一种新型城市排污管网监测系统及其智能井盖
技术领域
本发明涉及城市排污设备技术领域，具体为一种新型城市排污管网监测系统及其智能井盖。
背景技术
现市面上绝大多数城市下水道排污监测系统设施采用的是“地下管网式”，设计保守，口径多在1米左右，承载能力有限，时常会出现下水道拥堵的现象，现行的人工处理办法，从发现到整修，周期过长，可能没等到及时处理，险情已然发生，而且下水管道常年埋在地下，存在很多盲点，往往有了堵塞先兆也无法实际监测到，如果能为隐蔽性很强的地下排污管网系统装上“电子眼”，建设一套城市排水管网监测系统，就能自动实时监测下水道的水位和流速，一旦超出警戒值，就会以一定的方式上报平台告警，这样就能实现远程观察、浏览排污管网动态运行状况，有了告警相关人员第一时间现场处理，这样极大地提高运维效率，对城市排污管网的管理起到了积极的作用，一定程度上减少了险情的发生，避免了人民生命财产的损失。
随着物联网的发展，城市排污管网监测系统已成为智慧城市建设的一部分，在工业自动化领域，常面临地下排污管网监测盲点，人工巡检效率低下，响应时效性差，如何能智能化，实时自动监测地下管网显得特别重要。因此研制一种新型城市排污管网监测系统是十分必要的。
现有井下检测设备多为在窨井中安装箱式设备，日常维护和检修须安排人员下井操作，如井下水位上升整个设备将浸泡在水中，部分设备及接口防水性能不佳将影响设备的正常使用性能；且排污系统内日常运用的窨井盖多为钢筋混凝土井盖、铸铁井盖及高分子复合材料井盖，运用在市政窨井上的都是钢筋混凝土井盖。其中钢筋混凝土井盖是以高标号水泥包裹着钢架或含钢纤维水泥包裹着钢架。其刚性大、脆性大，易老化、易断裂、承载力不够。井盖与盖座结合不够紧密，通常井盖与盖座之间加装橡胶圈，但橡胶圈易老化、易磨损、易脱落，车辆行驶时易弹跳、易损伤。在日常的运用中，存在了一定的井盖缺失的安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型城市排污管网监测系统及其智能井盖，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种新型城市排污管网监测系统，包括微控制器、防井盖丢失模块、传感器模块、易燃易爆气体检测模块、无线通讯模块和主控平台组成；所述防井盖丢失模块、传感器模块、易燃易爆气体检测模块均通过导线和微控制器上的对应端口连接，无线通讯模块与微控制器及主控平台进行无线通讯连接；
所述微控制器上设置有RTC时钟模块和AD转化模块，用于对接收的传感器信号和井盖异动信号进行处理打包，并通过无线通讯模块发送给主控平台；
所述防井盖丢失模块用于井盖移动告警；
所述传感器模块包括易燃易爆气体检测模块、浮子液位计、管道压力检测模块以及超声流量计，用于采集管道的压力数据、危险性气体的含量、下水道井口液位以及管道午睡的流速数据；
其中所述易燃易爆气体检测模块包括CH4传感器、CO传感器和H2S传感器；
所述主控平台用于实现终端采样间隔、发送间隔、告警阈值等的远程配置以及实时查询、告警推送、曲线分析、故障定位等信息化垂直管控。
优选的，所述微控制器采用低功耗、高性能的16位MSP430F5438A。
优选的，所述无线通讯模块采用4G无线传输模块，采用全网通网络制式，用于和主控平台进行远程通讯。
优选的，所述防井盖丢失模块包括一个异动开关，所述异动开关通过导线和微控制器对应端口相连。
优选的，所述易燃易爆气体检测模块包含CO传感器、H2S传感器、CH4传感器，所述CO传感器、H2S传感器、CH4传感器都安装在下水管顶部，且分别通过导线与微控制器的对应端口相连，监测终端以一定的时间间隔通过无线通讯模块向主控平台上传危险源气体浓度、终端运行状态信息等数据。
本发明还提供一种新型城市排污管网监测系统所配备的智能井盖，包括防坠井盖、安装支架和玻璃钢防水罩；所述防坠井盖下端面设置有安装支架，安装支架内固定有玻璃钢防水罩，玻璃钢防水罩内设置有安装槽；所述安装槽内设置有接线柱，安装槽内固定有所述新型城市排污管网监测系统所具备的电子元器件及连接导线。
优选的，所述安装支架垂直固定在防坠井盖下端面处，安装支架顶部设置有连接贴片，连接贴片通过固定螺栓固定在防坠井盖下端面，安装支架及连接贴片采用316不锈钢材料制成。
优选的，所述玻璃钢防水罩为密闭的四面体结构，防坠井盖上端面设置有若干个均匀排布的贯穿孔。
优选的，所述玻璃钢防水罩与安装支架及防坠井盖之间设有能够可靠压缩的防水密封圈，防水防护等级达IP68。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所提供的一种新型城市排污管网监测系统是智慧城市建设不可或缺的一部分，通过对防井盖丢失、易燃易爆气体、压力、流速、水位等检测，配合微控制器数据处理，通过无线通讯模块上传主控平台，从而实现从一个全新视角全方位地掌握地下水道的动态信息，不仅提高了市政管理效率、排除险情、也为智慧城市的排污管网监测提供一手数据；所配备的智能井盖在窨井盖破损或移位时能防止行人坠井及车辆陷入，整套监测设备的日常维护检修只需将防坠井盖拿出后就能在路面上进行（无需下井作业）降低了设备的维护成本，整套监测设备能有效防止水淋和浸泡提高了设备的可靠性和使用寿命。
附图说明
图1为本发明的系统流程示意图；
图2为本发明的智能井盖结构示意图。
图中：1、微控制器；11、RTC时钟模块；12、AD转化模块；2、防井盖丢失模块；3、传感器模块；31、易燃易爆气体检测模块；311、CH4传感器；312、CO传感器；313、H2S传感器；32、浮子液位计；33、管道压力检测模块；34、超声流量计；4、无线通讯模块；5、主控平台；6、防坠井盖；7、安装支架；8、玻璃钢防水罩；9、接线柱。
具体实施方式
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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种新型城市排污管网监测系统及其智能井盖，包括微控制器1、防井盖丢失模块2、传感器模块3、易燃易爆气体检测模块31、无线通讯模块4和主控平台5组成；所述防井盖丢失模块2、传感器模块3、易燃易爆气体检测模块31均通过导线和微控制器1上的对应端口连接，无线通讯模块4与微控制器1及主控平台5进行无线通讯连接；
所述微控制器1上设置有RTC时钟模块11和AD转化模块12，用于对接收的传感器信号和井盖异动信号进行处理打包，并通过无线通讯模块发送给主控平台5；
所述防井盖丢失模块2用于井盖移动告警；
所述传感器模块3包括易燃易爆气体检测模块31、浮子液位计32、管道压力检测模块33以及超声流量计34，用于采集管道的压力数据、危险性气体的含量、下水道井口液位以及管道午睡的流速数据；
其中所述易燃易爆气体检测模块31包括CH4传感器311、CO传感器312和H2S传感器313；
所述主控平台5用于实现终端采样间隔、发送间隔、告警阈值等的远程配置以及实时查询、告警推送、曲线分析、故障定位等信息化垂直管控。
进一步的，所述微控制器1采用低功耗、高性能的16位MSP430F5438A。
进一步的，所述无线通讯模块4采用4G无线传输模块，采用全网通网络制式，用于和主控平台5进行远程通讯。
进一步的，所述防井盖丢失模块2包括一个异动开关，所述异动开关通过导线和微控制器1对应端口相连。
进一步的，所述易燃易爆气体检测模块31包含CH4传感器311、CO传感器312和H2S传感器313，所述CH4传感器311、CO传感器312和H2S传感器313都安装在下水管顶部，且分别通过导线与微控制器1的对应端口相连，监测终端以一定的时间间隔通过无线通讯模块4向主控平台5上传危险源气体浓度、终端运行状态信息等数据。
本发明还提供一种新型城市排污管网监测系统所配备的智能井盖，包括防坠井盖6、安装支架7和玻璃钢防水罩8；所述防坠井盖6下端面设置有安装支架7，安装支架7内固定有玻璃钢防水罩8，玻璃钢防水罩8内设置有安装槽；所述安装槽内设置有接线柱9，安装槽内固定有所述新型城市排污管网监测系统所具备的电子元器件及连接导线。
进一步的，所述安装支架7垂直固定在防坠井盖6下端面处，安装支架7顶部设置有连接贴片，连接贴片通过固定螺栓固定在防坠井盖6下端面，安装支架7及连接贴片采用316不锈钢材料制成。
进一步的，所述玻璃钢防水罩8为密闭的四面体结构，防坠井盖6上端面设置有若干个均匀排布的贯穿孔。
进一步的，所述玻璃钢防水罩8与安装支架7及防坠井盖6之间设有能够可靠压缩的防水密封圈，防水防护等级达IP68。
工作原理：所述防井盖丢失模块2、传感器模块3、易燃易爆气体检测模块31均通过导线和微控制器1上的对应端口连接，无线通讯模块4与微控制器1及主控平台5进行无线通讯连接；其中所述微控制器1采用低功耗、高性能的16位MSP430F5438A，由于下水道环境复杂且恶劣，对系统要求极高，且考虑到低成本、低功耗、可行性；该微控制器1具有一个强大的16位RISC CPU，使用16位寄存器以及常数发生器，以便获得最高编码效率，该数控振荡器(DCO) 可在 3.5µs（典型值）内从低功率模式唤醒至激活模式，包括三个16 位计时器、一个高性能12位ADC、多达四个USCI、一个硬件乘法器、DMA、具有报警功能的 RTC 模块和多达87 个 I/O 引脚（16个中断管脚）；其工作温度范围为-40~85摄氏度，因此该微控制器1完全符合下水道的环境要求；
所述无线通讯模块4采用全网通（4G）网络制式，由于城市地下水道系统庞大复杂，通过4G建立无线数传网络平台，可以完全克服无线通讯中距离问题而带来的麻烦，4G网络制式是基于运营商的网络频段，传输稳定可靠，传输距离远，比现有的网络增益20dB，覆盖面积广，具备支撑海量连接的能力，可以采用多种部署方式，这样该监测系统在任何时间、任何地点都可以进行全时段监测，整个平台数据实现共享和透明；
所述防井盖丢失模块2包括一个异动开关，所述异动开关通过导线和微控制器1对应端口相连，当井盖处于正常（闭合）状态时，异动开关被井盖压住不导通，微控制器1检测到是低电平，一旦井盖丢失，异动开关导通，微控制器1检测到高电平，电平由低到高，上升沿触发中断，告警，（一旦异动开关导通，终端自动缩短上报频次（以10分钟频率上报主控平台）），微控制器1通过无线通讯模块4向主控平台5和市政管理人员推送告警信息，市政人员根据告警信息立即派相关人员抵达现场进行处理，以避免引起更大的人身安全与财产损失；
所述传感器模块3包括易燃易爆气体检测模块31、浮子液位计32、管道压力检测模块33以及超声流量计34，所述传感器模块3通过导线与微控制器1对应端口连接，利用管道压力检测模块33与超声流量计34的动态数据对比，实现检测，当超声流量计34数值很小，而管道压力检测模块33数值很大，那么下水道一定是出现了阻塞现象，因为水压大，说明下水道有水，但流速为零或者接近于零，那么水的流动只发生在水表面部分，下水道底部水静止，从而通过这两个传感器也就检测出了阻塞问题。同时浮子液位计32可以检测暴雨天气时，城市地下水道的泄洪能力，平时下水道液位值不高，浮子液位计32竖直向下（开关不导通）当液位达到一定高度是，浮子液位计32由于水的浮力作用浮起（开关导通），此时微控制器1接收到一个由低电平到高电平的上升沿触发中断，告警（一旦浮子液位计导通，终端自动缩短上报频次（以10分钟频率上报主控平台5）），并通过无线通讯模块4向主控平台5和市政管理人员推送告警信息。从而及时疏通管道、排除险情，为后续城市下水道系统改进提供一手信息；其中所述易燃易爆气体检测模块31包含CO传感器311、H2S传感器312、CH4传感器313，所述CO传感器311、H2S传感器312、CH4传感器313都安装在下水管顶部，且分别通过导线与微控制器1的对应端口相连，设置易燃易爆气体检测模块31主要是因为地下管道狭小，通风不良，相对封闭，生活废水，排污物在缺少氧气的环境下会分解大量的易燃易爆气体（主要包括CO、H2S、CH4），在管道需要运维时，这些气体会对运维人员造成直接或者潜在危害，因此对这些气体进行检测势在必行，监测终端以一定的时间间隔通过无线通讯模块4向主控平台5上传危险源气体浓度、终端运行状态信息等数据，当气体浓度达到告警上限时，自动缩短上报频率（自动以10分钟频次上报主控平台），目的是提醒市政管理人员应对险情。
整套设备的日常维护检修只需将防坠井盖6拿出后就能在路面上进行（无需下井作业），所有井下监测设备使用一个玻璃钢防水罩8倒扣住（以防止井盖上部的水淋到设备上，以及井下水位上升超过设备时利用玻璃钢防水罩8内的气体压强防止设备浸水），使用316不锈钢材质制成的的安装支架7及连接部件固定设备以减小这个固定系统受井下腐蚀气体的侵蚀。
值得注意的是：整个装置通过总控制按钮对其实现控制，由于控制按钮匹配的设备为常用设备，属于现有成熟技术，在此不再赘述其电性连接关系以及具体的电路结构。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
