一种极低功耗的窨井盖状态监测装置制造方法
【专利摘要】一种极低功耗的窨井盖状态监测装置，包括窨井盖状态探测器、MCU微控制器、RF收发器，窨井盖状态探测器的输出接口与MCU微控制器的输入接口电连接，MCU微控制器的数据接口与RF收发器的数据接口电连接。其特征在于：所述窨井盖状态探测器由无线电波信号强度探测电路组成。通过本发明的窨井盖状态监测装置，在保证零漏检率的状况下，可以获得极高休眠时间与工作时间的比值，具有极低功耗。在具备低功耗特性的同时，还具有电路简单、成本低廉的特点，为窨井盖状态的自动监测提开创了一条全新的道路。
【专利说明】一种极低功耗的窨井盖状态监测装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及在线监测技术，具体涉及窨井盖状态的在线监测。
【背景技术】
[0002]电力、通信、供水、供气、有线电视地下隧道的出入井口窨井盖是进入地下隧道进行检修、维护的重要通道的关键装置，这些出入口成为了保障这些系统正常运行的关键节点。由于出入口环境复杂、条件恶劣、对成本敏感，实施监测管理的技术难度高、研究开发费用投入大、见效慢，使得地下隧道出入井口窨井盖的监测长期以来一直没有实质性的进展。
[0003]随着科学技术的不断进步，将远程监控运用于地下隧道出入井口窨井盖的应用开始出现。
[0004]由于受成本敏感、使用环境恶劣的限制，窨井盖的远程监控仅仅在一些重要的电力隧道出入口采用。地下隧道出入口窨井盖的远程监控之所以不能在大范围普及推广，一个重要的原因是大量的窨井盖无法实现现场供电。除了电力地下隧道可采用感应供电的方式就近取电外，绝大多数的非电力地下隧道出入口窨井盖没有电力线可供取电。受电力供应的制约，实现大范围窨井盖状态监测的首要问题就是如何实现微功耗、低成本、易安装、寿命长的窨井盖状态监测。
[0005]在现有的技术方案中，实现窨井盖监测必不可少的一个部件是窨井盖状态探测器。根据窨井盖状态探测器的安装位置分类，基本上分为井盖上装置和井内装置两大类。
[0006]窨井盖状态检测器安装于窨井盖上的探测器一般采用压力传感器、倾角传感器、水银开关、门磁开关传感器、光纤光栅传感器作为探测窨井盖状态的探测部件。
[0007]例如，专利申请CN201210590945的“道路窨井盖被盗警示装置”用位置传感器和光敏传感器检测井盖的状态，当井盖状态出现移位和非法开启后，位置传感器和光敏传感器的输出信号相应发生改变，据此，即可发出报警。
[0008]由于窨井盖所处的环境非常恶劣，传感器经常会被污水和泥浆所覆盖，对于光敏器件而言，无法在这类恶劣环境下还保持洁净而不产生误报警。该专利采用的位置传感器主要为霍尔传感器和限位开关，这两种传感器通常都要配对安装，对安装的位置精度要求较高，在实际应用中，由于窨井盖重达九十公斤，不可能很容易地实现精密安装。由于窨井盖重量大，难以移动，安装过程很难保证所需的精度。同时，安装于窨井盖之上的霍尔器件和限位开关极易在安装过程中损坏。
[0009]专利申请CN201120377083的“一种电子井盖”用GPS模块和通信模块的双重定位，来锁定井盖异常时的位置。当井盖被非法开启后，开关接通，GPS和通信模块开始工作，锁定窨井盖的位置，并将数据经通信模块传出。在实际运用中，启动GPS模块工作的开关由于在恶劣环境条件下，极易锈蚀而无法动作，其次，由于GPS不可能达到厘米级的定位精度，因此，该技术方案的实用性并不高。
[0010]专利申请CN201310035116 “一种光纤无源传感地井盖监控装置”利用地井盖的打开和关闭，使得光行程开关中的磁钢与光纤传感器分离和贴合，从而控制光纤传感器的返回光，达到监控地井盖状态的目的。由于光行程开关中与光纤传感器分别处于井盖和井内，存在安装位置精度高以及传感器易于在安装过程中被损坏的缺憾。
[0011]为解决安装过程中普遍存在的安装于井盖上的传感器易于损坏的弊端，另一类安装于井内以及井壁上的传感器得到了发展。
[0012]专利申请CN201310116704 “一种井盖报警器”通过将红外探测器倾斜设在井壁，使红外探测器发出的红外线倾斜向上发射，根据反射信号来探测井盖是否被非法开启。由于红外探测器仍然属于一种光学器件，在极度污染的情况下，失效概率将大幅度上升。
[0013]为解决光学器件受污染而失效的问题，出现了在井壁或井底安置微波探测器的技术方案，微波探测器发出的波束射向井盖，当井盖被非法开启时，会产生多普勒频移，根据多普勒频移来判别井盖是否被非法开启。在此技术方案中，由于多普勒频移仅仅产生于井盖被搬动的过程中，探测器必须时时处于工作状态，即使采用休眠方式来降低系统功耗，休眠周期也不能高于2秒，否则，将出现漏检的情况。以此技术方案来实现井盖状态探测，存在着难以实现长休眠周期的微功耗工作方式的问题，仅适用于探测装置有电力供应的环境。
[0014]与多普勒探测方案类似的探测技术是采用倾角传感器来探测井盖的状态，当井盖遭非法开启时，安装于井盖上的倾角传感器或加速度传感器会实时输出井盖倾角的变化。而这些变化同样仅仅在井盖发生转动或运动的过程中才会产生，探测器必须时时处于工作状态，即使采用休眠方式来降低系统功耗，休眠周期也不能高于2秒，否则，将出现漏检的情况。以此技术方案来实现井盖状态探测，存在着难以实现长休眠周期的微功耗工作方式的问题，仅适用于探测装置有电力供应的环境。
[0015]如何让没有现场供电条件的地下管道出入口窨井盖的监测装置具有低成本、微功耗、易于安装、寿命长的特性，已经成为窨井盖状态监测在大范围应用必须解决的主要问题。
【发明内容】
[0016]针对以上问题，本发明提供了一种极低功耗的窨井盖状态监测装置。
[0017]本发明所采用的技术方案是:
一种极低功耗的窨井盖状态监测装置，包括窨井盖状态探测器、MCU微控制器、RF收发器，窨井盖状态探测器的输出接口与MCU微控制器的输入接口电连接，MCU微控制器的数据接口与RF收发器的数据接口电连接。其特征在于:所述窨井盖状态探测器由无线电波信号强度探测电路组成。
[0018]所述无线电波信号强度探测电路由无线电波信号接收天线、具有接收信号强度指示(RSSI)输出功能的单片收音机电路组成，无线电波信号接收天线的输出端与单片收音机电路的输入端耦合电连接。
[0019]除可以采用以上数字输出方式的单片收音机电路与无线电波信号接收天线组成无线电波信号强度探测电路外，本发明还可以采用模拟输出方式的单片RF信号功率探测电路与无线电波信号接收天线组成无线电波信号强度探测电路。
[0020]所述无线电波信号强度探测电路由无线电波信号接收天线、输出电压信号幅度与所接收到的无线电波信号强度线性相关的单片RF信号功率探测电路组成，无线电波信号接收天线的输出端与单片RF信号功率探测电路的输入端耦合电连接。
[0021]本发明通过以上技术方案，充分利用无线电波信号强度探测电路探测在空间无所不在的无线电波，并依据探测到的信号强度来作为判断井盖是否遭非法开启的依据。
[0022]在各大城市，均有调频广播。无论在城市或村镇，均有移动通信基站。在我国，调频广播的频率覆盖了 87.5至108MHZ的范围，陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM通信频率采用950——960MHZ (基站发，移动设备收)，以及1805_1880MHZ (基站发，移动设备收)的范围，只要有手机信号的地方，空中就存在着这些频率段的无线电波信号。
[0023]随着无线通信技术的迅猛发展，接收这些信号的专用电路不仅性能优越而且价格低廉，几乎在每一款手机中都有调频广播单片收音机芯片和无线信号功率探测芯片，这些专用芯片的大规模生产，致使产品成本低廉。本发明将这些性能优异和价格低廉的专用电路应用于井盖状态的探测上。
[0024]在本发明中，窨井盖状态监测装置被预埋于井壁之中，当井盖开启时，由于没有井盖的屏蔽作用，接收信号强度大幅度增加，井盖盖上后，由于金属井盖的屏蔽作用，导致接收到的无线电波信号强度大幅度降低，据此，即可依据接收到的信号强度来判别井盖是否遭非法开启。
[0025]由于窨井盖状态监测装置的探测过程在毫秒级别的极短时刻内即可完成，因此，在很长的休眠周期之后瞬时工作，就可以最大幅度地降低探测系统的功耗，从而实现了极低功耗的窨井盖状态监测目标。
[0026]与现有技术相比较，本发明的极低功耗窨井盖状态监测装置由于预埋于井壁中，不存在安装困难、易于损坏、易于失效等缺点，同时，不需对现有井盖做任何改变即可完成窨井盖的状态监测，其微功耗性能确保了电池能在电池保存寿命期内持续工作，解决了窨井盖状态监测在大范围应用必须解决的主要问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为本发明的电路原理框图。
[0028]图2为本发明的无线电波信号强度探测电路的原理框图。
[0029]图3为本发明的窨井盖状态监测装置实施例1的电路图。
[0030]图4为本发明所采用的单片RF信号功率探测电路输出电压与输入信号强度的对应关系图。
[0031]图5为本发明的窨井盖状态监测装置实施例2的电路图。
【具体实施方式】
[0032]图1为本发明的电路原理框图。如图所示，本发明的窨井盖状态监测装置包括MCU微控制器1，窨井盖状态探测器2，RF收发器3 ；MCU微控制器I的数据输入端与窨井盖状态探测器2的数据输出端电连接，MCU微控制器I的数据接口端与RF收发器3的数据接口端电连接。
[0033]如图2所示，窨井盖状态探测器2由无线电波信号接收天线21、无线电波信号强度探测电路22组成。无线电波信号接收天线21的输出端与无线电波信号强度探测电路22的输入端电耦合连接。[0034]在图3所示的本发明实施例1中，选用PIC系列单片机16F503为MCU微控制器1，无线电波信号强度探测电路22选用BK1080单片收音机芯片，无线电波信号接收天线21为普通鞭状天线或印制于电路板上的PCB印制天线，RF收发器芯片3选用433MHZ无线数据传输模块。
[0035]PIC16F503为极低功耗的FLASH单片机，具有1.8V — 5.0V的宽电压工作范围，在
1.8V的工作电压下，电流消耗30uA/MHZ，自带内部IObitAD转换器、高精度基准电压、I2C、SPI数据接口、高精度内部振荡器。是一款价格低、功能强、信价比高、14引脚3mmX3mm QFN微小封装的微控制器。
[0036]BK1080单片收音机是支持频率范围为64MHZ — 108MHZ，具有自动增益控制AGC、自动频率控制AFC、支持软硬件调谐seek tuning、自带接收信号强度指示RSSI输出、信噪比SNR输出、立体声解码、自动立体声、单声道转换、宽工作电压范围、价格低、性价比高的单片收音机电路。
[0037]RF收发器选用具有极低功耗的433MHZ收发器模块电路，器核心芯片为RFM64，RFM64模块的工作电压为3V，模块电路在接收状态的电流消耗为3mA，发射状态的电流消耗为20mA，在OOK调制模式下，数据传输速度为2KB/S时，接收灵敏度为-llODBm，在FSK调制模式下，数据传输速度为25KB/S时，接收灵敏度为-104DBm，具有自动封装数据帧，CRC校验位自动生成，接收信号强度指示RSSI输出功能。
[0038]无线电波信号接收天线21的输出端连接到无线电波信号强度探测电路22的输入端FMIN，无线电波信号强度探测电路22的输出端SCLK、SD0与MCU微控制器I的输入端SCLK、SD0电连接，MCU微控制器I的时钟信号输出端RCLK与无线电波信号强度探测电路22的时钟信号输入端RCLK电连接，MCU微控制器I的数据接口的DATA、CE、PWR_UP、CLK, CS、DR端口分别与RF收发器3数据接口的DATA、CE、PWR_UP、CLK, CS、DR端口电连接。
[0039]当井盖关闭时，预埋于井壁内的窨井盖状态监测装置在MCU微控制器I的控制下处于5分钟休眠、50毫秒唤醒工作的长休眠周期工作状态，在休眠周期，窨井盖状态监测装置的所有电路均处于休眠状态，系统消耗电流低于3微安，在唤醒工作周期，MCU微控制器I读出无线电波信号强度，系统电流消耗低于3毫安，如果接收信号强度低于门限值，表明井盖处于正常关闭状态，MCU微控制器I控制所有电路重新进入休眠周期。若MCU微控制器I读出的接收信号强度高于预先设定的强度值，表明井盖已经被打开，MCU微控制器I启动RF收发电路3工作，将异常信息发送到远程接收中心，远程接收中心根据接收到的异常信息发出报警指示。RF收发电路工作后，在发射状态，电流消耗为23毫安，在接收状态，电流消耗为6晕安。
[0040]由本发明实施例提供的技术方案，具有6000比I休眠周期和3.5uA的系统平均功耗，是一种极低功耗的窨井盖状态监测装置。
[0041]无线电波信号强度探测电路不仅可以由数字输出接收信号强度的单片收音机电路与无线电波信号接收天线组成外，还可以由模拟输出接收信号强度的单片RF信号功率探测电路与无线电波信号接收天线组成。
[0042]图4所示为单片RF信号功率探测电路输出电压与输入信号强度的对应关系图。从图中可以看出，输入无线电波的信号强度与输出电压呈线性相关的关系。
[0043]在图5所示的本发明实施例2中，选用PIC系列单片机16F503为MCU微控制器1，窨井盖状态探测器2由无线电波信号强度探测电路22，无线电波信号接收天线21组成；无线电波信号接收天线21为普通鞭状天线或印制于电路板上的PCB印制天线，无线电波信号强度探测电路22选用单片RF功率探测电路LTC5509，RF收发器芯片3选用433MHZ无线数据传输模块。
[0044]无线电波信号接收天线21的输出端连接到无线电波信号强度探测电路22的输入端RFIN，无线电波信号强度探测电路22的输出端VOUT与MCU微控制器I的输入端ANl端电连接；MCU微控制器I的数据接口的DATA、CE、PWR_UP、CLK、CS、DR端口分别与RF收发器3 数据接 口 的 DATA、CE、PWR_UP、CLK, CS、DR 端 口 电连接。
[0045]存在于空间的无线电波信号进入无线电波信号接收天线21的天线后，经天线的输出端进入到无线电波信号强度探测电路22的输入端，在无线电波信号强度探测电路22内部，无线电信号的强度被转换为与信号强度线性相关的电压值输出，输出的电压值进入MCU微控制器I的ANl端口后，经MCU微控制器I的AD转换电路转换为数据，MCU微控制器I对数据进行判断，即可依据判断的结果确定井盖是否被打开，从而完成了窨井盖状态探测器的探测功能。
[0046]LTC5509具有2.6V——6V的宽工作电压范围，600uA的工作电流，休眠时的工作电
流低于2uA,工作频率范围为300MHZ-3000HMZ,输入功率范围-30dBm-6dBm, 8V/uS
的输出电压响应时间，3_X 3_的微小型SC70封装等特性，可以覆盖移动通信所有频段的频率，具有极短的电压建立时间，可以在极短的时间内对输出电压进行采样，进而可以进一步缩短工作时间，获得更高的休眠/工作时间比，实现更优的微功耗特性。
[0047]以上实施例仅仅例举了极少量的单片收音机芯片和单片RF功率探测电路芯片来组成无线电波信号强度探测电路，进而与无线电波信号接收天线一起构成窨井盖状态探测器。类似的芯片如ADI公司的AD8315系列、ADL5501系列，TI公司的LMV225系列RF功率探测芯片以及AIROHA公司的AR1010系列单片收音机芯片都可以与无线电波信号接收天线组成窨井盖状态探测器。这些形式上的变更应用均侵犯本发明所保护的权利。
【权利要求】
1.一种极低功耗的窨井盖状态监测装置，包括窨井盖状态探测器、MCU微控制器、RF收发器，窨井盖状态探测器的输出接口与MCU微控制器的输入接口电连接，MCU微控制器的数据接口与RF收发器的数据接口电连接，其特征在于:所述窨井盖状态探测器由无线电波信号强度探测电路组成。
2.如权利要求1所述极低功耗的窨井盖状态监测装置，其特征在于:所述无线电波信号强度探测电路由无线电波信号接收天线、具有接收信号强度指示(RSSI)输出功能的单片收音机电路组成，无线电波信号接收天线的输出端与单片收音机电路的输入端耦合电连接。
3.如权利要求1所述极低功耗的窨井盖状态监测装置，其特征在于:所述无线电波信号强度探测电路由无线电波信号接收天线、输出电压信号幅度与所接收到的无线电波信号强度线性相关的单片RF信号功率探测电路组成，无线电波信号接收天线的输出端与单片RF信号功率探测电路的输入端耦合电连接。
【文档编号】G08B21/18GK103473896SQ201310436080
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】唐立文, 赵捷, 吴梦江 申请人:昆明迪森电气有限公司