一种地下井状态实时监测终端监测方法及系统

1.本发明涉及市政建设技术领域，尤其涉及一种地下井状态实时监测终端监测方法及系统。


背景技术：

2.市政基础设施包括诸多方面，而地下井是其关键性的一方面，地下井的重要作用是对地下设施的保护，和对深井的遮盖，避免物体坠落井内对井下设施造成损毁的同时也防止人的意外坠落。
3.中国专利申请公布号cn114396078a发明专利申请公开了一种窨井状态实时监测井盖；该井盖包括设于窨井上的井座和接于井座内的电力井盖，还包括水浸传感组件、磁感应传感器、主控模块、无线传输模块与电源模块；其中水浸传感组件浸泡于水中能够产生电流，主控用于接收水浸传感组件和磁感应传感器的动磁部分发出的电信号并进行处理后将处理结果通过无线传输模块发送至外部服务器；通过设置水浸传感组件的位置可以对井内报警水位做设置，可以实现对井内水位的有效监测；但是该技术方案存在采集数据单一的问题，使用的传感器仅能对井下水位做监测；并且使用的传感组件采集方式为被动采集，无法做到对井下水位的主动获取，仅当水位触及传感组件才会产生报警信息，实际工作时无法辨别设备是否在正常工作；
4.中国专利授权公告号cn105046871b的发明专利公开了一种井盖监测装置及井盖；该监测装置包括水浸开关、压力传感器、角度传感器、微处理器、电源与通信模块；其中水浸开关与压力传感器相连，对井下水位做到监测；角度传感器用以探测井盖的倾斜角度；微处理器获取水位信息与井盖倾斜角度信息，经过处理通过通信模块发送至上位机；通过设置水浸开关的位置可以做到对液面高度的实时监测，通过设置角度传感器可以对井盖的倾斜做实时监测，实现了对井下水位与井盖倾斜状态的较好监测；但是该技术方案存在几个问题；首先，要实现对液面高度的有效获取，需要将水浸开关置于警戒水位处，若井较深则需要长距离的线缆；其次对于井下信息的采集也缺少较为重要的天然气浓度信息，无法预防地下井因天然气泄漏造成的爆炸事故；另外，该技术方案中，监测装置的微处理器仅在出现报警信息时被唤醒工作，相关工作人员不能随时主动获取信息。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种地下井状态实时监测终端监测方法及系统。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.一种地下井状态实时监测终端监测方法，包括以下步骤：
8.通过检测装置检测地下井状态实时数据；
9.将检测的数据汇集至主控装置；
10.通过无线通信装置将主控装置数据上传至云平台；
11.通过反馈的数据信息对地下井进行实时检查和维护。
12.优选地，所述检测装置包括水位检测装置、天然气浓度检测装置和井盖移位检测装置。
13.优选地，所述水位检测装置采用hc-sr04超声波传感器，所述hc-sr04超声波传感器设置于地下井井盖下方，且垂直朝向地下井的液面方向，所述hc-sr04超声波传感器有trig与echo引脚。
14.优选地，所述天然气浓度检测装置采用mq-4气体传感器，所述mq-4气体传感器设置于地下井井盖下方与地下井内部气体相接触，且mq-4气体传感器采用的气敏材料为二氧化锡。
15.优选地，所述井盖移位检测装置采用lis3dh芯片，所述lis3dh芯片水平设置于地下井井盖的底部。
16.优选地，所述无线通信装置采用lpwan中的nb-iot通信模组；所述云平台采用电信物联网平台ctwing，所述电信物联网平台ctwing通过imei与所述无线通信装置信号连接。
17.优选地，所述主控装置采用stm32l151微控制器，所述stm32l151微控制器与所述hc-sr04超声波传感器、所述mq-4气体传感器和所述lis3dh芯片之间采用信号连接，且stm32l151微控制器设置有与所述hc-sr04超声波传感器、所述mq-4气体传感器和所述lis3dh芯片相对应的安全阈值。
18.一种地下井状态实时监测终端监测系统，包括：
19.水位检测模块，用于检测地下井的水位高度；
20.天然气浓度检测模块，用于检测地下井内部天然气的浓度；
21.井盖移位检测模块，用于检测井盖移位的角度；
22.主控模块，用于对检测的数据进行处理；
23.无线通信模块，用于对处理后的数据进行传输；
24.云平台模块，用于接受数据和下达指令。
25.优选地，所述水位检测模块包括：
26.stm32l151微控制器单元，用于数据的处理和传输；
27.水位检测接口单元，用于接收和处理hc-sr04超声波传感器的数据；
28.天然气浓度检测接口单元，用于接收和处理mq-4气体传感器的数据；
29.井盖移位检测接口单元，用于接受和处理lis3dh芯片的数据。
30.相比现有技术，本发明的有益效果为：
31.1、本发明提供了更全面的地下井监测技术方案。考虑了地下井的水位、天然气浓度与井盖的移动三项重要数据，相较于功能较为单一的地下井监测技术方案功能更为强大，监测更为全面，对于危险的预防效果更为显著。并且相关工作人员可以手动随时获取终端设备信息，无需等待约定上报数据时间，对地下井信息的把握更加主动。
32.2、通过选用nb-iot通信方式、stm32l151微控制器等软件硬件相搭配，可以在保证数据信号稳定传输交换和装置稳定工作的同时，极大减少了整体终端的消耗，而且投入成本低、续航时间长，具有运行稳定、经济性高的优势。
附图说明
33.图1为本发明提出的一种地下井状态实时监测终端监测方法示意图；
34.图2为本发明的终端总体示意图；
35.图3为本发明中主控模块stm32与各功能模块连接通信方式示意图。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
37.参照图1-3，一种地下井状态实时监测终端监测方法，包括以下步骤：
38.s1:通过检测装置检测地下井状态实时数据；
39.s2:将检测的数据汇集至主控装置；
40.s3:通过无线通信装置将主控装置数据上传至云平台；
41.s4:通过反馈的数据信息对地下井进行实时检查和维护。
42.如图1，检测装置包括水位检测装置、天然气浓度检测装置和井盖移位检测装置；
43.在本技术实施例中，检测装置、无线通信装置、主控装置通过一组盒装终端固定与地下井井盖的底部，检测装置、无线通信装置、主控装置设置于终端的内部，且终端的内部设置有电池供各装置正常运行。
44.如图1，水位检测装置采用hc-sr04超声波传感器，hc-sr04超声波传感器设置于地下井井盖下方，且垂直朝向地下井的液面方向，hc-sr04超声波传感器有trig与echo引脚；
45.在本技术实施例中，通过hc-sr04超声波传感器对地下井水位进行检测时，首先通过主控模块装置利用io口给hc-sr04超声波传感器的trig引脚提供10us的高电平信号以触发测距；进一步主控模块装置发送8个40khz的方波信号，并自动检测有误信号反射回来；在信号发出至返回期间内，echo引脚会处于高电平状态，该高电平桩体持续时间t即为超声波发射出去至接受回来的时间t，则传感器与地下井液面的距离l即为：
[0046][0047]
其中，v为声音在空气中的传播速度。
[0048]
如图1，天然气浓度检测装置采用mq-4气体传感器，mq-4气体传感器设置于地下井井盖下方与地下井内部气体相接触，且mq-4气体传感器采用的气敏材料为二氧化锡；
[0049]
在本技术实施例中，mq-4气体传感器中使用的气敏材料为二氧化锡，二氧化锡在清洁空气中电导率低，当环境中存在甲烷气体时，mq-4气体传感器中二氧化锡的电导率会随着甲烷气体的浓度的上升而增大，mq-4气体传感器输出电压随之增高，而天然气中的主要成分即甲烷，因此，通过mq-4气体传感器可以对天然气浓度进行检测；
[0050]
在本技术实施例中，需要说明的是，mq-4气体传感器可以采用nap-55a气体传感器替换，nap-55a气体传感器与mq-4气体传感器数值接近，且工作原理相同。
[0051]
如图1，井盖移位检测装置采用lis3dh芯片，lis3dh芯片水平设置于地下井井盖的底部；
[0052]
在本技术实施例中，通过lis3dh芯片对井盖移位进行检测时，当地下井井盖静止时，lis3dh芯片内部的加速计z轴方向加速度为重力加速度g，lis3dh芯片内部的加速计z轴
与水平面方向垂直；
[0053]
当井盖被翘起移位时，设az为此时加速度计芯片z轴方向的加速度，γ为此时z轴与重力加速度g即竖直方向的方向夹角，α1为加速度计x轴与水平线的夹角即井盖翘起角度。
[0054]
此时由几何关系可推导出az的计算公式如下：
[0055]
γ＝α1[0056]
az＝g
·
cosγ；
[0057]
同时预设值井盖倾角报警阈值，通过将倾角阈值代入α1计算即可得到加速度az的报警阈值，实现通过检测az的值与报警阈值对比实现对井盖移位的监测和报警；
[0058]
在本技术实施例中，lis3dh芯片可以采用adxl345、mpu6050等芯片进行替换，且adxl345、mpu6050与lis3dh芯片数值接近，且工作原理相同。
[0059]
如图1，无线通信装置采用lpwan中的nb-iot通信模组；云平台采用电信物联网平台ctwing，电信物联网平台ctwing通过imei与无线通信装置信号连接；
[0060]
在本技术实施例中，lpwan为低功耗远广域网技术，结合nb-iot的蜂窝网络结构，实现低速窄宽带环境下物联网的有效构建，消耗宽带可低至180khz即可设计和部署gsm网络、umts网络和lte网络，具有覆盖范围广、通信功耗低的优势，可以保证装置长期稳定的运行的同时可以保证对数据进行稳定传输，保证了监测的实时性和预警的及时性；
[0061]
在本技术实施例中，需要说明的是，ctwing平台通过imei与无线通信装置相连接，且每个装置的nb-iot芯片均有独一无二的imei号，因此平台可通过imei号对大量设备进行区分，大大提高监测和统计效率；
[0062]
在本技术实施例中，需要说明的是，通过选择nb-iot通信方式，具有以下优势：
[0063]
链接强度高，在基站数量较少甚至仅适用一个基站的情况下，nb-iot可在满足延迟低、功耗要求低、低成本的网络架构下比传统的无线通信连接技术最多可多出100倍的接入终端数，而且未来物联网技术的使用将会更加广泛，一栋建筑乃至一个房间内可能存在大量需要接入物联网的设备，而且城市地下井具有数量大、密度大的特点，nb-iot技术则可为海量地下井终端联网提供理论基础，为未来接入物联网进行信息交互打下硬件基础；
[0064]
覆盖强度高：nb-iot具有高覆盖的特点，对比lte，nb-iot提升了20db增益，即可提高100倍的覆盖能力保证了信息的稳定交互传输，而且考虑到装置设置于厚重井盖的底部会极大影响信号强度，因此nb-iot的高覆盖特点减小井盖对信息屏蔽的影响，使装置可以设置与地下井的内部；
[0065]
成本低，由于nb-iot模组可直接部署在现有gsm网络频段内，而同为低功耗远广域网中的无线通信技术lora需要自组网，低速率、低功耗、低带宽使得nb-iot芯片的设计可以使用更小的缓存，制作要求的降低带来了低成本优势；
[0066]
功耗低：nb-iot具有psm节电模式工作模式，降低了终端设备的功耗，其在节电模式工作模式下的理论工作电流仅有5μa，大大提高了终端的续航能力，提高各装置的工作时限。
[0067]
如图3，主控装置采用stm32l151微控制器，stm32l151微控制器与hc-sr04超声波传感器、mq-4气体传感器和lis3dh芯片之间采用信号连接，且stm32l151微控制器设置有与hc-sr04超声波传感器、mq-4气体传感器和lis3dh芯片相对应的安全阈值；
[0068]
在本技术实施例中，stm32l151微控制器具有性能稳定、低功耗的特点，需要说明的是，主控装置通过io读写完成对hc-sr04超声波传感器的操作，进而完成水位信息的采集，同时设置有水位预警阈值，当水位信息超过预警阈值时则会发送报警信息；主控装置通过ad转换的方式读取mq-4气体传感器的输出，以此判断天然气浓度是否超过安全阈值，当天然气浓度超过安全阈值时主控装置朝云平台发送报警信息；主控装置通过spi通信协议完成对lis3dh加速度计的操作，读取加速度值，以此判断井盖是否翘起或被异常移动；主控装置通过串口与无线通信装置nb-iot连接，同时利用at指令控制无线通信装置向云平台进行数据传输，同时可以监听云平台的下发指令。
[0069]
如图2，一种地下井状态实时监测终端监测系统,包括：
[0070]
水位检测模块，用于检测地下井的水位高度；
[0071]
天然气浓度检测模块，用于检测地下井内部天然气的浓度；
[0072]
井盖移位检测模块，用于检测井盖移位的角度；
[0073]
主控模块，用于对检测的数据进行处理；
[0074]
无线通信模块，用于对处理后的数据进行传输；
[0075]
云平台模块，用于接受数据和下达指令。
[0076]
如图2，水位检测模块包括：
[0077]
stm32l151微控制器单元，用于数据的处理和传输；
[0078]
水位检测接口单元，用于接收和处理hc-sr04超声波传感器的数据；
[0079]
天然气浓度检测接口单元，用于接收和处理mq-4气体传感器的数据；
[0080]
井盖移位检测接口单元，用于接受和处理lis3dh芯片的数据。
[0081]
本发明中，在日常工作中，通过hc-sr04超声波传感器可以对地下井水位进行检测，首先通过主控模块装置利用io口给hc-sr04超声波传感器的trig引脚提供10us的高电平信号以触发测距；进一步主控模块装置发送8个40khz的方波信号，并自动检测有误信号反射回来；在信号发出至返回期间内，echo引脚会处于高电平状态，该高电平桩体持续时间t即为超声波发射出去至接受回来的时间t，则传感器与地下井液面的距离l即为：
[0082][0083]
其中，v为声音在空气中的传播速度；
[0084]
综合即可实时主动检测地下井水位，相比于传统的被动式检测方式，更能把握水位的准确信息，可以针对水位变动提前做出检查和调整工作；
[0085]
对天然气浓度进行检测时，当地下井环境中存在甲烷气体时，mq-4气体传感器中二氧化锡的电导率会随着甲烷气体的浓度的上升而增大，mq-4气体传感器输出电压随之增高，而天然气中的主要成分即甲烷，因此，通过mq-4气体传感器可以对天然气浓度进行检测，并且通过主控装置设置的安全阈值，在天然气浓度达到安全阈值时可以及时通过云平台发出警报信息，提醒工作人员做出应对措施，相比于传统的地下井检测装置和系统，新增了对地下井天然气浓度进行检测，可以及时发现天然气泄漏，避免天然气泄漏引发的安全事故；
[0086]
对井盖移位进行检测时，通过井盖底部lis3dh芯片内部的加速计测取的实时数值，与预设的报警阈值做出对比，即可判断井盖移位的幅度，异常移位的井盖则通过主控装
置和无线通信装置对云平台发出警报提示工作人员及时维护；
[0087]
相比于现有的地下井状态检测装置，本发明可以实现主动检测地下井水位，相比于传统的被动式检测方式，更能把握水位的准确信息，可以针对水位变动提前做出检查和调整工作；同时新增地下井天然气浓度检测装置，可以及时检测到天然气泄漏并通过云平台及时预警处理，避免天然气泄漏引发的安全事故；同时可以对井盖异常移位进行实时监测，保证了工作人员在远程对地下井情况进行实时监测，通过主控装置和无线通信装置可以在地下井出现异常情况时及时发出警报，保证了对异常情况的及时处理，保证了地下井的正常运行和对地下井的情况进行实时监督；
[0088]
通过选用nb-iot通信方式、stm32l151微控制器等软件硬件相搭配，可以在保证数据信号稳定传输交换和装置稳定工作的同时，极大减少了整体终端的消耗，而且投入成本低、续航时间长，具有运行稳定、经济性高的优势。
[0089]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。