響，最終實施效果不好，不能有效防止偷盜行為發生。市場上也有採用電子報警系統，例如採用3G、GPRS、ZigBee等網絡技術，對井蓋進行安全監控的，但大多使用單一技術，未形成分布式網絡監控效果。
[0004]一些即使對井蓋採用分布式網絡監控系統的，其系統供電問題也較難解決，一般採用是高密度的鋰電池就近供電或電纜遠距離供電。但鋰電池易受潮老化，供電質量無法保證，電纜易被破壞，而且架設困難。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是提供一種基於壓電效應的井蓋安全監控系統，克服了現有技術的不足，具有自報警和自供電功能，形成分布式監控網絡，實時交換控制信號。
[0006]為解決上述技術問題，本發明的技術方案為:提供一種基於壓電效應的井蓋安全監控系統，包含:
嵌入式網關，所述嵌入式網關用於顯示井蓋報警器的實時狀態和位置數據；
GPRS模塊，所述GPRS模塊與嵌入式網關信號連接，所述GPRS模塊用於接收嵌入式網關傳來的報警信息和窨井編碼信息，並將其轉發到具有固定IP位址的Web伺服器中，實現報警數據的上傳，同時將上述報警信息和窨井編碼信息以簡訊形式發送給檢修人員；
Web伺服器，所述Web伺服器與GPRS模塊信號連接，所述Web伺服器用於網絡信息傳輸；以及
帶井蓋報警器的ZigBee網絡模塊，所述帶井蓋報警器的ZigBee網絡模塊與所述嵌入式網關通過信號連接，所述帶井蓋報警器的ZigBee網絡模塊用於實時監測井內光線強度變化以及氣體濃度變化，並實現網路傳輸。
[0007]進一步的，帶井蓋報警器的ZigBee網絡，包括:
若干個井蓋報警器，所述若干個井蓋報警器用於實時監測井內光線強度變化以及氣體濃度變化，得到報警信息；
與井蓋報警器信號連接的ZigBee路由器，所述Zigbee路由器用於接收並保存報警信息並將井蓋報警器的地址信息以及報警信息一起傳輸給ZigBee協調器；以及 與ZigBee路由器信號連接的ZigBee協調器，用於收集網絡中所有井蓋報警器的信息並管理網路上的節點，ZigBee協調器與嵌入式網關相連，並將將其處理後的信息傳輸給嵌入式網關。
[0008]再進一步的，井蓋報警器包括:
傳感器，所述傳感器用於檢測井內的光亮以及氣體濃度；
與傳感器相連的A/D採集器，用於接收來自傳感器的信號以及將接收到的信號轉換為數位訊號；
與A/D採集器相連的ZigBee控制器，用於接收來自A/D採集器的數位訊號並將數位訊號與ZigBee控制器內設置的預設值比較後輸出報警控制信號；
與ZigBee控制器相連的自報警模塊，所述自報警模塊接收報警控制信號並發出報警信號;
與ZigBee控制器相連的嵌入式壓電模塊,用於為ZigBee控制器供電。
[0009]再進一步的，傳感器包括氣體傳感器以及光敏傳感器。
[0010]再進一步的，嵌入式壓電模塊包括壓電材料、整流電路、電子開關、超級電容、高密度鋰電池和電源管理電路，所述壓電材料通過整流電路與超級電容電連接，所述超級電容以及高密度鋰電池通過電子開關與電源管理電路電連接。
[0011]再進一步的，電源管理電路包括:
與壓電材料相連的控制電路，用於接收壓電材料產生的交流電並將交流電轉化為直流
電；
與控制電路相連的降壓電路，用於接收來自控制電路的直流電並將直流電轉換為3.3v的電壓。
[0012]再進一步的，壓電材料為PZT-5單晶片，多層單晶片之間採用並聯連接方式。
[0013]再進一步的，光敏傳感器採用視敏型磷砷化鎵光敏二極體。
[0014]再進一步的，氣體傳感器採用MH-440V/D紅外氣體傳感器。
[0015]再進一步的，ZigBee控制器為針對IEEE 802.15.4應用的片上系統CC2530。
[0016]本發明的有益效果:一種基於壓電效應的井蓋安全監控系統，其中，通過嵌入式壓電模塊和電源管理電路的配合使用，實現了基於壓電效應的混合供電模式，無需接市政供電，具有自供電功能，安裝方便，降低該系統整體運營成本；井蓋報警器上通過設置蜂鳴器和高亮度LED，形成自報警模塊，具有自報警功能。通過帶井蓋報警器的ZigBee網絡進行井蓋報警信號的採集，然後將信號傳輸給GPRS模塊，GPRS模塊通過Web伺服器傳輸給網際網路，最後可通過網際網路查詢和具有簡訊報警功能，形成了分布式監控網絡，具有報警速度快，定位準確，多種模式報警的特點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明。
[0018]圖1是井蓋安全監控系統結構框圖。
[0019]圖2是ZigBee網絡的拓撲圖。
[0020]圖3是井蓋報警器結構框圖。
[0021 ] 圖4是井蓋報警器安裝示意圖。[0022]圖5是嵌入式壓電模塊結構框圖
圖6是井蓋安全監控系統工作原理流程圖。
[0023]圖中標記，I為井蓋報警器,2為ZigBee路由器,3為ZigBee協調器,4為井蓋,5為嵌入式壓電模塊，6為傳感器,7為ZigBee控制器,8為自報警模塊。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖對本發明專利作進一步說明。
[0025]本發明專利的技術方案構思為:採用壓電效應，即在壓電材料上施加一定壓力會產生電荷的原理。當車輛碾壓井蓋，使嵌入在井蓋中的壓電材料產生形變進而產生電荷，機械能轉化為電能，採用超級電容收集電荷，設計電源管理電路實現嵌入式壓電模塊供能。
[0026]通信技術採用ZigBee網絡傳輸報警信號，設計嵌入式網關管理網絡，結合GPRS模塊發送報警信號至井蓋管理部門，採用Web伺服器存儲數據並遠程控制。
[0027]如圖1和圖2所示，一種基於壓電效應的井蓋安全監控系統，包含帶井蓋報警器I的ZigBee網絡模塊、嵌入式網關、GPRS模塊以及Web伺服器。帶井蓋報警器I的ZigBee網絡模塊與嵌入式網關通過信號連接，嵌入式網關與GPRS模塊通過信號連接，GPRS模塊與Web伺服器通過信號連接。
[0028]該帶井蓋報警器I的ZigBee網絡模塊，包括井蓋報警器1、ZigBee路由器2和ZigBee協調器3。井蓋報警器I與ZigBee路由器2通過無線信號連接，ZigBee路由器2和ZigBee協調器3通過無線信號連接。井蓋報警器I在該網絡中作為終端節點，用於採集報警信息，將報警信息無線傳輸給周邊的ZigBee路由器2 ;該ZigBee路由器2接收並保存報警信息，將井蓋報警器I的地址信息以及報警信息一起傳輸給ZigBee協調器3 ；ZigBee協調器3用於收集網絡中所有井蓋報警器I的信息，並管理網路上的節點，ZigBee協調器3與嵌入式網關相連，並將處理後的信息傳輸給嵌入式網關。
[0029]該帶井蓋報警器I的ZigBee網絡模塊為由若干個井蓋報警器UZigBee路由器2和ZigBee協調器3組成混合型拓撲網絡結構，以每條道路為單位部署無線傳感網絡，採用路燈杆或建築物側牆作為ZigBee路由器2的固定支點。各個ZigBee路由器2之間組成網狀拓撲結構，可通過多跳通信實現遠距離傳輸，使監測作用不受道路長短的影響；網狀拓撲結構形成了冗餘路由，保證了網絡數據傳輸的可靠性。
嵌入式網關的硬體晶片為三星公司的ARMll系列6410，軟體採用QT設計界面，用於顯示井蓋報警器I的實時狀態和位置數據；GPRS模塊選用SIM900A模塊，用於接收嵌入式網關傳來的報警信息和窨井編碼信息，並將其轉發到具有固定IP位址的Web伺服器中，實現報警數據的上傳，同時將上述報警信息和窨井編碼信息以簡訊形式發送給檢修人員，提醒相關人員及時維修和處理；Web伺服器作為現有技術，這裡不做詳細說明。
[0030]該系統的工作原理:井蓋報警器I作為數據傳輸的終端監控節點，將報警信息以及井蓋報警器I的地址信息一起通過ZigBee路由器以及ZigBee協調器傳送到嵌入式網關中，嵌入式網關及時處理數據並顯示報警位置，然後將處理後的數據通過GPRS模塊統一發送至固定IP位址的Web伺服器上，用戶通過Web伺服器可以查詢每個井蓋的實時安全狀態和地理位置；同時GPRS模塊將上述報警信息和窨井編碼信息以簡訊形式發送給檢修人員，提醒相關人員及時維修和處理。[0031]如圖3和圖4所示，該井蓋報警器I包括ZigBee控制器7、A/D採集器、嵌入式壓電模塊5、自報警模塊8以及傳感器6。該傳感器6由光敏傳感器和氣體傳感器集成在一起組成，用於採集光信號和氣體信號；該自報警模塊8由蜂鳴器和高亮度LED燈集成在一起組成，蜂鳴器以及高亮度LED分別用於發出聲光報警信號。傳感器6的光敏傳感器和氣體傳感器實時檢測井內的光信號以及氣體濃度信號，並且傳感器6將採集到的信號傳送給A/D採集器;A/D採集器將來自傳感器6的信號轉換為數位訊號並將得到數位訊號傳遞給ZigBee控制器7 ； ZigBee控制器7接收來自A/D採集器的數位訊號，當接收到的數位訊號高於ZigBee控制器7內的預設值時，ZigBee控制器7輸出啟動報警控制信號；蜂鳴器以及高亮度LED接收來自ZigBee控制器7的啟動報警控制信號，蜂鳴器發出報警聲，高亮度LED發光。同時，嵌入式壓電模塊5通過導線連接Zigbee控制器7，用於供電。
[0032]作為優選方式，該Zigbee控制器7採用TI公司生產的，針對IEEE 802.15.4應用的片上系統CC2530，內部集成了工作在2.4GHz的射頻發射器，擁有低功耗的8051MCU內核。光敏傳感器米用視敏型磷砷化鎵光敏二極體，光敏二極體適用於可見光範圍，紅外光全截止，頻譜曲線近似人眼，暗態電流極低；壽命長，可靠性高。氣體傳感器採用MH-440V/D紅外氣體傳感器，用於檢測下水道沼氣是否超標。
[0033]該井蓋報警器I的嵌入壓電式模塊5設置在井蓋4和地面之間，傳感器6、ZigBee控制器7和自報警模塊8集中設置在井蓋4的下方。平時ZigBee控制器7處於休眠狀態。通過傳感器6採集數據，當有異常情況發生時,喚醒ZigBee控制器7, ZigBee控制器7控制自報警模塊8實現自報警功能，將信息傳輸給ZigBee網絡。
[0034]該井蓋報警器I的工作原理為:當車輛和行人碾壓井蓋4時，嵌入式壓電模塊5由於壓電效應會產生電流，繼而為ZigBee控制器7供電。當打開井蓋4時，安裝在井蓋4下方的傳感器6中的光敏傳感器感知光線，發出報警信號給周邊的ZigBee路由器2 ;當井蓋4下方沼氣偏高時，傳感器6中的氣體傳感器感知濃度，發出報警信號給周邊的ZigBee路由器2。當窨井蓋損壞或被盜後，可見光進入窨井後，光敏傳感器通過而喚醒窨井監測單元而發送報警信息。當出現井蓋4被盜的情況後，ZigBee控制器7輸出信號，控制蜂鳴器產生高分貝的報警聲響，同時輸出信號控制高亮度LED燈不斷閃爍的高強光，從而實現對偷盜者的警示和提醒行人注意危險的作用。
[0035]如圖5所示，該嵌入式壓電模塊5包括壓電材料、整流電路、超級電容、高密度鋰電池、電源管理電路以及電子開關。壓電材料通過整流電路與超級電容電連接，超級電容以及高密度鋰電池通過電子開關與電源管理電路電連接。
[0036]作為優選方式，壓電材料選用PZT-5單晶片，並採用單晶片相互並聯的連接方式，放置於井蓋與地面接觸處。利用車輛和行人碾壓井蓋4，該嵌入式壓電模塊5受壓力產生電能，為ZigBee控制器7供電。電源管理電路包括控制電路和降壓電路，所述控制電路與降壓電路電連接，控制電路採用LTC3588，專門針對壓電傳感器等高阻抗源設計的一款低功耗晶片，將壓電材料輸出的高電壓，低功率的交流電轉化為直流電。降壓電路採用漏電流較小的降壓晶片MAX666組成，將輸出電壓轉為單片機需要的3.3V。控制電路主要負責進行混合供電的切換，採用低功耗的電子開關晶片ADG801實現。超級電容作為現有技術，此處不作詳細描述。
[0037]該嵌入式壓電模塊5的工作原理為:壓電材料輸出較大電壓,較小電流的交流電信號，通過整流後存儲，存儲介質選用超級電容，容量大小為1.5F。壓電材料和超級電容之間通過整流電路連接。超級電容以及高密度鋰電池採用電子開關與電源管理電路選擇連接，當超級電容上面電壓高於工作電壓時，電子開關選擇超級電容進行供電輸出，當超級電容電壓低於工作電壓時，開關選擇鋰電池進行供電輸出。
[0038]如圖6所示，該井蓋安全監控系統的工作原理流程圖:為達到省電效果，該井蓋報警器I開始處於睡眠狀態。當任意兩種情況發生時，即會喚醒井蓋報警器I，第一種情況:當檢測到井蓋4被翹起，光線從較小值突變到極大值，喚醒井蓋報警器I ;第二種情況，當沼氣濃度超標後，喚醒井蓋報警器I。井蓋報警器I讀取井蓋ID信息和報警信號，通過ZigBee網絡將井蓋ID信息和報警信號發送到嵌入式網關，嵌入式網關接收相關信息後，通過GPRS模塊將相關信息發送到固定IP位址的Web伺服器上面，同時發送報警簡訊給相關人員。
[0039]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種基於壓電效應的井蓋安全監控系統，包含: 嵌入式網關，所述嵌入式網關用於顯示井蓋報警器的實時狀態和位置數據； GPRS模塊，所述GPRS模塊與嵌入式網關信號連接，所述GPRS模塊用於接收嵌入式網關傳來的報警信息和窨井編碼信息，並將其轉發到具有固定IP位址的Web伺服器中，實現報警數據的上傳，同時將上述報警信息和窨井編碼信息以簡訊形式發送給檢修人員；以及Web伺服器，所述Web伺服器與GPRS模塊信號連接，所述Web伺服器用於網絡信息傳輸， 其特徵在於:還包括帶井蓋報警器的ZigBee網絡模塊，所述帶井蓋報警器的ZigBee網絡模塊與所述嵌入式網關通過信號連接，所述帶井蓋報警器的ZigBee網絡模塊用於實時監測井內光線強度變化以及氣體濃度變化，並實現網路傳輸。
2.按照權利要求1所述的井蓋安全監控系統，其特徵在於:所述帶井蓋報警器的ZigBee網絡模塊，包括: 若干個井蓋報警器，所述井蓋報警器用於實時監測井內光線強度變化以及氣體濃度變化，得到報警信息； 與井蓋報警器信號連接的ZigBee路由器，所述Zigbee路由器用於接收並保存報警信息並將井蓋報警器的地址信息以及報警信息一起傳輸給ZigBee協調器；以及 與ZigBee路由器信號連接的ZigBee協調器，用於收集網絡中所有井蓋報警器的信息並管理網路上的節點，ZigBee協調器與嵌入式網關相連，並將處理後的信息傳輸給嵌入式網關。
3.按照權利要求2所述的井`蓋安全監控系統，其特徵在於:所述井蓋報警器包括: 傳感器，所述傳感器用於檢測井內的光亮以及氣體濃度； 與傳感器相連的A/D採集器，用於接收來自傳感器的信號以及將接收到的信號轉換為數位訊號； 與A/D採集器相連的ZigBee控制器，用於接收來自A/D採集器的數位訊號並將數位訊號與ZigBee控制器內設置的預設值比較後輸出報警控制信號； 與ZigBee控制器相連的自報警模塊，所述自報警模塊接收報警控制信號並發出聲光報警信號； 與ZigBee控制器相連的嵌入式壓電模塊,用於為ZigBee控制器供電。
4.按照權利要求3所述的井蓋安全監控系統，其特徵在於:所述傳感器包括氣體傳感器以及光敏傳感器。
5.按照權利要求3所述的井蓋安全監控系統，其特徵在於:所述嵌入式壓電模塊包括壓電材料、整流電路、電子開關、超級電容、高密度鋰電池和電源管理電路，所述壓電材料通過整流電路與超級電容電連接，所述超級電容以及高密度鋰電池通過電子開關與電源管理電路電連接。
6.按照權利要求5所述的井蓋安全監控系統，其特徵在於:所述電源管理電路包括: 與壓電材料相連的控制電路，用於接收壓電材料產生的交流電並將交流電轉化為直流電； 與控制電路相連的降壓電路，用於接收來自控制電路的直流電並將直流電轉換為3.3V的電壓。
7.按照權利要求5所述的井蓋安全監控系統，其特徵在於:所述壓電材料為PZT-5單晶片，多個單晶片之間採用並聯連接方式。
8.按照權利要求4所述的井蓋安全監控系統，其特徵在於:所述光敏傳感器採用視敏型磷砷化鎵光敏二極體。
9.按照權利要求4所述的井蓋安全監控系統，其特徵在於:所述氣體傳感器採用MH-440V/D紅外氣體傳感器。
10.按照權利要求3所述的井蓋安全監控系統，其特徵在於:所述ZigBee控制器為針對IEEE 802.15.4應用的片上系統CC2530。
【文檔編號】G08B13/00GK103514722SQ201310499252
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月22日 優先權日:2013年10月22日
【發明者】李志 , 韋鵬程, 羅青青, 鄒曉兵, 吳海霞, 李宗建, 佔建 申請人:李志