智能窨井盖及管理系统开发与应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 30 日 作者简介：辛晓军（1981），男，江苏镇江人，工程师，研究方向为物联网应用。-119-智能窨井盖及管理系统开发与应用 辛晓军 邹 泉 徐彬峰 上海华澄水润科技有限公司，上海 200400 摘要：摘要：针对目前水务行业在污水管网监测中存在的无线信号弱、维护成本高、设备稳定性差的问题，提出了一种基于光伏发电的智能窨井盖及平台管理系统。该窨井盖以太阳能-光伏为蓄电池提供能量，并能将多余电量储存起来，供夜间电池继续使用，达到持续供电的目的，从而实时监测管网及窨井的现场数据；平台管理系统硬件以STM32L051 为主控芯片进行设计，具有角度采集模块、4G Cat1 传输模块、电源稳压模块、光伏充放电管理模块 4大模块，软件基于 MDK5 开发环境，实现了窨井盖的系统化、智能化、信息化管理。关键词：关键词：智能窨井盖；物联网技术；STM32L051；实时监测 中图分类号：中图分类号：TH69 管网监测系统适用于供水企业远程监测供水管网。供水调度人员在管网监测中心即可远程监测全市供水管网的压力及流量情况，以科学指挥各水厂启停供水设备、保障供水压力平衡和流量稳定、并及时发现和预测爆管事故。供水管网监测数据是水务企业保障供水的重要数据。水务行业已充分认识到污水管网数据监测的重要意义，并采取了多样的信息化手段来加以实现1。市面上现有智能井盖大多没有充电设备，电池只能放电而不能充电，加之传输设备功率较大且没有休眠机制，基本 2-3 月就要跟换电池，操作十分频繁。当前国内水务行业普遍采用 GPRS、4G、NB-IoT 等远传装置对管网数据进行远程监测。在监测井内统一安装无线远传设备、压力变送器（液位计）和蓄电池，远传设备采集压力变送器的输出信号后直接远传给监控中心，设备的工作电源由蓄电池提供2。采用此种方式时，为延长蓄电池的更换周期，只能采取定时采集、定时上报的工作模式，无法实现实时监测3。且该监测方式存在以下几个问题：1）部分监测井内运营商无线网络信号弱或没有信号，数据不能按时上报或根本无法上报。2）需频繁更换一次性电池或为蓄电池充电，维护成本高，且耗时费力。3）监测井内环境潮湿、易被水淹，影响设备的稳定性4。针对上述难题，本文研发了一种基于光伏发电的智能窨井盖及平台管理系统，该系统集成了信号采集、数据存储和无线数据通信等功能。光伏智能窨井盖采用超低功耗技术，通过光伏持续供电，监测管网或者窨井的现场数据；系统管理平台负责采集远传装置的信号，随后将液位、井盖状态等相关数据呈现到平台。光伏智能井盖主要由光伏连接组件及数据采集装置组成。本文研发的使用智能井盖嵌入式加装光伏发电设备，在电池供电的同时也可以进行光伏补电，正常情况下只需要半边到一年进行一次巡检，无需多次更换。数据平台的搭建采用分布式架构，高可用，横向扩展，性价比高、处理能力强、可靠稳定，平台与智能井盖间采用专用的物联网协议，功耗与实时性得以兼顾。1 系统设计及开发 1.1 窨井盖安装 在管网路径点上方进行施工时，按找井盖尺寸，先在地面开凿预留井位，随后安装基座并浇筑使其固定，最后将远传装置与电源接线，安装内、外井盖等部件。整套设备中，各部件独立且密封，通过防水密封插头连接。井盖结构的承载能力符合国家标准 GB/T 238582009检查井盖中的 D400 类型，可轻松达到城市主干路、住宅小区、人行道、非机动车道、停车场等区域的日常载荷要求。该井盖结构图如图 1 所示。图 1 井盖构成 中国科技期刊数据库 工业 A-120-1.2 平台管理系统开发 本系统采用分布式架构，高可用，横向扩展，性价比更高、处理能力更强、可靠性更高。分布式集群规模越大网络通信越频繁。动态拓展站点使用 Dubbo技术（可允许每天2,000+个服务、3亿+次访问量支持），为系统提供高性能和透明化的 RPC 远程服务调用方案以及 SOA 服务治理方案，该方案具有部署简单、维护方便、成本低的优点。本系统具有设备定位显示、井盖维护、系统数据分析 3 个功能：（1）设备定位显示：本系统能够支持高德地图、百度地图等常用地图软件，将井盖网点数据显示出来，同时以不一样的颜色，展现信息不正常点位。（2）井盖维护模块：结合设备不正常信息，管理者发起维修流程，提示相关运维人员去解决故障，同时借助导航功能，便于维修人员进行搜索。（3）系统数据分析：通过后台进一步来开展大数据处理，结合使用者实际需求开发相应的分析系统。管理者根据系统的功能模块，能不受时间、地点的限制，充分掌握井盖的运行状况以及位置信息。综上所述智慧井盖管理系统的设计使得井盖位移情况、压力值变化、井下液位位等信息都能够实时获取，完善了北斗及 GPS定位、太阳能照明（电力充沛时）等多种功能，促使井盖管理更加科学高效。系统设计如下：（1）现场安装远程测控终端，实时监测管网压力并 4G 无线传输，具备系统运行自检自诊断等功能，设备异常可自动触发预警程序向监控中心发出通知信息。（2）在监控中心，布设服务器及网络设备，实现通过计算机等可视化设备对管网压力数据远程监控。（3）系统软件采用人机交互全汉字化界面设计，形象直观、操作方便。软件具备授权管理功能，各职能工作人员经用户名和密码认证后登录相应级别管理系统，进行相关操作与管理；具备实时数据显示、故障预警提示等功能；具备数据存储与报表、曲线分析功能。（4）系统支持采用 4G/5G 网络通讯。（5）系统设计在坚持先进实用、稳定可靠、简单易用的设计原则基础上，考虑扩展性、兼容性和开放性，方便系统扩展升级、以及与其他相关平台系统实现数据共享服务，支持 OPC 接口、web 服务接口。其中，监控中心是整个系统建设的目的和核心，是为各职能工作人员提供相关信息服务的系统，对井泵运行工况进行统一监管，并可对各项监测内容进行分析、存储与报表曲线管理，以及对系统各级别管理人员、泵站设备运维信息的建档管理。图 2 监控中心运行截图 1.3 远传模块硬件开发 本文设计的平台管理系统硬件以 STM32L051 系列MCU 为主控芯片，外扩了角度采集模块、4G Cat1 传输模块、电源稳压模块、光伏充放电管理模块。角度采集模块主要依靠倾斜传感器来采集角度信息，选用旋转变压器元器件，当井盖位移发生变化时，将带动旋转变压器的转子发生角度变化，同时，输出电压也随之改变，将此时的电压输入到角度采集系统中，通过 A/D 转换器转换后至角度采集模块，并将角度信息送入 STM32 低功耗处理器，MCU 处理器对数据进行处理与控制，最终数据通过 4G Cat1 模块连接服务器，进行无线远传。Cat.1 模块是利用单片机和 Cat.1 芯片合成开发而成的，Cat.1 芯片是其重要的组成部分。Cat.1 芯片有两种，一种是主控单元直接驱动控制的芯片，另一种是将芯片模块化，内嵌 CPU 和内存，并将 MAC 层与物理层电路集成到一起。本系统采用了后者，功能多且可以用 Lua 脚本开发，更加具备物联网模块的优点。远传模块的软件基于 MDK5 开发环境，编程语言为C 语言，编程框架采用了 rt_thread 嵌入式实时操作系统，降低了对定时任务的功耗开销，利用 rt_thread提供的操作系统调度，合理均衡各种采集功能，通过信号量传递和线程扫描，大大降低功耗，有效平衡采样实时性与电池耗电的矛盾。硬件主要由电源变压器、整流电路、滤波电路及稳压电路组成，电源变压器是将市电转换成所需的电压，整流电路是利用单向导电器将交流电转成脉冲直流电，滤波电路是利用电容电感把脉冲直流电转成平滑的直流电，稳压电路是利用电路的调整使输出电压稳定。电源稳压模块控制板如图 3 所示。中国科技期刊数据库 工业 A-121-图 3 控制板应用原理 光伏电源管理模块以太阳能光伏组件发电，支持太阳能板、USB 电源适配器等充电方式，支持稳压输出，具有放过充过放、防过温、让过流等多种保护电路，工作稳定且安全。日间利用太阳能发电，并且储存多余电量供夜间使用，达到持续放电功能，从而能够实时监测管网及窨井状况。1.4 自动报警模块 通过 USB 模块连接上电脑打开上位机，安装好串口模块对应的驱动 CP210X 以后，可以再设备管理器中查询到对应的端口号，打开上位机软件，点击串口选择菜单，选择刚才设备管理器里面看到的 COM 号。然后点击波特率选择菜单，选择波特率为 115200。上述选择完成后，上位机软件开始显示数据。在系统正常运行的过程中，当系统检测到传感器的角度大于 30时，系统会自动弹出一个会话框，提示后台工作人员此时有异常信息。自动报警模块的软件关键代码如下：int main()uint16_t currentAngle,previousAngle=0;float longitude,latitude;while(1)/读取角度数据 readAngleData(¤tAngle);/判断是否超过角度变化阈值 if(isTheftDetected(currentAngle,previousAngle)/读取 GPS 数据 readGPSData(&longitude,&latitude);/传输井盖被偷盗的信号和地理位置信息给服务器 transmitTheftSignal(longitude,latitude);/更新上一次的角度值 previousAngle=currentAngle;/延时一分钟 delay(MINUTES_PER_REPORT*60*1000);return 0;void transmitTheftSignal(float longitude,float latitude)/向4G Cat1传输模块寄存器写入井盖被偷盗的信号 *(volatile uint8_t*)(GSM_MODULE_ADDR+GSM_STATUS_OFFSET)=GSM_THEFT_SIGNAL;/将地理位置信息传输给服务器的相关操作 2 系统测试 2.1 锂离子电池充放电测试 测试分为充电、放电两个过程，两个过程均通过LTC2942 电量计量芯片实时监测，每充电 0.1V 和放电0.1V 记录一次电量值,其中电压为电池组的开路电压。充电过程采用恒压充电方式，充电电压保持在4.2V，电池电压在 3.0V 开始充电，充到 4.2V 截止，放电过程采用恒流放电方式，放电电流保持1A，从4.2V开始放电，放到 3V 截止。通过测试，充电和放电所反映出的每段电量值和剩余电量基本一致，分析得出：（1）33.4V 之间所含电量极少，在 3.4V 之后电量有明显增加；（2）3.73.8V 之间所含的电量最多；（3）电池电压在 3.7V 时所剩余电量不足 30%；（4）电池组的总电量通过该实验测得大约 12Ah。充电和放中国科技期刊数据库 工业 A-122-电的原理如图 4 所示。恒压源8609电源芯片锂电池LTC2942电量计量芯片锂电池电子负载LTC2942电量计量芯片充电过程充电过程 放电过程放电过程 图 4 充、放电原理图 2.2 太阳能-光伏组件充放电测试 表 1 监测数据 时间 充电量(Ah)耗电量(Ah)0:001:00 0 0.014 1:002:00 0 0.014 2:003:00 0 0.014 3:004:00 0 0.014 4:005:00 0 0.014 5:006:00 0 0.014 6:007:00 0 0.014 7:008:00 0.001 0.014 8:009:00 0.03 0.014 9:0010:00 0.078 0.014 10:0011:00 0.132 0.014 11:0012:00 0.169 0.014 12:0013:00 0.187 0.014 13:0014:00 0.169 0.014 14:0015:00 0.128 0.014 15:0016:00 0.068 0.014 16:0017:00 0.014 0.014 17:0018:00 0 0.014 18:0019:00 0 0.014 19:0020:00 0 0.014 20:0021:00 0 0.014 21:0022:00 0 0.014 22:0023:00 0 0.014 23:0024:00 0 0.014 本文以该井盖光伏板的样机在唐山市进行光伏测试，得到监测数据，如表 1 所示。从表 1 可知：（1）在大部分的时间里（从 0:00到 7:00，以及从 17:00 到 24:00），该设备没有充电，但仍在耗电，每小时耗电量为 0.014Ah。从 7:00 开始，设备开始有少量的充电量，并且在接下来的几小时内充电量逐渐增加。（2）充电量在 10:0011:00 达到一个相对较高的值（0.132Ah），然后在 12:0013:00达到最大值（0.187Ah）。（3）在 13:00 之后，充电量开始减少，直到 17:00 时几乎回到零点。可以得到以下结论：（1）该设备在一天的大部分时间里都在耗电，但只在特定的时间段内充电。（2）充电主要集中在上午到下午的时间段，充电量在中午左右达到峰值，然后逐渐下降。3 结语 通过管理系统，在产生异常监测数据时，可以更快速地定位存在潜在问题的管网，节省大量人力，排查过程在很大程度上得到简化。单一井盖发生松动、位移时，警报可以通过短信、邮件的形式传达至管理员，以便及时采取行动避免事故或灾害的产生。本文研发的智能井盖采用天线外置方案，信号发送过程不受井盖影响。使用 4G-Cat1 无线通信模块，预先将城市划分区域，各个区域设置分站点接受其中各通信模块的信号，然后通过有线网络传输给总服务器，保证了信号质量。该产品为微功耗、集检测、采集、存储、无线远传等功能于一体，特别适用于不具备供电条件、环境恶劣的监测现场，广泛应用于供水、排水、水利、农业等行业。参考文献 1彭勇,胡文德,陈俞强等.一种基于 NB-IoT 的无线井下数据采集终端设计 J.计算技术与自动化,2023,42(03):39-46.2敖柳,贾政菊,王飘云等.基于物联网技术的智能井盖系统研究J.电子制作,2023,31(18):110-113.3张学磊.城市窨井盖治理及智慧化改造J.工程建设与设计,2023(03):89-91.4张帆,郑雪莹,张赫庭等.基于 NB-IoT 的智能井盖监测系统设计J.山西电子技术,2022(06):3-4,8.