一种基于北斗和阿里云的窨井盖智能监控预警装置的制作方法

1.本发明属于窨井盖智能监控技术领域，尤其涉及一种基于北斗和阿里云的窨井盖智能监控预警装置。


背景技术：

2.城市化的发展离不开给水、排水、燃气、热力、电力、通信等各类市政公用设施建设，而这些设施的建设也将带来更多的路面井盖。井盖虽小，安全事大，一旦出现沉降、松动或破损，不仅影响市容市貌，还存在严重的安全隐患。如何有效监管和修复数量庞大的城市井盖群，守住“脚下安全”，考验着一座城市的管理智慧。
3.据调查，城市的井盖已经从最开始的普通井盖晋升到机械防盗，之后管理模式出现，每一个井盖上都被安装上了无源rfid标签，投入大量的人力资源进行管理巡查，这标志着井盖监管正在逐步向智能化方向发展。
4.如今是物联网等高新技术飞速发展的时候，为了提高市政管理者的工作效率，缩短井盖检修周期，减少人力资源的投入，本方案特结合物联网，研究设计了这款基于北斗和阿里云的窨井盖智能监控预警装置。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：为了解决提高市政管理者的工作效率，缩短井盖检修周期，减少人力资源的投入的问题，而提出的一种基于北斗和阿里云的窨井盖智能监控预警装置。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.一种基于北斗和阿里云的窨井盖智能监控预警装置，包括nb-iot无线模块和esp32-c3开发板，所述nb-iot无线模块与esp32-c3开发板双向连接，esp32-c3开发板分别与微动开关模块、北斗模块和蜂鸣器连接，esp32-c3开发板，esp32-c3开发板与电源连接，nb-iot无线模块通过服务器与阿里云双向无线连接。
8.作为上述技术方案的进一步描述：
9.所述微动开关模块包括微动开关和弹簧。
10.作为上述技术方案的进一步描述：
11.所述阿里云包括平台预警模块和实时监控模块。
12.作为上述技术方案的进一步描述：
13.所述平台预警模块包括故障上报模块、井盖状态检测模块、电压变化检测模块和预警模块，井盖状态检测模块与电压变化检测模块连接，电压变化检测模块与预警模块连接。
14.作为上述技术方案的进一步描述：
15.所述实时监控模块包括电池电量模块、地理位置模块和位置、时间采集模块，地理位置模块与位置、时间采集模块连接。
16.作为上述技术方案的进一步描述：
17.所述esp32-c3开发板具备数据整合功能，内置数据融合模块、数据打包模块和数据发送模块。
18.基于北斗和阿里云的窨井盖智能监控预警装置兼顾具有先进性、实用性、安全性、稳定性，不仅数据传输与分析便捷，还实现了装置维护快捷等创新点。提出了窨井盖的软硬件总体设计方案，硬件方面设计了esp32-c3开发板及北斗定位模块、nb-iot模块、微动开关模块及蜂鸣器；软件方面设计了对微处理器接收到的各项数据和位置信息进行数据解析、数据融合、数据打包、数据发送等功能，数据被阿里云服务器接收并集中处理，数据的动态变化可被实时记录显示，此外数据可通过阿里云平台的web可视化界面显示到网页上。对组件进行井盖绑定并配置数据源，管理员可以实时查看井盖状态、电源电量数据和位置信息，一旦某个井盖的数据异常，会立刻预警，尽可能降低井盖带给我们的安全隐患，杜绝悲剧再发生。我们所设计的基于北斗和阿里云的窨井盖智能监控预警装置实现了实时井盖状态、电池电量，井盖位置信息数据的监控，对于给窨井盖“定位”，守护“脚下安全”具有一定的社会意义和工程价值。
19.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
20.1、本发明中，依托北斗模块获取时间和位置信息，与阿里云物联网理念相结合，保证了装置近几年不落伍，同时兼顾了科技发展的大趋势，且本发明安装在井盖内部，需要能持续24小时的安全及稳定，特使用了锂亚硫酰氯电池为系统供电，采用了低功耗的esp32-c3开发板作为主控分别连接北斗模块、nb-iot无线模块、微动开关模块和蜂鸣器，esp32-c3开发板平时处于休眠状态，并定时1小时唤醒一次，检测并上报自己的位置信息，如果通过微动开关模块发现位置变动，则主动唤醒并发送异常数据，并拉响蜂鸣器，提高了井盖使用过程中的安全性与稳定性。
21.2、本发明中，在数据传输上使用低功耗的nb-iot无线模块负责通讯，并且建立一个数据服务器，收集并记录井盖相关信息，并上传到阿里云物联网平台，方便使用者对数据进行及时的进行观察、分析和判断，且在满足监控便利性的情况下，阿里云物联网平台对井盖的状态、电池电量进行数据可视化，esp32-c3主控从微动开关模块上报的数据进行分析，并根据设置的阈值，进行故障预警，报告异常状态到服务器，传输到阿里云，阿里云及时通知维护人员，并由北斗告知定点维护的地理位置，增加装置维护的快捷性。
附图说明
22.图1为本发明提出的一种基于北斗和阿里云的窨井盖智能监控预警装置的结构示意图；
23.图2为本发明提出的一种基于北斗和阿里云的窨井盖智能监控预警装置的硬件流程结构示意图；
24.图3为本发明提出的一种基于北斗和阿里云的窨井盖智能监控预警装置的数据处理流程结构示意图；
25.图4为本发明提出的一种基于北斗和阿里云的窨井盖智能监控预警装置的阈值判断流程结构示意图。
具体实施方式
26.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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
27.请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种基于北斗和阿里云的窨井盖智能监控预警装置，包括nb-iot无线模块和esp32-c3开发板，其特征在于，所述nb-iot无线模块与esp32-c3开发板双向连接，esp32-c3开发板分别与微动开关模块、北斗模块和蜂鸣器连接，esp32-c3开发板，esp32-c3开发板与电源连接，nb-iot无线模块通过服务器与阿里云双向无线连接。
28.具体实施方式为：微动开关模块、北斗模块采集数据，通过传输协议将数据发送给esp32-c3开发板接受处理，并通过nb-iot无线模块利用服务器，上传到阿里云进行处理解析并集中展示，当采集到的数据不在指定阈值范围内时，esp32-c3会拉响蜂鸣器，并将异常数据上传并通知阿里云，阿里云会及时发出预警提示，同时，阿里云会显示异常数据所在的地理位置，便于管理人员查看并做出相应处理措施；
29.esp32-c3是一款入门级开发板，具备完整的wi-fi和低功耗蓝牙功能，板上模组大部分管脚均已引出至两侧排针，可以根据实际需求，轻松通过跳线连接多种外围设备，便捷的开发环境，优化了功耗并减少了成本；
30.根据本次设计所需要的定位模块、井盖状态监测模块、数据发送模块的选型，设计需要设计需要2个usart、2个i/o。而esp32-c3开发板内置esp32-c3芯片，risc-v 32位单核微处理器，主频最高160mhz，其集成晶振达到40mhz，拥有384kb rom，4mb spi flash和400kb sram(其中16kb专用于cache)及8kb rtc sram，内部芯片支持3.0-3.6v的电源供电。通信方式满足需求，支持串口调试模式；
31.nb-iot无线模块是新兴的物联网技术，因为低功耗、连接稳定、成本低、架构优化出色等特点而备受关注，随着nb-iot技术越来越成熟，可广泛应用于畜牧业、远程抄表、井盖监控、智能家居、路灯监控、消防等领域。nb-iot模块采用ec616s为主芯片，集成了射频收发机，pa,射频滤波器，天线开关以及电源管理，支持超低功耗、完全支持3gpp rel14nb-iot标准，在各种无线环境下通信性能优异、性能稳定。支持tcp/mqtt/http(s)协议，支持中国全网通、移动全球通，drx(2.56s)睡眠模式功耗仅为120ua，psm睡眠模式仅为4ua，支持2.2v-4.5v电压供电，支持band3/5/8多种频段。
32.具体的，所述微动开关模块包括微动开关和弹簧。
33.具体实施方式为：微动开关以串联的方式连接在一起构成微动开关模块，接入到井盖内部的esp32-c3开发板。这一串微动开关围绕在井盖边沿的下围，平时通过弹簧与窨井接触，常态应该是处于被压下的状态，当井盖出现受损或者移动时，其中某些微动开关就会被释放，导致其电路连接发生改变，监测电路的电压随之发生变化。esp32-c3立刻就能监测到端口电压的变化，主动从休眠状态退出，通过nb-iot无线模块，报告异常状态到服务器，上传到阿里云及时发出预警。
34.esp32-c3平时处于休眠状态，并定时1小时唤醒一次，利用北斗模块检测并上报自己的位置信息。但如果发现井盖位置变动，则主动唤醒，拉响蜂鸣器并发送异常数据。
35.具体实施方式为：北斗定位模块可以接收北斗卫星信号，从获得的nmea信号中解析出速度航向、北京时间、utc、经纬度等信息，通过串行协议进行输出，输出波特率为9600/115200，北斗定位模块从卫星获取定位，将处理过的数据通过经纬度接口输出到esp32-c3开发板，esp32-c3开发板将经纬度数据处理，通过nb-iot无线模块，利用数据服务器，上传到阿里云，以struct结构体数据类型展示。另外，北斗定位模块能实时接收北斗卫星数据信息，将模块传输的日期等时间信息通过esp32-c3数据处理，将处理完成的日期数据信息，通过nb-iot无线模块利用数据服务器，上传到阿里云，方便维护人员针对事故故障预警信息进行监测。
36.可以肯定的是，北斗卫星的精度要求大大满足了对井盖地址信息定位的准度，也为井盖“身份”信息提供了有力的技术支持。
37.具体的，所述阿里云包括平台预警模块和实时监控模块，所述平台预警模块包括故障上报模块、井盖状态检测模块、电压变化检测模块和预警模块，井盖状态检测模块与电压变化检测模块连接，电压变化检测模块与预警模块连接，所述实时监控模块包括电池电量模块、地理位置模块和位置、时间采集模块，地理位置模块与位置、时间采集模块连接。
38.具体实施方式为：通过nb-iot模块将各项数据发送给阿里云服务器，传输过程中设备端和服务端都必须遵循相应的通信协议，经过分析比较，装置选择了tcp/ip的消息队列遥测传输协议(mqtt)，利用阿里云服务器建立可视化页面和进行后台服务器数据处理，在可视化页面，使用阿里云服务器提供的地图组件和卡片组件，其中地图组件用于记录和显示井盖的位置信息，卡片组件用于绑定和显示井盖状态、电池电量数据信息，数据处理部分利用阿里云数据库，根据设备上传的属性值进行物模型的定义，使用实体的属性来实现物模型产品功能的定义，例如井盖状态数据定义为枚举值，0(正常)或者1(被打开)，电池电量的数据定义为取值范围0-100，当数据由终端设备发送到阿里云时，阿里云会对该数据进行处理解析，并通过物模型接收，页面左侧设置四个信息卡片，分别显示故障上报、井盖状态、电池电量、地理位置，其中地理位置的信息卡片使用了阿里云提供的地图组件。
39.具体的，所述esp32-c3开发板具备数据整合功能，内置数据融合模块、数据打包模块和数据发送模块；
40.具体实施方式为：软件系统设计流程需将微动开关模块、北斗模块采集到的数据进行接收处理，对传输到esp32-c3的数据进行数据整合、阈值判断、数据发送等操作。
41.工作原理：使用时，数据需要利用微动开关模块、北斗模块进行采集，esp32-c3开发板对采集到的各项数据进行接收和处理，解析因微动开关而产生的变化电压，对超出电压阈值的数据进行异常报告，拉响蜂鸣器并上传北斗模块采集到的经纬度位置信息。
42.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。