一种用于地下排水管网的监测装置的监测方法

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一种用于地下排水管网的监测装置的监测方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及远程监控技术领域，具体地，涉及一种用于地下排水管网的监测装置的监测方法。\n背景技术\n[0002] 地下排水管网系统是城市建设、环境保护、防洪排涝等市政项目中的重要基础设备，建立城市排水管网的监测系统，为城市排水管理者提供实时观察排水管网的环境信息、分析排水管网动态运行状况的监测管理功能，已经成为了现代城市排水管理的迫切需求。\n[0003] 地下排水管网监测系统由一个监测中心和布置在地下排水管网多个节点位置（例如窨井）的监测终端构成，由于地下排水管隐蔽于地下，且存在湿气大、腐蚀性强等恶劣环境，采用有线供电或太阳能供电将存在安装、维护成本高的问题，因此监测终端通常采用电池电源供电。但是电池电源存储的能量有限，而监测终端又通常处于连续工作模式，严重限制了监测终端的续航能力，需要频繁的更换电池，给管理人员带来诸多的不便。\n[0004] 针对上述目前所述监测终端续航能力有限的问题，需要提供一种节能省电的监测终端及其工作机制，可以大幅度的降低监测终端的平均功耗，从而延长续航时间，方便地下排水管网监测系统的实际应用。\n发明内容\n[0005] 针对前述目前所述监测终端续航能力有限的问题，本发明提供了一种用于地下排水管网的监测装置的监测方法，在保障监测质量的情况下，采用离散工作方式可以大幅度的降低监测终端的平均功耗，从而延长续航时间，方便地下排水管网监测系统的实际应用。\n[0006] 本发明采用的技术方案，一方面提供了一种用于地下排水管网的监测装置，其特征在于，包括休眠控制模块、主控模块、传感器模块和无线通信模块；所述休眠控制模块连接主控模块，用于控制主控模块的休眠或唤醒；所述主控模块分别连接传感器模块和无线通信模块，用于控制传感器模块和无线通信模块的休眠或唤醒，并处理传感器模块采集到的环境数据，生成监测信息，并将监测信息送至无线通信模块进行发送。本发明提供的监测装置采用离散工作方式监测地下排水管网的环境，在通过设置合适的休眠时长以保障监测质量的情况下，由休眠控制模块控制主控模块及相关外设休眠或唤醒的工作机制，可以利用休眠大幅度的降低监测终端的平均功耗，从而延长续航时间，方便地下排水管网监测系统的实际应用。\n[0007] 具体的，所述休眠控制模块包括CPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件）芯片和RTC（Real Time Clock，实时时钟技术）芯片；所述CPLD芯片分别连接RTC芯片和主控模块。所述具有逻辑可编程功能的CPLD芯片采用RTC闹钟唤醒技术唤醒处于休眠状态的主控模块，简单实用，耗电低。\n[0008] 具体的，所述监测装置还包括连接主控模块的图像采集模块；所述主控模块还用于控制图像采集模块的休眠或唤醒。进一步具体的，所述图像采集模块包括摄像头或/和摄像辅助设备；所述摄像辅助设备包括补光器和/或摄像云台。\n[0009] 具体的，所述传感器模块包括水位变送器、流量变送器、温度传感器、湿度传感器、气体传感器、光照传感器和红外线传感器中的任一一种或它们的任意组合。\n[0010] 具体的，所述主控模块包括FPGA（Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列）芯片、存储单元和ESD（Electro-Static discharge，静电释放）单元；所述FPGA芯片分别连接存储单元、ESD单元和休眠控制模块。\n[0011] 本发明采用的技术方案，另一方面提供了一种用于地下排水管网的监测装置的监测方法，包括如下步骤：S101．休眠控制模块在唤醒时刻到达时唤醒处于休眠状态的主控模块；S102．主控模块启动传感器模块上电工作，使传感器模块采集地下排水管网的环境数据，并将所述环境数据送至主控模块；S103．主控模块处理所述环境数据，生成监测信息；\nS104．主控模块启动无线通信模块上电工作，将所述监测信息送至无线通信模块，使无线通信模块发送包含监测信息的无线信号；S105．主控模块保存现场数据，对传感器模块和无线通信模块进行掉电操作，向休眠控制模块发送休眠请求；S106．休眠控制模块响应所述休眠请求，控制主控模块进入休眠状态，继续执行步骤S101。所述休眠控制模块可以周期性的或非周期性的唤醒处于休眠状态的主控模块，然后由主控模块驱动相应外设进行一次针对地下排水管网的监测任务，在监测任务完成后，主控模块继续休眠，等待休眠控制模块的下一次唤醒。所述监测终端的工作机制，在通过设置合适的休眠时长以保障监测质量的情况下，可以利用休眠大幅度的降低监测终端的平均功耗，从而延长续航时间，方便地下排水管网监测系统的实际应用。\n[0012] 具体的，所述步骤S103中还包括如下步骤：S201．主控模块采用神经网络算法处理环境数据，生成包含即时监测数据和预期监测数据的监测信息。\n[0013] 进一步具体的，所述步骤S201之后还包括如下步骤：S301．主控模块根据预期监测数据确定下一次主控模块休眠的休眠时长。\n[0014] 具体的，所述步骤S103还包括如下步骤：S401．主控模块根据监测信息启动图像采集模块上电工作，控制图像采集模块采集地下排水管网的图像信息，然后接收所述图像信息。\n[0015] 综上，采用本发明所提供的用于地下排水管网的监测装置及其监测方法，采用离散工作方式监测地下排水管网的环境，在通过设置合适的休眠时长以保障监测质量的情况下，由休眠控制模块控制主控模块及相关外设休眠或唤醒的工作机制，可以利用休眠大幅度的降低监测终端的平均功耗，从而延长续航时间，方便地下排水管网监测系统的实际应用。\n附图说明\n[0016] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。\n[0017] 图1是本发明实施例提供的用于地下排水管网的监测装置的结构示意图。\n[0018] 图2是本发明实施例提供的用于地下排水管网的监测装置的工作机制流程图。\n具体实施方式\n[0019] 以下将参照附图，通过实施例方式详细地描述本发明提供的用于地下排水管网的监测装置及其监测方法。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。\n[0020] 本文中描述的各种技术可以用于但不限于远程监控领域，还可以用于其它类似领域。\n[0021] 本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“或/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A或/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。\n[0022] 实施例一，图1示出了本实施例提供的用于地下排水管网的监测装置的结构示意图，图2示出了本实施例提供的所述用于地下排水管网的监测装置的工作机制流程图。所述用于地下排水管网的监测装置，其特征在于，包括休眠控制模块、主控模块、传感器模块和无线通信模块；所述休眠控制模块连接主控模块，用于控制主控模块的休眠或唤醒；所述主控模块分别连接传感器模块和无线通信模块，用于控制传感器模块和无线通信模块的休眠或唤醒，并处理传感器模块采集到的环境数据，生成监测信息，并将监测信息送至无线通信模块进行发送。所述监测装置还配置有电源模块，用于为前述各个模块提供电能支持，其可以但不限于采用蓄能电池方式供电。所述休眠控制模块连续工作（即不休眠工作），在唤醒时刻达到时唤醒处于休眠状态的主控模块，然后通过主控模块驱动启动传感器模块和无线通信模块上电工作，进行一次针对地下排水管网的监测任务，在监测任务完成后，主控模块继续休眠，等待休眠控制模块的下一次唤醒。所述传感器模块在主控模块的控制下，用于采集本地监测装置在地下排水管网中所处位置的环境数据，并将环境数据送至主控模块，以便进行进一步的数据处理和分析。所述环境数据可以是但不限于是水体深度、水体流速、温度、湿度和光照强度等环境数据中的任一一种或它们的任意组合。所述主控模块除了用于控制传感器模块和无线通信模块等外设模块休眠或唤醒外，还用于处理所述环境数据，生成监测信息，并将监测信息送至无线通信模块。所述监测信息包含经过检错后的即时监测数据和/或根据即时监测数据产生的预警/警报消息等信息。所述无线通信模块在主控模块的控制下，用于对监测信息进行封装打包，以无线电方式向监测中心上报。所述主控模块还可以通过无线通信模块接收监测中心发送的控制信息，实现监测中心对所述监测装置的远程遥控。本发明提供的监测装置采用离散工作方式监测地下排水管网的环境，在通过设置合适的休眠时长以保障监测质量的情况下，由休眠控制模块控制主控模块及相关外设休眠或唤醒的工作机制，可以利用休眠大幅度的降低监测终端的平均功耗，从而延长续航时间，方便地下排水管网监测系统的实际应用。\n[0023] 具体的，所述休眠控制模块包括CPLD芯片和RTC芯片；所述CPLD芯片分别连接RTC芯片和主控模块。所述具有逻辑可编程功能的CPLD芯片采用RTC闹钟唤醒技术唤醒处于休眠状态的主控模块，简单实用，耗电低。详细的，所述RTC芯片输出周期性的时间数据，例如等时长的秒脉冲信号，所述CPLD芯片在每次从RTC芯片中获取时间数据后，即通过硬件编程进行一次唤醒时刻是否达到的判断行为，在判定唤醒时刻已经到达时，向主控模块输入使能有效信号，从而唤醒主控模块，在判定唤醒时刻未达到时，则继续等待下一次判断。所述判断唤醒时刻是否到达的方式可以但不限于如下方式：（1）判断休眠计时器是否到达目标时间，或者判断休眠计时器是否倒计清零；（2）判断休眠计数器是否达到目标数值，或者判断休眠计数器是否倒计清零。所述由CPLD芯片和RTC芯片构成的休眠控制模块，结构简单，易于实现，并且由于CPLD的工作电压低（通常为3.3V），因此耗电低，适用于长期连续工作。\n[0024] 具体的，所述监测装置还包括连接主控模块的图像采集模块；所述主控模块还用于控制图像采集模块的休眠或唤醒。所述图像采集模块用于采集监测装置在地下排水管网所处位置的图像信息。所述图像信息可以作为另一种更详细的监测内容，经过主控模块和无线通信模块最终上传到监测中心。进一步具体的，所述图像采集模块包括摄像头或/和摄像辅助设备；所述摄像辅助设备包括补光器和/或摄像云台。所述摄像头连接主控模块，用于对监测装置在地下排水管网所处位置进行成像采集，并将采集到的图像信息送至主控模块，其可以是但不限于是红外线摄像头或背照式摄像头，前述两种摄像头均适用于在暗光环境成像，作为优化的，本实施例中所述摄像头为背照式摄像头。所述摄像辅助设备连接主控模块，用于辅助摄像头成像采集，详细的，所述补光器用于提高所处位置的光照强度，其补光时间和补光强度均受控于主控模块，从而提升摄像头的成像质量。所述摄像云台用于带动摄像头或/和补光器旋转，其旋转方向和角度均受控于主控模块，以便减少成像死角。\n作为优化的，在本实施例中，所述图像采集模块包括摄像头、补光器和摄像云台，可针对监测装置在地下排水管网所处位置提供完备的、高质量的图像信息。\n[0025] 具体的，所述传感器模块包括水位变送器、流量变送器、温度传感器、湿度传感器、气体传感器、光照传感器和红外线传感器中的任意一种或它们的任意组合。前述多个变送器/传感器的休眠或唤醒均受控于主控模块，用于采集对应的环境数据，并将采集到的环境数据送至主控模块进行处理。详细的，所述水位变送器用于采集地下排水管网中的水体深度参数；流量变送器用于采集地下排水管网中的水体流量参数；温度传感器用于采集地下排水管网中的空气温度参数，湿度传感器用于采集地下排水管网中的空气湿度参数，气体传感器用于采集地下排水管网中可燃气体的浓度参数，光照传感器用于采集地下排水管网中检查井处的可见光照度参数，以便判断是否存在诸如偷盗行为等异常情况，红外线传感器用于采集地下排水管中检查井处的红外线照度参数，以便辅助判断是否存在诸如偷盗行为等异常情况。\n[0026] 具体的，所述主控模块包括FPGA芯片、存储单元和ESD单元；所述FPGA芯片分别连接存储单元、ESD单元和休眠控制模块。详细的，如图1所示，所述FPGA芯片连接休眠控制模块中的CPLD芯片，其使能端（即芯片CE端）受控于CPLD芯片，当使能端低电平有效时，FPGA芯片上电工作；当使能端高电平有效时，FPGA芯片掉电休眠。所述FPGA芯片通过传感器接口单元分别连接传感器模块中的各个变送器/传感器，实现主控模块对各个变送器/传感器的控制和各个变送器/传感器向主控模块传送采集到的环境数据。所述FPGA芯片通过图像采集接口单元分别连接摄像头及摄像辅助设备，实现主控模块对摄像头及摄像辅助设备的控制和摄像头向主控模块传送采集到的图像信息。所述FPGA芯片通过硬件编程的方式，一方面控制传感模块中各个子器件、图像采集模块中各个子器件和无线通信模块等外设的休眠或唤醒及工作，另一方面还可利用在芯片中预制的、针对各个环境数据的处理程序，对各个变送器/传感器采集的环境数据进行处理，生成包含经过检错后的即时监测数据和/或根据即时监测数据产生的预警/警报消息等信息的监测信息，并将所述监测信息送至无线通信模块，以便向监测中心发送。进一步具体的，所述FPGA芯片还可以根据监测信息启动图像采集模块上电工作，控制图像采集模块采集地下排水管网的图像信息，然后接收所述图像信息，再送至无线通信模块，最终上传到监测中心。所述处理程序可以是但不限于是采用信息融合算法、并结合辅助数据库和/或历史数据库，对采集到的环境数据进行检错和综合，生成更准确和有用的监测信息的处理程序。进一步具体的，所述信息融合算法可以是但不限于是神经网络算法，利用神经网络算法极强的容错性以及自学习、自组织和自适应能力，对即时采集的环境数据及离散时间采集的历史数据进行非线性处理，不但能得到更准确的即时监测数据，还能得到未来一定时间段的、较准确的预期监测数据。所述预期监测数据不但可以帮助监测中心对未来一定时间段的监测情况进行预判，还可以帮助确定下一次主控模块的休眠时长，动态保障监测质量。具体的，所述存储单元包括SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存储器）存储器和FLASH存储器。所述SDRAM存储器为易失性存储介质，用于在主控模块工作时，存储加载的运行程序和临时数据，这些数据在掉电后全部丢失，充当FPGA芯片的内存；所述FLASH存储器为非易失性存储介质，存储全部的可执行程序文件、配置文件、辅助数据及历史数据等数据，这些数据掉电后不丢失，充当FPGA的硬盘。所述ESD单元为静电防护单元，用于对主控模块进行静电保护、尤其是在休眠与唤醒之间的切换过程中对FPGA芯片进行静电保护，保障所述监测装置的正常工作。\n[0027] 具体的，所述无线通信模块为GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线服务技术）通信模块、WCDMA（Wideband Code Division Multiple Access，宽带码分多址）通信模块、TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，时分同步码分多址）通信模块和WIMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access，即全球微波互联接入）通信模块中的任意一种。作为优化的，在本实施例中，所述无线通信模块为GPRS通信模块，成本低且通信质量高。\n[0028] 前述用于地下排水管网的监测装置的工作机制如图2所示，包括如下步骤。\n[0029] S101．休眠控制模块在唤醒时刻到达时唤醒处于休眠状态的主控模块。\n[0030] 所述休眠控制模块中的CPLD芯片和RTC芯片处于连续工作状态，所述RTC芯片输出周期性的时间数据，例如等时长的秒脉冲信号，所述CPLD芯片在每次从RTC芯片中获取时间数据后，即通过硬件编程进行一次唤醒时刻是否达到的判断行为，在判定唤醒时刻已经到达时，向主控模块输入使能有效信号，从而唤醒主控模块，在判定唤醒时刻未达到时，则继续等待下一次判断。所述判断唤醒时刻是否到达的方式可以但不限于如下方式：（1）判断休眠计时器是否到达目标时间，或者判断休眠计时器是否倒计清零；（2）判断休眠计数器是否达到目标数值，或者判断休眠计数器是否倒计清零。对于处于休眠状态下的FPGA芯片，CPLD芯片在判定唤醒时刻到达时，向FPGA芯片的使能端（即CE端）发送低电平信号，唤醒FPGA芯片进入工作状态。\n[0031] S102．主控模块启动传感器模块上电工作，使传感器模块采集地下排水管网的环境数据，并将所述环境数据送至主控模块。\n[0032] 所述主控模块中的FPGA芯片在进入工作状态后，首先通过传感器接口单元启动传感器模块中的各个变送器/传感器上电工作，并对它们进行必要的复位或初始化，然后驱使各个变送器/传送器采集地下排水管网的环境数据，最终通过传感器接口单元接收所述环境数据，以便进行后续的处理和分析。\n[0033] S013．主控模块处理所述环境数据，生成监测信息。\n[0034] 所述主控模块中的FPGA芯片采用信息融合算法、并结合存储单元中的辅助数据库和/或历史数据库，对采集到的环境数据进行检错和综合，生成更准确和有用的监测信息。\n进一步具体的，所述步骤S103中还包括如下步骤：S201．主控模块采用神经网络算法处理环境数据，生成包含即时监测数据和预期监测数据的监测信息。\n[0035] 所述神经网络算法是一种具有很强的容错性以及自学习、自组织和自适应能力、并能够模拟复杂的非线性映射的数据分析算法。利用神经网络算法对即时采集的环境数据及离散时间采集的历史数据进行非线性处理，不但能得到更准确的即时监测数据，还能得到未来一定时间段的、较准确的预期监测数据。将包含即时监测数据和预期监测数据的监测信息发送至监控中心，不但能够提高监测预警的准确性，还可对未来一定时间段的监测情况进行预判，提前发现问题或发出警报。\n[0036] 进一步具体的，所述步骤201之后还包括如下步骤：S301．主控模块根据预期监测数据确定下一次主控模块休眠的休眠时长。\n[0037] 所述主控模块中的FPGA芯片还可以进一步的根据预期监测数据预判未来一定时间段内、环境数据的变化快慢程度，并结合预判结果指导下一次主控模块休眠的休眠时长。\n详细的，当预判未来一定时间段内的环境数据变化剧烈时，缩短下一次主控模块休眠的休眠时长，提高休眠控制模块唤醒主控模块的频率，保障监测装置的监测质量；当预判未来一定时间段内的环境数据变化缓慢时，延长下一次主控模块休眠的休眠时长，降低休眠控制模块唤醒主控模块的频率，在保障监测质量的情况下，可进一步的优化节能效果。\n[0038] 进一步具体的，所述步骤103之后还包括如下步骤：S401．主控模块根据监测信息启动图像采集模块上电工作，控制图像采集模块采集地下排水管网的图像信息，然后接收所述图像信息。\n[0039] 所述主控模块中的FPGA芯片还可以进一步的根据监测信息启动图像采集模块上电工作，例如，在根据即时监测数据产生预警/警报消息时，或者在根据预期监测数据判定环境数据变化剧烈时，通过图像采集接口单元启动图像采集模块中摄像头及摄像辅助设备上电工作，并对它们进行必要的复位或初始化，然后驱使和控制它们采集地下排水管网的图像信息，最后通过图像采集接口单元接收图像信息。在FPGA芯片控制摄像头及摄像辅助设备进行图像采集过程中，FPGA芯片可以根据所处环境的光照强度数据，控制补光器的补光强度，辅助摄像头采集到光线合适的图像信息；或者通过控制摄像云台旋转方向或角度的方式调整摄像头或/和补光器的对准位置，减少成像死角。\n[0040] S104．主控模块启动无线通信模块上电工作，将所述监测信息送至无线通信模块，使无线通信模块发送包含监测信息的无线信号。\n[0041] 所述主控模块在生成包含经过检错后的即时环境数据、根据即时环境数据产生的预警/警报消息、预期监测数据等信息监测信息或者接收到图像采集模块传送的图像信息后，即时启动无线通信模块上电工作，并将所述监测信息或图像信息送至无线通信模块，驱使无线通信模块发送包含监测信息或图像信息的无线信号，以便监测中心进行远程监测。\n[0042] S105．主控模块保存现场数据，对传感器模块和无线通信模块进行掉电操作，向休眠控制模块发送休眠请求。\n[0043] 所述主控模块在完成一次针对地下排水管网的监测任务后，即时保存包含检错后的即时环境数据、根据即时环境数据产生的预警/警报消息、预期监测数据和即时图像信息等内容的现场数据，将这些现场数据存储在FLASH存储器中，然后对传感器模块、无线通信模块及图像采集模块等外设模块进行掉电操作，避免这些外设模块消耗不必要的能量，最后向休眠控制模块发送休眠请求消息。所述休眠请求消息包含下一次主控模块休眠的休眠时长信息，所述修长时长信息可以是但不限于新设置的固定周期性休眠时长或者由主控模块根据预期监测数据确定的下一次主控模块休眠的休眠时长。\n[0044] S106．休眠控制模块响应所述休眠请求，控制主控模块进入休眠状态，继续执行步骤S101。\n[0045] 所述休眠控制模块接收所述休眠请求消息，向主控模块的使能端发送使能无效信号，控制主控模块进入休眠状态，然后继续执行步骤S101。举例的，休眠控制模块中的CPLD芯片向FPGA芯片的使能端（即CE端）发送高电平信号，使FPGA芯片进入休眠状态，同时根据所述休眠时长信息设置休眠计时器的初始计时值或者设置休眠计数器的初始计数值，然后返回执行步骤S101。\n[0046] 上述实施例提供的所述用于地下排水管网的监测装置及其的监测方法，具有如下有益效果（：1）采用休眠控制模块主导的离散工作方式监测地下排水管网的环境，在通过设置合适的休眠时长以保障监测质量的情况下，可以利用休眠大幅度地降低监测装置的平均功耗，从而延长续航时间，方便地下排水监测系统的实际应用。所述监测装置完成一次针对地下排水管网的监测任务的工作时间不超过10s（在主控模块启动工作时，初始化占用5s，有效运行时间不超过100ms，后续休眠切换时间不超过4s）, 在一次单位周期（休眠时间+工作时间）为1小时的实际测试中，设置休眠时长为3590s，相比较于连续工作的监测装置，所述监测装置在单位周期内的功耗降低了99.72%。（2）在主控模块对即时采集的环境数据进行处理过程中，采用神经网络算法对所述环境数据进行非线性处理，不但可以提高即时监测数据的准确性，还能够提供较准确预期监测数据，使监测中心能够对未来一定时间段的监测状况进行预判，提前发现问题或发出警报。（3）监测装置能够根据预期监测数据设置合适的休眠时长，不但能够保障监测装置的监测质量，还能进一步优化节能效果。（4）监测装置可以根据监测信息及时启动图像采集模块，在关键时刻为监控中心提供更详细的图像信息。\n[0047] 如上所述，可较好的实现本发明。对于本领域的技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的实现用于地下排水管网的监测装置及其监测方法并不需要创造性的劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和变型仍落入本发明的保护范围内。