一种基于指定路径的地下管道智能检测装置的制作方法

本实用新型涉及一种智能检测装置，尤其是一种指定路径的地下管道智能检测装置。

背景技术：

地下管廊就是“城市市政地下管线综合体”，是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。工程技术人员会被要求经常对地下管网进行巡视、检查维修。任何即将进入或已经进入地下管网进行工作的人员都需要及时了解地下管网的湿度、温度及有害气体浓度及成份。由于在地下，这种采集受到环境的影响，特别是在有毒气体的环境下，有时限制了人的活动。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是地下管线湿度、温度及有害气体限制了人的活动。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种指定路径的地下管道智能检测装置，包括控制装置、无线路由和探测小车；

控制装置包括控制装置MCU、控制装置无线模块以及PC端；控制装置MCU分别与PC端以及控制装置无线模块相连；

探测小车包括小车充电电路、小车锂聚合物电池、小车降压电路、锂电池电量检测模块、氧气传感器、小车无线模块、一氧化碳传感器、摄像头、硫化氢传感器、氰化氢传感器、温湿度传感器、小车MCU、驱动板、电机、车轮、地磁传感器、舵机、机械臂、甲烷传感器以及苯传感器；小车充电电路与小车锂聚合物电池的充电端口相连；小车锂聚合物电池通过降压电路为锂电池电量检测模块、氧气传感器、小车无线模块、一氧化碳传感器、摄像头、硫化氢传感器、氰化氢传感器、温湿度传感器、小车MCU、驱动板、电机、地磁传感器、舵机、甲烷传感器以及苯传感器供电；小车MCU分别与锂电池电量检测模块、氧气传感器、小车无线模块、一氧化碳传感器、摄像头、硫化氢传感器、氰化氢传感器、温湿度传感器、苯传感器、甲烷传感器、舵机、地磁传感器、电机以及驱动板相连；锂电池电量检测模块与小车锂聚合物电池的供电端口相连；机械臂安装在舵机的摆动壁上；电机驱动车轮转动；控制装置无线模块通过无线路由与小车无线模块通信。

采用控制装置无线模块、无线路由以及小车无线模块构成无线通信网络，远程操作探测小车移动，并对地下管网中的湿度、温度及有害气体浓度及成份进行远程监测；采用地磁传感器用于让PC端实时探测小车的方位，及时调整行进角度；氧气传感器的作用是检测地下管道中氧气的浓度，检测地下管道环境，确定工作人员是否可以下去检修；一氧化碳传感器的作用是检测地下管道中一氧化碳的浓度，检测地下管道环境，确定工作人员是否可以下去检修；硫化氢传感器的作用是检测地下管道中硫化氢的浓度，检测地下管道有毒气体是否超标工作人员是否可以下去检修；氰化氢传感器的作用是检测地下管道中氰化氢的浓度，检测地下管道有毒气体是否超标工作人员是否可以下去检修；甲烷传感器的作用是检测地下管道中甲烷的浓度，检测地下管道有毒气体是否超标工作人员是否可以下去检修；苯传感器的作用是检测地下管道中苯的浓度，检测地下管道有毒气体是否超标工作人员是否可以下去检修；温湿度传感器的作用检测地下管道中的温度，湿度是否有利于工作人员下去检修；锂电池电量检测模块用于检测小车电量，防止小车行进中断电，导致系统宕机。

作为本实用新型的进一步限定方案，无线路由包括设置在防水外壳内的路由充电电路、路由锂聚合物电池、路由降压电路、路由MCU以及路由无线模块；路由MCU与路由无线模块相连；充电电路连接至路由锂聚合物电池的充电端口；路由锂聚合物电池通过降压电路为路由MCU以及路由无线模块供电；路由无线模块分别与小车无线模块通信以及控制装置无线模块无线通信。采用防水外壳能够满足地下环境中正常使用无线路由。

作为本实用新型的进一步限定方案，摄像头为红外摄像头。地下管道多为阴暗，光照不强，采用红外摄像头装有多颗高效的红外灯，即使只有微弱的光照，也能清晰成像

作为本实用新型的进一步限定方案，车轮为麦克纳姆轮。车轮采用麦克纳姆轮，可以进行全角度行驶。

作为本实用新型的进一步限定方案，电机为编码电机。电机采用编码电机，编码电机反馈的数据可以让小车MCU进行PID控制，同时知道探测小车的移动速度。

作为本实用新型的进一步限定方案，机械臂为用于铲运无线路由的平铲。采用平铲式机械臂能够方便取放无线路由。

本实用新型的有益效果在于：采用控制装置无线模块、无线路由以及小车无线模块构成无线通信网络，远程操作探测小车移动，并对地下管网中的湿度、温度及有害气体浓度及成份进行远程监测；采用地磁传感器用于让PC端实时探测小车的方位，及时调整行进角度；氧气传感器的作用是检测地下管道中氧气的浓度，检测地下管道环境，确定工作人员是否可以下去检修；一氧化碳传感器的作用是检测地下管道中一氧化碳的浓度，检测地下管道环境，确定工作人员是否可以下去检修；硫化氢传感器的作用是检测地下管道中硫化氢的浓度，检测地下管道有毒气体是否超标工作人员是否可以下去检修；氰化氢传感器的作用是检测地下管道中氰化氢的浓度，检测地下管道有毒气体是否超标工作人员是否可以下去检修；甲烷传感器的作用是检测地下管道中甲烷的浓度，检测地下管道有毒气体是否超标工作人员是否可以下去检修；苯传感器的作用是检测地下管道中苯的浓度，检测地下管道有毒气体是否超标工作人员是否可以下去检修；温湿度传感器的作用检测地下管道中的温度，湿度是否有利于工作人员下去检修；锂电池电量检测模块用于检测小车电量，防止小车行进中断电，导致系统宕机。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构示意图；

图2为本实用新型的小车MCU最小系统原理图；

图3为本实用新型的调试电路原理图。

图4为本实用新型的无线模块电路原理图。

图5为本实用新型的一氧化碳传感器电路原理图。

图6为本实用新型的路由、小车充电电路原理图。

图7为本实用新型的路由降压电路、小车部分降压电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的一种指定路径的地下管道智能检测装置包括：包括控制装置、无线路由和探测小车。

其中，控制装置包括控制装置MCU、控制装置无线模块和PC端；无线路由包括路由充电电路、路由锂聚合物电池、路由降压电路、路由MCU和路由无线模块；探测小车包括小车充电电路、小车锂聚合物电池、小车降压电路、锂电池电量检测模块、氧气传感器、小车无线模块、一氧化碳传感器、摄像头、硫化氢传感器、氰化氢传感器、温湿度传感器、小车MCU、驱动板、电机、车轮、地磁传感器、舵机、机械臂、甲烷传感器和苯传感器。

控制装置MCU分别与PC端和控制装置无线模块相连；路由MCU与路由无线模块相连；充电电路连接至路由锂聚合物电池，路由锂聚合物电池通过降压电路给无线路由的各个模块供电；小车充电电路与小车锂聚合物电池连接到降压电路，为探测小车的各个部件提供电源；小车MCU分别与锂电池电量检测模块、氧气传感器、小车无线模块、一氧化碳传感器、摄像头、硫化氢传感器、氰化氢传感器、温湿度传感器、苯传感器、甲烷传感器、舵机、地磁传感器、电机和驱动板相连；机械臂通过舵机进行工作；电机带动车轮转动，使其运动；锂电池电量检测模块与小车锂聚合物电池相连，监测电池电量；控制装置无线模块与各个无线路由无线模块、小车无线模块进行无线通信连接；控制装置无线模块和路由无线模块、探测小车无线模块均采用2.4G、大功率无线传输模块；摄像头为红外摄像头，下水管道多为阴暗，光照不强，开启高效的红外灯即使只有微弱的光照，也能清晰成像；车轮采用麦克纳姆轮，可以进行全角度行驶；地磁传感器用于让PC端实时知道探测小车的方位，及时调整行进角度；电机采用编码电机，编码电机反馈的数据可以让小车MCU进行PID控制，同时知道探测小车的移动速度；无线路由的作用是将收到的数据一次性转发出去，类似于广播信号；氧气传感器的作用是检测地下管道中氧气的浓度，检测地下管道环境，确定工作人员是否可以下去检修；一氧化碳传感器的作用是检测地下管道中一氧化碳的浓度，硫化氢传感器的作用是检测地下管道中硫化氢的浓度氰化氢传感器的作用是检测地下管道中氰化氢的浓度，甲烷传感器的作用是检测地下管道中甲烷的浓度，苯传感器的作用是检测地下管道中苯的浓度，检测地下管道有毒气体是否超标工作人员是否可以下去检修；温湿度传感器的作用检测地下管道中的温度，湿度是否有利于工作人员下去检修；锂电池电量检测模块用于检测小车电量，防止小车行进中断电，导致系统宕机；无线路由设有用于安装路由充电电路、路由锂聚合物电池、路由降压电路、路由MCU和路由无线模块的防水外壳；探测小车电路设有安装小车充电电路、小车锂聚合物电池、小车降压电路、锂电池电量检测模块、氧气传感器、小车无线模块、一氧化碳传感器、摄像头、硫化氢传感器、氰化氢传感器、温湿度传感器、小车MCU、驱动板、地磁传感器、甲烷传感器和苯传感器的防水外壳；探测小车上的机械臂用于控制探测小车搬运无线路由。

如图2所示，MCU最小系统包括电源（VCC3.3）、单片机(STM32Fxxx)、时钟电路(高速外部时钟电路(HSL：C20、C21、Y2、R21)、(低速外部时钟电路LSE：C23、C24、Y3))、复位电路（R22、C22、R23、S3）四个部分组成，电源并联C26、C27、C28已达到很好的滤波。设计的最小系统中，高速外部时钟电路(HSL)中加一个1M的电容R17，其作用是作为阻抗匹配,使晶体的驱动电路或晶体本身处于更良好的工作条件。复位电路由按键复位和上电复位两部分组成，（1）上电复位：STM32系列单片及为低电平复位，通常在复位引脚NRST上连接一个电容（C22）到GND，再连接一个电阻（R22）到VCC，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时NRST脚上有足够时间的低电平进行复位，随后回归到高电平进入正常工作状态。（2）按键复位：按键复位就是在复位电容(C22)上并联一个开关，当开关按下时电容（C22）被放电、NRST也被拉到低电平，而且由于电容（C22）的充电，会保持一段时间的低电平来使单片机复位。

如图3所示，串口只能下载代码，并不能实时跟踪调试，而利用调试工具，比如 JLINK、 ULINK、 STLINK等就可以实时跟踪程序，从而找到你程序中的 BUG，使你的开发事半功倍。ST Link 支持 JTAG 和 SWD，同时 STM32 也支持 JTAG 和 SWD。所以，我们有 2 种方式可以用来调试， JTAG 调试的时候，占用的 IO 线比较多，而 SWD 调试的时候占用的 IO 线很少，只需要两根（SWDIO和SWCLK）即可。

如图4所示，为无线模块电路图，采用凌承芯公司的超低功耗2.4G无线模块，使用SPI总线（MSIO、MOSI、SCK、NSS）和单片机进行通信，视距15Km，城市环境3Km，穿透力强。RESET 管脚主要是复位无线模块，低电平有效，高电平运行，注意这个管脚一般是在初始化的时候进行操作，初始化操作成功后就严禁使用此管脚，要保持 REST 管脚的高电平，无线模块有6个普通的GPIO，这里我们不需要使用，所以不需要连接，ANT管脚适用于接外置天线的，可以使用弹簧天线，体积较小，安装简单。

如图5所示，为一氧化碳传感器电路图，将采集到的模拟值传输给MCU进行处理，氧气等其他气体传感器也是采集到模拟值传递给MCU。

如图6所示，为无线路由充电电路、探测小车充电电路图，充电电路应用充电芯片CNxxxx进行管理，当锂聚合物电池正在充电的时候，D3指示灯常亮，当锂聚合物电池充满电时，D4指示灯常亮。

如图7所示为无线路由、探测小车部分降压电路图，将锂聚合物电池的电压转化为控制部分所需要的3.3V电压。

无线路由的防水外壳上设有用于充电的接口和放置电源指示灯的孔。

本实用新型的一种指定路径的地下管道智能检测装置在制作时：

由于地下管道里的GPS信号很差，所以我们采用地磁传感器GY-271 HMC5883L三轴磁场传感器，采用IIC通信协议,最大输出频率可达160Hz, 其灵敏度高和可靠性强等特点。

控制装置MCU、路由MCU和小车MCU均采用ST公司的STM32单片机，专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex内核，外围接口非常丰富。

控制装置无线模块、路由无线模块和小车无线传输模块均采用凌承芯公司的超低功耗2.4G无线传输模块，此传输性价比高，传输距离远。

由于电机的偏转角度是有差异的，即电机无法使小车直线行驶。因此采用编码电机通过MCU实现PID算法，确保被小车能够走直线，同时通过编码电机反馈的数据可以知道现在探测小车移动的速度。

小车车轮采用麦克纳姆轮为转运空间有限、作业通道狭窄的环境而设置。

锂电池电量检测模块Baiway公司的 LY6W模块，具有功耗小，检测准确等特点。

本实用新型的一种指定路径的地下管道智能检测装置在工作时，人们可以通过控制装置上的PC端设备，进行绘制探测小车运行路径，绘制完后运行路径发送给探测小车，探测小车开始自动运行，编码电机进行PID调节运行，通过地磁传感器，获取自身的方位，若传输信号薄弱时，通过小车MCU带动舵机，利于机械臂将车上的无线路由放置在路径中，当返回时通过机械臂将将无线路由收回，摄像头具有视频采集的功能，小车上的各个气体传感器用于检测地下管道中的气体浓度，小车MCU通过DCMI接口将视频数据和各气体浓度通过DMA发送给挂在SPI上的小车无线模块，小车无线模块发送采集到的气体浓度数据、视频图像等信息给控制装置无线模块，但由于距离限制，通过探测小车放置在路径中的无线路由，进行数据的转发，最终转发到终点（控制装置）。控制装置无线模块收到数据后通过MCU处理，发送到上位机进行显示对应的数据，无线路由应用动态自愈传输网技术，当无线路由发生故障时，会自动选择在范围内的其他无线传输模块，继续传输数据，保证通信路径的畅通，无线路由不使用时通过舵机控制机械手将其放置在小车上。

该实用新型的创新点如下：

1、探测小车拥有多种气体传感器，可以获取小车所在区域的气体溶度情况，摄像头旁边装有多颗高效的红外灯，即使只有微弱的光照，也能清晰成像。

2、小车自身拥有锂电池电量检测模块，用于检测小车电量，防止小车行进中断电，导致系统宕机。

3、无线路由应用动态自愈传输网技术，当无线路由发生故障时，会自动选择在范围内的其他无线传输模块，继续传输数据，保证通信路径的畅通。

以上是本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本实用新型技术方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。