单位文秘网 2021-10-24 08:11:41 点击: 次
思想设计了一套地道桥水位报警系统,该系统主要由水位传感器、采集器、集中器、显示终端等组成,水位传感器主要用于获取水位信息,采集器用于收集水位传感器获取的信息,集中器主要负责将采集器上传的数据转发给显示终端。采集器和集中器之间使用无线通信的方式进行数据传输。该系统主要功能是在地道桥发生积水时向驾驶员及行人声光报警,同时向市政部门发布辖区各地道桥的水位信息。
关键词:MBUS协议;地道桥;水位传感器
1 项目研究价值和意义
地道桥式立交虽然存在着易积水的缺陷,但作为一种传统跨越形式在全国范围来看还无法完全被取代,据新京报统计,仅北京市区雨季积水点就达63处之多,其中有39个点均为地道桥,因此避免积水对行人及驾驶员的人身安全造成威胁就成为一个重要课题。
为了解决这个问题可以从两个角度出发,一是提高地道桥和道路低洼处的排水能力;另一个就是建立有效的报警应急机制,在发生积水时及时发布危险信息并封锁道路防止事故的发生。第一种解决方案固然理想,但需要大规模改造城市排水系统,投资巨大,发达城市尚不能全面普及,小型城镇几乎无法实现。因此,设计一种可靠且低成本的地道桥水位报警系统就可以大大减少暴雨灾害导致积水时市政部门的处置反应时间,另一方面及时对车辆行人报警也可以避免积水威胁人身安全。
2 设计研发思路
综合现有的地道桥积水报警、处置方案,我们经过对其优缺点进行分析,确定设计目标如下:(1)系统应成本低廉。系统要简单可靠,成产及保养成本低,不论大中小型城市甚至乡村都有能力推广使用。(2)报警指示醒目。在发生积水时可以给过往车辆和行人可靠地发布危险信号。(3)须有集中监控系统。通过无线传输将各地道桥的水位信息第一时间反馈给市政部门监控中心等,从而便于快速处置。
3 装置原理及结构
基于无线MBUS协议的地道桥水位报警系统主要由水位传感器(水位开关)、电源、警示灯、语音报警、集中器、采集器等模块构成。
3.1 系统总体工作原理
图1 系统安装示意图
系统安装如图1所示,当积水水位低于报警阈值时,水位传感器(水位开关)处于断开状态,电路断开,此时指示灯处于熄灭状态,继电器不发生动作,采集器处于休眠状态,集中器与采集器间没有通信,显示终端显示水位正常。
当积水水位超过阈值时,水位传感器(水位开关)中的浮球浮起,触动顶杆使两触点接触,电路导通,此时警示灯亮起并伴有语音报警,向驾驶员及行人发布危险信息,此时继电器发生动作,采集器退出休眠,进入中断状态,采集数据,并通过无线射频模块将采集到的水位信息上传到集中器,集中器将接收到的数据转发给显示终端并发出报警声响以便于提示相关部门采取措施。
3.2 水位传感器(水位开关)
3.2.1 装配结构
图3是水位开关的装配图, 其中各符号分别表示以下含义:1、拧紧螺栓,2、接线柱,3、螺母,4、胶木盖,5、螺母,6、金属盖,7、预紧弹簧,8、顶杆,9、壳体,10、浮球,11、接线柱,12、流通槽,13、孔,14,金属板。
图3 水位传感器(水位开关)装配图
3.2.2 工作原理
当积水水位低于水位开关时,水位开关处于断开状态,当积水水位高于水位开关时,浮球浮起触动顶杆使顶杆上方触点与接线柱下方触点接触,水位开关接通。
3.3 电源及电源管理模块
该系统电源模块分为两部分,即LED警示灯及语音报警模块的供电电源和采集器的供电电源:(1)警示灯及语音报警模块采用12V蓄电池搭配光伏板的方式,在阳光充足时,光伏板将采集的电能通过太阳能电源控制器储存到蓄电池中,其中太阳能电源控制器具有防短路、过载、反接的作用,并通过对蓄电池电压、放电电流、环境温度等参数采样,经控制模型计算,实现符合蓄电池特性的放电率、温度补偿修正的高效、高准确率控制,并采用高效的PWM蓄电池充电模式,保证蓄电池工作在最佳状态,延长其使用寿命。(2)由于采集器平时处于休眠状态,能耗极低,因此这里采用独立供电的方式,使用两节1.5V锂电池供电,一般可以维持使用7年以上,并且当电池电量不足时采集器会自动发送电量不足的提示,提醒管理人员更换电池。
3.4 通信模块
3.4.1 问题分析
各城市地道桥数量繁多,为防止暴雨后因积水引发溺水事故,市政部门往往要投入大量人力、物力监测各地道桥积水状况,但由于人力监测往往存在严重滞后的问题,每年此类事故仍屡见不鲜。为提高地道桥水位监测的实时性和准确性,我们考虑将远程集中抄表系统的思想运用到地道桥水位报警系统上,集中抄表系统具有以下特征:(1)采集器采用电池供电,能工作7年以上;(2)采集器具有很强的实时性;(3)集中器可以实现远程监控;(4)数据传输的协议可以保证其传输的可靠性。
为了进一步降低该系统的设计成本,增强其应用的可行性和工作的可靠性,我们采用无线载波技术,对地道桥的水位数据以无线的方式进行远距离数据传输。
3.4.2 系统结构
地道桥水位报警系统是由集中器通过无线的传输媒体将多个采集器的记录值的信息集中抄读的系统,并对数据进行监控报警。该系统由采集器、集中器、信道和终端主站构成,其框图如图4所示:
图4 系统结构框图
采集器x对各个地下桥的水位进行现场的数据采集,一旦出现地道桥水位异常的情况,就通过480MHz民用免费的无线信道将地道桥的实时信息上传给集中器。
集中器处于采集器和显示终端的中间位置,是管理者决策的直接信息来源,显示终端也可通过集中器下传命令,同时集中器也是采集器上传数据的对象,一旦水位异常,采集器源源不断的将不同地道桥水位的信息上传给集中器。
显示终端(主站)则是通过对集中器上传的数据进行处理,并对整个系统运行状态进行监测的计算机系统。
为避免集中器漏掉采集器上传的水位异常数据,从而造成更大的损失,我们采用闭环设计的思路。只要水位异常,采集器就不停的上传数据给集中器,直到集中器对采集器作出正确应答后,才停止发送,保障数据传输的可靠性,如图5所示。
图5 内部联系图
3.4.3 设计的关键技术
(1)采集器的低功耗设计。采集器本身没有外部电源供电,只能依靠内部自带电池供电,所以采集器的低功耗设计是这次研究设计的重点。这里从采集器硬件各部分的选型和软件编程思想的优化等方面实现采集器的低功耗。
(2)采用的控制芯片。控制芯片是远程抄表系统的核心部分,采用何种控制芯片要从它的功耗和性能方面结合考虑,单独考虑芯片的功耗而忽略其性能是不合适的,要做到采用的芯片功耗尽可能低,同时也要满足远程集中抄表系统的各项功能。
(3)采用的抄表方式。现在远程集中抄表系统有很多种抄表方式,结合实际情况,采用合适的抄表方式是保证数据可靠传输,进行实时监控的关键。本次设计所采用的抄表方式是大量采集器通过无线数据传输自组网的方式,同时终端管理系统可以通过集中器对采集器所采集的各个地道桥水位进行实时监控。
(4)可靠准确的数据传输。由于水位采集器位于地道桥下的环境中,障碍物的存在不利于无线数据的传输,故可靠地数据传输协议是保障数据传输可靠性和准确性的关键,在地道桥水位报警系统中,采集器本身扮演的就是一个水位表的角色,故我们使用基于Meter-Bus(MBUS协议)的数据传输协议。来保障数据可靠而又准确的数据传输。
3.4.4 通信协议
(1)通讯方式:无线射频通讯
(2)通讯速率:1200BPS
(3)数据通信格式
a、集中器向采集器发送数据通信格式:
对采集器设置数据格式
D0
Bit[1:0]:控制采集器的开关;
00:开
01:关
10:保持现状
Bit[3:2]:数据应答;
00:请求发送数据
01:告知收到正确数据
10:收到数据出错。请求重新发送,
11:再次发送后,告知收到正确信息。
其余保留。
D1
Bit[3:0]: 数据上传周期:
0:
1:
2:
3:
4:
5:
6:
7:
Bit[7:4]: 多少天与集中器通信失败,自动关阀
0:
1:
2:
3:
4:
5:
6:
7:
数据通信举例:
FEFEFE 前导字节(3)
68 起始字节(1)
10 表具类型,(1)
AAAAAAAAAAAAAA表地址,BCD编码,低字节在前,
AAAAAAAAAAAAAA为广播地址(7)
01 控制码,符合CJT188-2004标准(1)
11 数据长度(1)
1F90 数据标识(2)
00 序列号,递增,取256模(1)
57101706071220 实时时间,秒、分、时、日、月、年(7)
0000 采集器设置 D0在前,D1在后(2)
E1 校验字节(从起始字节68H开始和校验)(1)
16 结束字符(1)
共计(28)字节
b、采集器向集中器发送数据格式:
数据通信举例:
FEFEFE 前导字节(3)
68 同步字节(1)
10 表具类型(1)
37010087001111 采集器地址,BCD编码,低字节在前(7)
81 控制码,符合CJT188-2004标准(1)
20 数据长度,二进制编码(1)
1F90 数据标识(2)
00 序列号,递增,取256模。(1)
00 水位正常
FF 校验字节(从起始字节68H开始和校验)(1)
16 结束字符(1)
共计(27)字节
4 结束语
据不完全统计,每年我国因地道桥积水溺水死亡人数达近百人,相关消息层出不穷。
基于无线MBUS协议的地道桥水位报警系统作为一种低成本报警措施,各地区均有能力购置安装该系统,因此可以有效的防止因地道桥积水引发的人员溺水事故,大大减少乃至杜绝全国因此引发的人员伤亡。
参考文献
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