设计了一种红外探测式井盖监测系统。该系统由E3Z-T82红外探测器组成的探测组为核心，采用分布式的控制方式，解决了井盖报警系统安装困难、误触发等缺点.设计的红外探测系统安装便捷、成本低、可实时对井盖的状态进行监控，并发出报警。
关键词：红外探测 分布控制 井盖监测
中图分类号：TJ411.+7 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）10-0000-00
Abstract：For covers management of urban underground pipeline gallery， this paper designed an infrared monitoring system for detecting type covers， which use infrared detection technology. The system solve covers alarm system installation difficulties and false triggering other shortcomings， which the core of infrared detectors is E3Z-T82 probe group， using distributed control mode. The infrared detection system design easy to install， low-cost， real-time monitoring of the status of the covers， and alarm.
Key words：Infrared Detection Distributed control Monitoring covers
1 引言
城市地下综合管廊是水电、燃气和通信等地下管网的综合体，对综合管廊的管理成为市政管理的重中之重，主要体现在对井盖状态的管理。井盖被盗、人为破坏井盖进入综合管廊进行盗窃、破坏，技术人员巡检忘关井盖的状况时有发生，对行人的人身安全和地下综合管廊的管理都带来了意想不到的麻烦。[1-4]城市井盖管理经历了普通井盖、防盗井盖、城管通等阶段，现进入智慧井盖阶段。智慧井盖是多项技术结合的产物，目前最先进的是采用无线传感网络技术，真正意义上实现了窨井盖的智能化管理[5]。但由于井盖分布广泛且数量庞大，遍布城市各个方位，而无线传感网络的容量有限，并且随着网络容量的增加，网络的实时性会变差，信道冲突变严重，无法实现大规模的商业应用。目前使用于井盖监测的手段较多，使用较多的是超声波探测技术。但经常出现误报警现象，造成误报的主要原因是内井盖的丢失、损坏、以及超声波探测器的支架、挡板被认为踩踏导致变形、移位。内井盖缺失损坏直接造成被检测物有内井盖变为外井盖，检测距离产生变化。超声波支架变形、移位后，被检测位置也发生变化，因此传感器输出状态出错，最终出现误报警现象。
本文针对城市地下综合管廊管理的迫切要求，针对某工程实践需求，采用模块化的设计思想，设计了一种基于红外探测的井盖监测系统。并对设计的传感器组进行了粉尘和水滴实验，经实验验证，设计的仪器稳定、可靠、灵敏度高。
2 系统组成与工作原理
红外探测井盖监测系统组成框图如图1所示。如图1所示，该系统由主基站、N个从基站和8对红外探测器组以及相应的外围电路组成。主基站通过对整个地下管廊分区，形成接收N个分区，即N个从基站，通过对每个从基站赋予不同的地址，实现整个片区地下综合管廊的管理，主基站通过接不同的地址命令，接收相应分区从基站发出的该段地下综合管廊的状态，并作出相应的报警等动作。从基站实现本片区地下综合管廊的状态监测，对综合管廊的积水井水位、管廊温度、湿度和井盖状态等环境状态进行检测，接收各个传感器发出的状态信息并处理，通过设定与主基站相同的通讯协议，将环境信息传送到主基站。本文只针对井盖状态进行描述。传感器组通过E3Z-T82红外探测器、椭圆形红外发光二极管线阵列以及井盖悬垂物组成，当井盖关闭时，红外探测器稳定的输出一个信号，当井盖打开时，红外探测器的信号输出发生变化，从而实现井盖状态的实时监测。
3 红外探测器组设计
如图2所示，红外探测器组由红外光源阵列、E3Z-T82红外传感器阵列和井盖悬垂物组成。其中，红外光源阵列采用红外LED阵列组成，由稳压电源、滤波电路和限流电阻组成，其具体电路如图3所示。该电路可输出最大1.5A电流，每只红外LED灯正常发光200mA，因此，每个电源电路驱动6只LED。本设计采用两个电源电路。图3中D1和D2为稳压二极管，用于稳定电源输出端的电压；C1、C2为输入滤波电容，C4为输出滤波电容，可以抑制电路自激，C3则是抗电源纹波干扰电容。R1、R2共同决定直流稳压电源的输出电压。图4为E3Z-T82红外传感器阵列原理图。该阵列由四组E3Z-T82传感器、前级差分信号放大电路和后级信号放大电路组成，E3Z-T82红外传感器的光电转换电路差分输入，使用+12V驱动zhenliezu1，-12V驱动zhenliezu2， R1和R2为偏置取样电阻，使光电二极管处于反向偏置状态。U1为NE592，D5和D6为电源端稳压二极管，保证为其提供稳定的工作电压。当有悬垂物在光幕中慢慢消失时，光电二极管接收到的光能量发生变化，产生变化的光电流，流入运算放大器U1中。其中，流经zhenliezu1的偏置电流变小，流经zhenliezu2的偏置电流变小。
前级放大电路由U1和U5A组成，对变化的电流就行初步的放大。光电转换电路产生的变化的电流信号经U1使差分电流信号被转换为差分电压信号，经过2、3管脚输入运算放大器U5A（CA3240）中，差分电压信号经过运放后，转换为单路电压信号输出。前级放大电路有效地抑制了共模输入信号，对噪声信号很好的滤除。后级放大电路采用两个运算放大器CA3240（U5B和U6A）组成，U5BU5B为同相放大电路，调节探测器灵敏度。图中U6为选用射极跟随电路，其输入阻抗高，输出阻抗低，电压放大系数略低于1，负载能力强，用以驱动模拟信号。
4 系统软件设计
4.1 从基站软件设计
从基站用于采集该片区内的井盖状态，并控制相应的报警装置发送报警信息。其主要工作流程：根据主基站传送的地址命令，判断主基站发送地址是否为本机地址，如果不是本机地址，则进行复位；若为本机地址，则在地址命令的控制下，按照预先设定的握手协议将各个位置的井盖状态信息编码后发送给主机站；然后重新扫描，获取井盖的最新状态信息。
4.2 主基站软件设计
主基站负责总体地下综合管廊所有井盖状态的监测，通过对整个地下管廊状态的监测。首先主基站对负责监测的地下综合管廊进行分区，对每个区赋予一个固定的地址，主基站采用动态扫描的方式向每一个片区发送地址命令，从基站在接收到相应的地址命令后，将该片区所有井盖的信息通过与主基站预先设定的握手协议将状态信息发送至主基站，主基站根据预先设定的握手协议对从基站发送的信息进行解码，并显示到主基站显示器上。
5 实验与结论
在实验室条件下对设计的系统进行检测，着重对红外探测器组进行了测试，并在凝水和灰尘条件下对红外探测器组进行检测，实验发现，设计的探测器组输出信号稳定，在灰尘和凝水条件下工作稳定。其安装图如图5所示。最后，对整个测试系统进行了测试，经实验验证，测试系统工作稳定，获取的井盖状态信息可靠稳定。
参考文献
[1] 来勐，赵勇.城市窨井盖远程监控系统[J].电信工程技术与标准化，2012（6）：13-15.
[2] 徐剑，王小江，傅春鸣等.无线技术在排水窨井盖防盗中的应用[J].城市建设理论研究（电子版），2011（29）：253-255.
[3] 晏宗全.井下给排水系统中的流量监测研究[J].煤炭技术，2012（3）：148-150.
[4] 韩谷.城市排水系统研究[J].中国西部科技，2006（4）：4-5.
[5] 黄林.基于WSN的窨井实时巡检技术的研究[J].杭州电子科技大学，2013：1-5.
收稿日期：2015-09-18
作者简介：李亚胜（1986—），男，陕西咸阳人，工学硕士，助教，研究方向：仪器与测试技术。E-mail：lys19860915@126.com
