基于低功耗广域网的窨井环境监测方法、设备和系统与流程

本发明涉及物联网技术，具体涉及一种基于低功耗广域网的窨井环境监测方法、设备和系统。

背景技术：

随着物联网产业的快速发展，无线传感网技术得到快速发展及应用。目前，已经有很多发明专利及文章提出了将无线传感网技术及其他无线通讯方法应用到窨井盖及窨井管道的管理系统之中。已提出的技术方案多采用zigbee或gprs技术作为无线通讯的解决方案，并且监测对象也多集中在窨井盖、井下环境质量等方面，尤以监测窨井盖丢失或损坏的专利居多。

随着lora和nb-iot通讯技术的推广，使用此两项技术的窨井监测产品、技术和专利也逐渐被提出，但是设备电池使用寿命和危险预警及时性这两个方面的问题，始终是困扰窨井监测系统的常见问题。常规的做法是要么降低设备电池的使用寿命，增加采集频次，以保证危险预警的及时性；要么牺牲危险预警的及时性，降低采集频次，增加设备的使用寿命。而本发明所使用的采集方法和能耗模型则可以解决这一问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供基于低功耗广域网的窨井环境监测方法、设备和系统，以在保证安全性的同时，进一步延长窨井监测设备的电池使用寿命。

根据本发明的第一方面，提供一种基于低功耗广域网的窨井环境监测方法，包括：

通过至少一个传感器检测窨井中的至少一种环境参数；

对于每一种环境参数，在当前采样的该环境参数与预警阈值的差距大于预定值时，根据估计的电池工作寿命来确定与下一次采样的时间间隔，在当前采样的该环境参数与预警阈值的差值小于预定值时，根据所述差值、该环境参数的历史变化趋势以及本次采样与前一次采样之间的时间间隔来确定与下一次采样的时间间隔；以及

通过低功率广域网实时上报采样获取的所有环境参数。

优选地，根据所述差值、该环境参数的历史变化趋势以及本次采样与前一次采样之间的时间间隔来确定与下一次采样的时间间隔包括：

根据如下公式以递归方式确定与下一次采样的时间间隔：

δtk＝|δtk-1+[(sk-2-sk-1)/(sw-sk-1)]*δtk-2|

其中，采集时间间隔：δtk＝tk-tk-1，tk为第k次采集时间，tk-1为当前采样的采集时间；δtk为下次采样间隔；δtk-1为本次采样间隔；δtk-2为前一次采样间隔；sk-1为当前采样获得的环境参数；sk-2为前一次采样获得的环境参数；sw为所述预警阈值。

优选地，根据估计的电池工作寿命来确定与下一次采样的时间间隔包括：

根据如下公式估算电池的工作寿命：

其中，tlc为电池的生命周期，ebat为电池的容量，ps为单次采样所消耗的电量，pt为单次发送数据所消耗的电量，pl为电池自放电所消耗的电量，us为设备待机状态所消耗的电流，δt为电池的总使用时间；以及，

根据估算的电池工作寿命和预定的期望寿命，延长或缩短与下次采样的时间间隔。

优选地，根据估算的电池工作寿命和预定的期望寿命，延长或缩短与下次采样的时间间隔为根据所有窨井环境监测设备的电池工作寿命历史数据调整所述时间间隔。

优选地，当所述预定值为该环境参数对应的预警阈值的0.2倍。

优选地，所述方法还包括：

在估算的电池工作寿命小于最小寿命阈值时，进行告警。

优选地，所述至少一个传感器包括温湿度传感器、气体传感器、渗漏传感器、液位传感器以及压力传感器中的一种或多种。

第二方面，提供一种基于低功耗广域网的窨井环境监测设备，包括：

至少一个传感器；

低功耗广域网通信部件；

控制器；

存储器，用于存储可执行指令，所述可执行指令被控制器执行时执行如上所述的方法。

第三方面，提供一种基于低功耗广域网的窨井环境监测系统，包括：

服务器；以及

多个如上所述的基于低功耗广域网的窨井环境监测设备。

通过判断传感器当前采样的环境参数是否远离预警阈值，在远离时，以电池工作寿命优先的策略确定下一次采样时间，在环境参数接近预警阈值时，以安全优先的策略确定下一次采样时间，由此，可以在保证安全性的同时，进一步延长窨井监测设备的电池使用寿命。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是本发明实施例的基于低功耗广域网的窨井环境监测系统的示意图；

图2是本发明实施例的基于低功耗广域网的窨井环境监测设备的示意图；

图3是本发明实施例的基于低功耗广域网的窨井环境监测方法的流程图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1是本发明实施例的基于低功耗广域网的窨井环境监测系统的示意图。如图1所示，所述系统包括多个窨井环境监测设备a和服务器b。窨井环境监测设备a安装于窨井中，优选与窨井盖连接，用于监控井下环境，获取环境参数，并基于低功耗广域网上报至服务器b。服务器b是装载有预定程序的通用数据处理装置。服务器b可以根据各窨井环境监测设备a上报的环境参数对窨井设施进行有效地监控和管理。服务器b可以基于位置服务来显示地理分布的各窨井设置的状态，在检测到异常时进行报警等。

图2是本发明实施例的基于低功耗广域网的窨井环境监测设备的示意图。如图2所示，窨井环境监测设备包括包括低功耗广域网通信部件1、行程开关2、行程开关传感器3、电源管理电路4以及控制器5。其中，低功耗广域网通信部件1用于基于低功耗广域网进行通信。低功耗广域网是面向物联网中远距离和低功耗的通信需求，近年出现的一种物联网网络层技术。现有的网络协议例如，lora,weigthless，802.11ah，nb-iot都属于低功耗广域网络技术的一种。在本实施例中，低功耗广域网通信部件1采用1ghz以下的免费频段，通讯距离远。

行程开关2与窨井盖连接，随所述窨井盖打开或关闭。行程开关(又称限位开关)是一种常用的小电流电器。利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动。行程开关传感器3与所述行程开关2连接，用于检测所述行程开关的状态。电源管理电路4用于根据行程开关的状态控制电源状态。

具体地，电源管理电路4可以包括低能耗管理电路41，其用于控制电源在工作状态或低能耗状态间切换。低能耗管理电路41在窨井盖打开时控制电源处于工作状态，在窨井盖关闭后处于低能耗状态。低能耗管理电路41还可以在处于低能耗状态预定时间后关闭电源。电源管理电路4还可以包括电池监测电路42，其用于检测电池状态，并向控制器5反馈。控制器5可以在电池电量过低时发出告警信息，提示进行维护。同时，本实施例对电源采用微功耗涉及，使得平均功耗小于1mw。

控制器5与所述低功耗广域网通信部件1、行程开关传感器3以及电源管理电路4连接，用于进行信息的交互。

优选地，本实施例的基于低功耗广域网的多功能窨井环境监测装置还包括井下环境监测部件6，其与所述控制器5连接，用于检测井下环境参数。井下环境监测部件6可以是多个分离的传感器，也可以是集成多种功能的传感器。具体地，所述井下环境监测部件6可以包括温湿度传感器、气体传感器、渗漏传感器、液位传感器以及压力传感器中的一种或多种。由此，井下环境监测部件6可以实现对于井下温湿度、有害气体含量、是否存在渗漏、液位以及井内压力实现全方面的监控。同时，所有的传感器可以通过标准数据接口以可拆卸的方式与主体电路，也即控制器连接，由此，可以根据需要灵活加装或减配传感器。进一步，控制器5用于控制所述低功耗广域网通信部件1上报所述井下环境参数。由此，使得无论是巡检人员使用的手持终端或者控制中心或者预定的服务器均可以实时获取井下的相关信息。

控制器5用于控制低功耗广域网通信部件1上报所述行程开关2的状态。由此，控制中心可以根据上报获得状态信息实时地监控所有窨井盖的状态。同时，控制器5控制各传感器的采样时间间隔以及信息上报的时间间隔以在保证监控的实施有效性和最大化电池工作寿命之间获得平衡。

具体地，控制器5执行如图3所示的方法流程。图3是本发明实施例的基于低功耗广域网的窨井环境监测方法的流程图。如图3所示，所述方法包括：

步骤s100、通过至少一个传感器检测窨井中的至少一种环境参数。

如上所述，所述至少一个传感器包括温湿度传感器、气体传感器、渗漏传感器、液位传感器以及压力传感器中的一种或多种。由此，至少一种环境参数包括温湿度、有害气体浓度、是否发生渗漏、井内液位以及井内压力中的一种或多种。

步骤s200、对于每一种环境参数，判断当前采样的该环境参数与对应的预警阈值的差距是否大于预定阈值，如果是，则转步骤s300，否则，转步骤s400。

在本实施例中，所述预定阈值为对应的预警阈值的0.2倍。也就是说，当前的环境参数小于预警阈值的0.8倍时，也即，sk-1<0.8*sw时，可以认为当前的环境参数原理预警阈值，可以采用工作寿命优先的策略来确定采样间隔。

步骤s300、对于每一种环境参数，在当前采样的该环境参数与预警阈值的差距大于预定值时，根据估计的电池工作寿命来确定与下一次采样的时间间隔。

具体地，步骤s300包括：

步骤s310、根据如下公式估算电池的工作寿命：

其中，tlc为电池的生命周期，ebat为电池的容量，ps为单次采样所消耗的电量，pt为单次发送数据所消耗的电量，pl为电池自放电所消耗的电量，us为设备待机状态所消耗的电流，δt为电池的总使用时间。σ符号用于对每次消耗的能量进行累计求和。

步骤s320、根据估算的电池工作寿命和预定的期望寿命，延长或缩短与下次采样的时间间隔。

具体地，可以通过大数据分析，根据所有窨井环境监测设备的电池工作寿命历史数据调整所述时间间隔。大数据分析可以在服务器b进行，并定时将计算结果下发到各窨井监测设备。

可选地，也可以以预定的表格方式基于电池工作寿命和预定的期望寿命之间的差值来确定采样的时间间隔。

步骤s400、在当前采样的该环境参数与预警阈值的差值小于预定值时，根据所述差值、该环境参数的历史变化趋势以及本次采样与前一次采样之间的时间间隔来确定与下一次采样的时间间隔。

具体地，步骤s400包括：

根据如下公式以递归方式确定与下一次采样的时间间隔：

δtk＝|δtk-1+[(sk-2-sk-1)/(sw-sk-1)]*δtk-2|

其中，采集时间间隔：δtk＝tk-tk-1，tk为第k次采集时间，tk-1为当前采样的采集时间；δtk为下次采样间隔；δtk-1为本次采样间隔；δtk-2为前一次采样间隔；sk-1为当前采样获得的环境参数；sk-2为前一次采样获得的环境参数；sw为所述预警阈值。由此，可以采用递归的方式来确定采样时间间隔，在环境参数接近或高于预警阈值时，快速地提高采样频率，保证监控的有效性和系统的安全性。

步骤s500、通过低功率广域网实时上报采样获取的所有环境参数。

在步骤s500后，返回步骤s100进行下一次采样。如此循环。

优选地，还可以在估算的电池工作寿命小于最小寿命阈值时，进行告警。所述告警可以通过低功耗广域网上报到服务器b，并由服务器b进一步向客户端进行告警。由此，可以及时提醒巡检人员进行设备维护。

通过判断传感器当前采样的环境参数是否远离预警阈值，在远离时，以电池工作寿命优先的策略确定下一次采样时间，在环境参数接近预警阈值时，以安全优先的策略确定下一次采样时间，由此，可以在保证安全性的同时，进一步延长窨井监测设备的电池使用寿命。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。