湖南新光智能井盖监控系统**井盖远程监控系统可行性研究报告

基于物联网的**井盖远程监控系统









2014年9月



 一、背景与意义
随着现代城市化进程的加快，道路井盖在城市的大街小巷随处可见，规模也在不断的扩大，一旦遇到井盖破损或是被盗，如果得不到及时处理，会有车辆或行人因不知情而出现事故，安全隐患很大，因此,对井盖的缺失或损坏做到**时间报警就显得很有必要,做到出现情况能及时进行报警并可以在远程进行指挥调度和调整；另外随着井盖规模的不断扩大，**井盖的管理和维护也变得更加困难，如何对**井盖实行有效的监控已成为必须要解决的一项重大问题。远程监控就可以很好的解决上述问题.同时也是这类行业未来发展的方向。目前国内主要有以下几种解决远程监控的办法：
 1）采用CAN工业总线集中控制 ；
 2）采用大功率(RF)无线数传电台；
 3）借助移动公网(GSM/GPRS/CDMA)来传输。
    其中，有线通信、数传电台等是传统的数据传输解决方式，这些传统方式存在覆盖范围、实时性、投资及运行费用等问题。目前,中国移动、中国联通的分别主推GPRS、CDMA等新兴的数据传输技术覆盖范围大、实时性强,而且随着4G时代的到来,大流量高稳定数据传输将从根本上解决传统传输方式的弊端,更加贴近专业数据传输的需求。本项目就是利用GPRS进行数据传输，并通过互联网或短消息和和监控中心进行数据交换，提出基于现代物联网技术的**井盖远程监控系统。

二、国内外研究现状与发展趋势
2.1 物联网技术的现状及其趋势
物联网的概念起源于1999年,如今比较普遍认可的定义为：基于互联网、RFID技术、EPC标准,在计算机互联网的基础上，利用射频识别技术、无线数据通技术等，构造一个实现**物品信息实时共享的实物互联网就是物联网。
物联网从一开始就受到了**的广泛关注。
2003年，美国《技术评论》提出传感网络技术将是未来改变人们生活的**技术**。
2004年日本总务省（MIC）提出u-Japan计划，该战略力求实现人与人、物与物、人与物之间的连接，希望将日本建设成一个随时、随地、任何物体、任何人均可连接的泛在网络社会。
    2009年欧盟执委会发表了欧洲物联网行动计划，描绘了物联网技术的应用前景，提出欧盟**要加强对物联网的管理，促进物联网的发展。
    2009年8月，*“感知中国”的讲话把我国物联网领域的研究和应用开发推向了高潮，无锡市率先建立了“感知中国”研究中心，中国科学院、运营商、多所大学在无锡建立了物联网研究院，无锡市江南大学还建立了全国一家实体物联网工厂学院。自温**提出“感知中国”以来,物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“**工作报告”，物联网在中国受到了全社会较大的关注，其受关注程度是在美国、欧盟、以及其他各国不可比拟的。
物联网将是下一个推动世界高速发展的“重要生产力”，是继通信网之后的另一个万亿级市场。
2.2 GPRS技术现状
GPRS是通用分组无线业务（General Packet Radio Service）的英文简称，是在现有的GSM系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务。GPRS与现有的GSM语音系统较根本的区别是，GSM是一种电路交换系统，而GPRS是一种分组交换系统。因此，GPRS特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。这一特点正适合大多数移动互联的应用。
GPRS优点如下：
     1）实时在线：“实时在线”，即用户随时与网络保持联系。举个例子，用户访问互联网时，手机就在无线信道上发送和接受数据，就算没有数据传送，手机还一直与网络保持连接。 
    2）按量计费：用户可以一直在线，按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时，用户即使挂在网上，也是不收费的。 
    3）快捷登录：GPRS的用户一开机，就始终附着在GPRS网络上，每次使用时只需一个激活的过程，一般只需要1-3秒的时间马上就能登录至互联网。 
    4）高速传输：GPRS采用分组交换的技术，数据传输速率较高理论值能达171.2kb/s。   
基于GPRS的以上特点，使得该项目基于物联网技术的无线监控网络有了坚实的技术**和客观基础。
2.3 **井盖监控技术现状及趋势
由于井盖的普及率非常高，国内已有一些厂家从事井盖状态监测这方面的研究，也有一些产品在市场上销售，一部分是采用线缆布控，可靠性高但施工复杂，成本高，主要是通过RS485总线或CAN总线进行通信。电力线载波通信方式是将控制信号直接加载在电力线上,虽然不需要额外的控制线路,但受电网本身质量影响较大。无线通信方式介于上两者之间,该方式成本低,可靠性高。近些年来,电子信息技术的飞速发展,使得物联网技术在井盖监控领域的应用成为可能,基于物联网的井盖监控系统将具有更低的成本与更高的可靠性。
本项目提出一种基于物联网技术的井盖监控系统方案，在组网方式上采取相对灵活的组网方式，一种是无线公共网与无线局域网相结合的组网方式，简单的说就是一个区域（街道）的井盖形成一个局域网，统一将数据传送至WIFI/GPRS网关（可申请静态IP地址），然后由网关通过互联网传至监控中心，另外一种方式为单一无线公共网模式，即所有的站点（井盖）都通过GPRS接入，这种方式优点是施工简单，调试方便，缺点是每个站点都需要向运营商缴纳通讯费用。
三、基于物联网的井盖监控系统总体设计
3.1系统总体方案设计
针对井盖监控系统存在的管理难，自动化程度低等一系列问题，提出了一种基于物联网的井盖监控系统方案，采用无线物联网技术，解决了传统监控方式的局限性，提高了井盖状态数据管理的自动化和智能化程度。
鉴于城市道路及周边建筑的复杂性，本系统分两种组网方式，一种是无线公共网与无线局域网相结合的组网方式，具体网络结构如下图所示：
  
以上组网方式是由几十个井盖监控终端通过 WIFI形成一个无线局域网，然后由这个局域网网关通过GPRS将数据上传至互联网并到达监控中心。此种组网的优点是由于上网的站点少，节约电话卡数量，减少了向移动运营商交的通讯费用，但是网关的放置在城市里面就有很多限制，市内建筑物太多，各个网关既要做到和各个站点（井盖）的良好链接，还要能随时接入互联网，保持和监控中心通讯通畅，比较困难，要做大量的工作进行测试而且通讯复杂，*受到外界干扰，监控终端的功耗也比较大。此种组网方式比较适合盖密集且周围建筑物少而空旷的环境。
另外一种为单一的无线公共网，每个监控终端都配有GPRS模块，都可以通过互联网/短消息上传数据到监控中心。如图
此组网方式安装快捷，信号稳定，维护方便，对周边环境要求不是很高，缺点就是每个监控终端都要插电话卡，增加了通讯费用。
本文就以*二种组网方式进行技术论证。
3.2系统功能和技术指标要求
3.2.1 监控终端功能和技术指标
独立的井盖监控终端应包括七部分：重力加速度传感器、GPRS通讯模块、蓝牙通讯模块、电源管理单元、无线充电单元、无线通讯单元、看门狗电路以及时钟电路。系统组成如下图：









监控终端应具有以下几项功能
1）	实时监测井盖的运动状态，如果遇到井盖被翻动或是跌落，系统通过采集重力加速度传感器的数据，并根据井盖的运动轨迹，进行智能分析，排除掉诸如震动等‘假运动’，从而做出准确判断，提高了系统的可靠性和稳定性。引入重力加速度传感器是本项目的技术关键点。                       本项目采用ADI的ADXL345。iMEMS半导体技术把微型机械结构与电子电路集成在同一颗芯片上。iMEMS加速度传感器就是利用这种技术，实现对单轴、双轴甚至三轴加速度进行测量并产生模拟或数字输出的传感器。iMEMS加速度传感器可以用来测量加速度，或者检测倾斜、冲击、振动等运动状态，帮助实现工业、医疗、通信、消费电子和汽车等领域中的多种应用。根据不同的应用，加速度传感器的测量范围从几g到几十g不等。数字输出的加速度传感器还会集成多种中断模式。这些特性可以为用户提供更加方便灵活的解决方案。其技术参数如下：
        ? ±2，±4，±8，±16g可变的测量范围
? 较高13bit分辨率，固定的4mg/LSB灵敏度
? 3mm*5mm*1mm**小封装
? 23至140uA**低工作功耗，休眠状态功耗低至0.1uA
? 标准的I2C或SPI数字接口
? 32级FIFO存储
? 内置多种运动状态检测功能和灵活的中断方式
2）	GPRS通讯功能，监控终端要及时将井盖的状态通过GRPS上传至监控中心，尤其是出现被盗或移动的时候，要保证在**时间向监控中心报警，这就是对通讯实效性提出要求，也是本项目的技术关键点。处于节电考虑，GPRS通讯部分的工作采取‘滴答式’的工作模式，即在没有出现井盖轨迹异常的情况下，系统每隔4个小时启动一次通讯，并向监控中心发送状态。收到监控中心回复后再次进入休眠，等待下一次的唤醒。如果出现井盖轨迹异常，系统会实时启动GPRS通讯，并一直向监控中心报告状态，直至解除。
3）	蓝牙通讯功能。此功能为该系统一大创新，该监护系统会有一个手机端的APP与之配合，通过手机的蓝牙和监控终端的蓝牙模块建立链接，可以实现如下功能：
A:将手机的GPS数据通过蓝牙传给监控终端，这样监控终端就将安装地的GPS数据存储下来，省去了GPS模块，大大节约了产品成本，也避免了GPS模块在井盖下无法正常工作或工作不稳定的弊端。
B:通过手机端的APP可以对监控终端进行功能参数设置和参数查询，比如时间设置，定时设置，维护信息设置。同时可以查询监控终端的GPS数据，时间，电池电量等等。
C:井盖进行常规维护的时候，为了避免系统误报警，可以通过手机对监控终端进行解防或设防操作。
4）	电源管理。由于应用环境的特殊性，要求监控终端在不更换电池的情况下持续工作3年以上，所以电源的管理也非常重要，属技术关键点，必须合理控制系统各个单元的工作状态以达到较低系统功耗，为了达到微功耗的目的，本项目采用了‘呼吸式’工作模式，在正常情况下，每隔一段时间系统会全部启动，向监控中心报告当前的状态，得到应答后就自动转入休眠模式，等待下一次唤醒，休眠时的工作电流小于50微安。
5）	无线充电单元。由于工作条件恶劣，监控终端的装配采取一次性密封处理，一旦出厂，不再打开，所以当监控终端的电能耗尽时，我们采取无接触的充电方式，即无线充电，只要将监控终端放置在特制的充电板上，系统将自主进入充电模式，4个小时后，电池充满并发出电量状态信息。这是本产品的一大应用创新。
6）	看门狗电路。为了保证系统长期稳定可靠的工作，系统引入了看门狗电路，其作用是防止程序进入死循环，监控程序的正常运行。在程序正常执行一遍后，会清零到看门狗计数器，所以不会到达较大计数值，但是如果程序由于外部干扰等原因而进入死循环，看门狗电路会强行使系统复位。
7）	实时时钟电路，主要向系统提供‘滴答’，也是系统进行‘呼吸式’电源管理的时间依据。                                                         
表1列出了监控终端的几项技术指标要求：
工作电压	DC 1.8V-4.2V
较*作电流	900毫安
较大充电电流	400毫安
工作环境温度	-20度-60度
防护等级	全防水IP67
工作寿命	3-5万小时
                      表1
3.2.2 控制中心功能和技术指标
    作为控制中心，主要完成以下两个功能
1）数据接收和发送功能
监控终端将有效信息周期性发送到监控中心或是控制中心向终端广播消息。
2）数据管理功能
控制中心收集到井盖的状态数据，能对数据进行整编和初步的分析，然后存储和归档，对异常数据要进行报警，并根据GPS数据给出异常井盖的确切位置。
控制中心的技术指标如下：
1）要保证24小时不间断连接，软件运行稳定。
2）有一定的数据备份和还原机制，以防出现灾难性数据损坏后数据无法恢复。
3）软件可扩展性强，可以和其他**设施互联互通，组成更大的物联网络。            
3.2 监控系统创新说明及其关键技术
基于物联网的井盖监控系统集合目前行业较新的传感技术，电源管理方案，无线充电技术并利用可靠的3G或4G通讯网络，使得该项目具备较高的可行性和可靠性，也有很多创新之处。
1）**在井盖监控方案利用手机APP来和监控终端进行链接，既节约了成本，也增加了系统的灵活性，可以通过不断的完善APP来增加系统的相关功能，甚至可以通过APP来对监控终端的程序进行升级，大大提高了系统的可维护性。
2）井盖状态监测上**采用重力加速度传感器，传统的传感器多为开关型的，虽然可以保证稳定可靠，但是装配受限，对井盖有一定的要求，在施工和今后的维护上不够方便，更不利于已有井盖的改造。也有利用方向传感器的，虽然解决了布线的问题，但是方向传感器本质上还是一个开关型的传感器，当发生井盖剧烈震荡时很*触发传感器，产生误报警。重力加速度传感器能够感知到加速力的变化，加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，比如晃动、跌落、上升、下降等各种移动变化都能被加速度传感器转化为电信号，利用传感器的上述特性，就可以很清楚的知道井盖的运动轨迹，并利用相应算法，排除掉井盖的‘假动作‘，综上所述，利用重力加速度传感器并集合相应的算法，具有一定的创新性和先进性。
3）无线充电技术，由于监控终端工作于潮湿环境之中，为了做
   到**防潮，本项目采取灌胶*密封的工艺处理。这样导致无法拆装，电池无法更换，影响了设备的使用寿命。采用先进的无线充电技术，可以从根本上解决这一问题。“无线充电”是利用一种特殊设备将电源插座的电力转变为可充电的电波，从而在扔掉电线的情况下直接对电子设备充电。大致上是通过磁场输送能量。无线充电还有一个好处是省电，无线充电设备的效能接收在70%左右，具备电满自动关闭功能，避免了不必要的能耗。而且，这个效能接收率在不断提高，很快将能达到98%。

3.3 技术来源及产权
本项目采用*，产品规划包括、产品设计、产品试验开发、产品的测试与改进、产品试用等方面都是以本企业为主体完成。相关知识产权及其**成果属公司自有。
注：可以去申请的**或着作权有：
1：基于物联网技术的**井盖远程监控系统
2：基于加速度传感器的井盖运动状态监测装置
3：基于无线充电技术的井盖运动状态监测装置
4：基于蓝牙低功耗（BLE）技术的井盖运动状态监测装置
5：一种基于重力加速度传感器检测井盖运动状态的方法
6：PC端软件的软件着作权


3.4 预期取得的主要技术成果
1）理论创新，将物联网技术和井盖监控**的联系起来，做到了从监测到数据传输的可靠性，该理念可以推广到其他需要监控的**系统中去。
2）基于加速度传感器的井盖运动状态监测装置，利用轨迹分析算法，可以将井盖的运动状态报告做到0误差，做到真正的实时监控。
3）利用无线充电技术，实现了监控终端结构上的全密封，做到完全防水，防酸雾，可以保证常年工作在恶劣环境中。无线充电也可以保证装置的多次利用。
4）通过增加系统的蓝牙通讯功能，可以做到通过手机的APP软件进行GPS数据导入，功能设置和状态查询，降低成本的同时，增加了系统的可维护性。
5）应用软件可以实时报告各个井盖的状态，并对出状况井盖给出精确的方位，做到简约人性化，同时考虑了和其他**软件的扩展性。

四、应用或产业化前景与市场需求
	本项目的实施，在现有传统窨井盖基础上仅仅增加较低的成本，但是因为附加有高科技电子产品，其出售价格将远**现有的传统窨井盖价格，其利润也会远远**传统井盖。
	我国的城市道路交通随着我国经济的高速发展和城市化的进程而一直保持高速建设状态。采用本产品将能较大限度的保护人民的生命财产安全。一旦国家推行强制执行，将会获得巨大的经济效益