本发明涉及一种安全监测系统，特别是涉及一种基于物联网技术的管线安全监测及预警系统。
背景技术：
随着信息技术的不断发展，城市信息化应用水平不断提升，智慧管线建设应运而生。智慧管线是通过物联网基础设施、地理空间基础设施等信息技术，对管线运行核心系统的各项关键信息进行整合和分析。建设智慧管线在实现城市可持续发展、引领信息技术应用、提升城市综合竞争力等方面具有重要意义。
管线种类包括给水管线、排水管线、热力管线、电力线、通信线路、燃气管线，其中给水管线、排水管线、热力管线、燃气管线会出现管线堵塞的问题，尤其是排水管线。管线堵塞不仅会影响物质的传输，扰乱居民的生活，更严重的是管线堵塞严重威胁人们的生命安全，一旦管线破裂或爆炸，经济和生命安全损失将难以估计。
目前管线堵塞的监测方法主要有两种，第一种是利用声波遇到障碍物后折返的原理，测出堵塞物的具体位置，这种监测方式的缺陷是只能应用在直线排布管线中，弯曲排布的管线中声波的传播和折回路径复杂多变，难以精准测量出障碍物的具体位置。第二种是利用外部便携的仪器，人工携带仪器沿着管线的可疑段进行检查，这种检查方法的缺陷是很多管线埋设在建筑物等障碍物下方，操作人员无法将仪器靠近管线。
所以，为克服上述两种管线堵塞检查方法的缺陷，基于智慧城市建设中的物联网基础设施和地理空间基础设施等信息技术，综合给水管线、排水管线、热力管线、燃气管线的物理特性，利用管线堵塞处的压力值变化的特点，将多个监测点构成完整的监测网络系统，并且每个监测点具备唯一编码和地理位置信息，系统根据监测数据的相对变化做出预测及预警，及时做出相应措施。这对于提高管线安全管理水平，全面掌握管线堵塞的实时动态信息，促进管线堵塞问题的及时预警和解决，推动智慧管线的科学建设和有序发展等具有重要意义。
技术实现要素：
因此，本发明为实现管线的堵塞监测和安全预警，利用物联网技术和地理空间信息技术，能够将管线中的压力的变化转化为电容值的改变，在监测管线堵塞问题的同时，并且根据管线内压力的变化做出预警。
本发明所采用的技术方案是：基于物联网技术的管线安全监测及预警系统，其特征在于：包括监测管、活塞、驱动架、弹簧、支撑架、轴承、旋转板、固定板、顶盖、密封圈、螺钉、螺栓、螺母、电路盒。
所述监测管装在两段管线之间，所述监测管为圆管状，所述监测管的内外径与相邻两侧管线的内外径分别相等；所述监测管的两个端面设有监测管法兰，所述监测管法兰通过螺栓和螺母螺接在两侧管线的法兰上；所述监测管和管线之间夹装有密封圈。
进一步讲，所述密封圈的横截面轮廓和监测管法兰的横截面轮廓相同。
所述监测管的顶部圆柱面上设有竖直长方体形的传动箱；所述传动箱的顶面，竖直向下开设有长方体形的内腔；所述内腔的底面中央处，开设有椭圆形的压力孔；所述内腔中装有长方体形的活塞，所述活塞的顶面开设有多个螺钉孔。
进一步讲，在自然状态下，所述活塞的水平截面轮廓尺寸大于内腔的水平截面轮廓尺寸；所述活塞具备良好弹性，与内腔之间的密封性良好。
所述驱动架为扁长方体，通过螺钉螺装在活塞顶面；所述驱动架的顶面的前后区域分别设有中心轴线竖直的细圆柱形导柱；其中后侧导柱的左前方设有竖直的齿条，所述齿条的前侧竖面的下半段区域上均匀分布有直齿；所述顶盖为扁长方体，通过螺栓和螺母装在传动箱的顶面；所述顶盖上竖直贯穿两个圆形导孔和一个长方形齿条孔，所述导柱的顶部向上穿过导孔，所述齿条的顶部向上穿过齿条孔。
进一步讲，当驱动架移动至最低位置时，所述导柱的顶部端面与顶盖的顶面共面。
进一步讲，所述齿条和导柱的高度相等。
进一步讲，当驱动架移动至最高位置时，所述齿条的直齿区域尚未向上触碰到顶盖。
所述内腔的左右竖壁上均开设多个安装孔，所述支撑架为中心轴线左右水平的扁圆柱体，通过螺钉螺装在内腔的右侧立壁上；所述支撑架的左侧竖面中央处，向左设有中心轴线左右水平的支柱，所述支柱的左端加工成阶梯柱，所述轴承的内圈套装在阶梯柱上。
进一步讲，所述阶梯柱的外径小于支柱的其它区域的外径。
所述旋转板为中心轴线水平的扁圆柱体，所述旋转板的左侧竖面上，粘贴有半圆形的活动电容板；所述旋转板的右侧竖面的中央处，设有环柱形的套筒，所述套筒套装在轴承的外部；所述套筒的圆柱面上贯穿有外侧限定孔，所述轴承的外圈的外圆柱面上开设有内侧限定孔，所述螺钉穿过外侧限定孔，装入内侧限定孔，将套筒装配在轴承外部。
所述旋转板的外圆柱面上，环绕中心轴线均匀分布轮齿，与齿条相啮合。
进一步将，所述旋转板的材质为绝缘材料。
所述固定板为中心轴线左右水平的扁圆柱体，所述固定板的右侧竖面上粘贴有半圆形的固定电容板；所述固定板的左侧中央处设有中心轴线左右水平的圆柱形的水平柱；所述水平柱的左端设有中心轴线左右水平的扁圆形的安装板，所述安装板螺装在内腔左侧立壁上。
进一步讲，所述固定板的材质为绝缘材料。
进一步讲，所述固定板和旋转板的外径相等；所述固定电容板和活动电容板的半径相等。
所述弹簧有两件，分别套装在驱动架的两个导柱上；所述弹簧的底部端面靠在驱动架的顶面，所述弹簧的顶部端面抵在顶盖的底面。
进一步讲，所述驱动架上升至最高位置时，所述弹簧压缩到最短，此时驱动架的顶面尚未碰触到旋转板。
进一步讲，所述驱动架在最低位置时，所述活动电容板和固定电容板组成的平行电容板的正对面积为零；当驱动架上升到最高位置时，所述活动电容板和固定电容板组成的平行电容板的正对面积达到最大。
进一步讲，所述活塞在内腔的最底端时，所述弹簧处于原始长度状态；所述监测管内具备流体压力后，所述活塞的底面脱离内腔的底面，所述弹簧的长度开始减小，同时所述活动电容板和固定电容板组成的平行电容板的正对面积开始大于零。
所述传动箱的背侧竖面上螺装有电路盒，所述电路盒内装有电容监测电路、通信电路、通信天线、BDS接收器、BDS天线、MCU；所述通信电路中装有SIM卡。
本发明的原理为：所述监测管内的压力上升后，流体推动所述活塞向上移动，直到流体对活塞的向上的压力与弹簧下压的压力持平。在活塞上移的过程中，所述驱动架的齿条向上移动，带动旋转板转动，所述活动电容板和固定电容板组成的平行电容板的相对面积逐渐增大。
当管线内部堵塞时，上游管线内的压力增加，下游管线内的压力下降。管线内的压力和电容值的关系推导如下：
(1)当堵塞位置在监测管的下游时，监测管内的压力上升，活塞带动驱动架的齿条上升。设所述监测管内的初始压力为P1，管线堵塞后监测管内的压力变为P2，所述弹簧的自然长度为L0，所述弹簧的初始长度为L1，则L1＜L0，管线堵塞后弹簧的长度为L2，那么活塞的移动距离H=L1-L2；
弹簧的弹力变化∆F=k0*(L1-L2)，其中k0为弹簧的弹性系数；
管线内压力变化值∆P=P2-P1；
所以∆P=k0*(L1-L2)；
因为所述齿条和旋转板相啮合，所述旋转板的外圆柱面的线移动长度s1=L1-L2；
设旋转板和固定板的半径为R1，固定电容板和活动电容板的半径为R2，则R1＞R2，根据扇形几何关系可知s1/R1=s2/R2；
所述活动电容板的外圆柱面的线移动长度s2=s1*R2/R1=(L1-L2)*R2/R1；
那么固定电容板和活动电容板组成的平行电容板的正对面积增加量
∆S=s2*R2/2=[(L1-L2)*R2/R1]*R2/2；
电容增加量∆C=ε∆S/4πkd，其中ε为介电常数，π为圆周率，k为静电常数，d为平行板间距；
综合上述式子，获得电容增加量∆C和管线内压力变化值∆P的关系式
∆C=∆P*(ε*R2*R2)/(8K0*R1*π*k*d)，公式中ε、R2、K0、R1、π、k、d均为固定值。
(2)当堵塞位置在监测管的上游时，监测管内的压力下降，活塞带动驱动架的齿条下降。设所述监测管内的初始压力为P1，管线堵塞后监测管内的压力变为P2，所述弹簧的自然长度为L0，所述弹簧的初始长度为L1，管线堵塞后弹簧的长度为L2，则L2＜L0，那么活塞的移动距离H=L2-L1；
弹簧的弹力变化∆F=k0*(L2-L1)，其中k0为弹簧的弹性系数；
管线内压力变化值∆P=P1-P2；
所以∆P=k0*(L2-L1)；
因为所述齿条和旋转板相啮合，所述旋转板的外圆柱面的线移动长度s1=L2-L1；
设旋转板和固定板的半径为R1，固定电容板和活动电容板的半径为R2，则R1＞R2，根据扇形几何关系可知s1/R1=s2/R2；
所述活动电容板的外圆柱面的线移动长度s2=s1*R2/R1=(L2-L1)*R2/R1；
那么固定电容板和活动电容板组成的平行电容板的正对面积减少量
∆S=s2*R2/2=[(L2-L1)*R2/R1]*R2/2；
电容减少量∆C=ε∆S/4πkd，其中ε为介电常数，π为圆周率，k为静电常数，d为平行板间距；
综合上述式子，获得电容增加量∆C和管线内压力变化值∆P的关系式
∆C=∆P*(ε*R2*R2)/(8K0*R1*π*k*d)，公式中ε、R2、K0、R1、π、k、d均为固定值。
综合(1)(2)两种情况获得的关系式相同，即电容值减少时，管线内流体压力降低；电容值增大时，管线内流体压力升高，∆P=∆C*(8K0*R1*π*k*d)/(ε*R2*R2)，因为本发明中管线压力为零时，活动电容板和固定电容板组成的平行电容板的正对面积为恰好为零，所以管线内的压力值恰好等于电容值，即P=C*(8K0*R1*π*k*d)/(ε*R2*R2)。
所述电路盒内的电容数字转换电路将电容值传递到MCU，MCU计算出管线内流体压力值。
本发明一种基于物联网技术的管线安全监测及预警系统具有如下优点：
(1)利用齿条齿轮机构，将活塞的竖直移动转化为旋转板的转动；
(2)利用固定电容板和活动电容板的正对面积的变化，推导出管线内压力的变化；
(3)根据管线堵塞后管线内压力值的变化特点，系统做出安全预警，构思巧妙。
所以，这种基于物联网技术的管线安全监测及预警系统，管线中的压力的变化转化为电容值的改变，在监测管线堵塞问题的同时，并且根据管线内压力的变化做出预警，多个监测点构成完整的监测网络系统，并且每个监测点具备唯一编码和地理位置信息，系统根据监测数据的变化做出安全预警，及时做出相应措施。这对于提高管线安全管理水平，全面掌握管线堵塞的实时动态信息，促进管线堵塞问题的及时预警和解决，推动智慧管线的科学建设和有序发展等具有重要意义。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1是监测管和两侧管线的装配结构示意图。
图2是监测管和顶盖的前侧装配结构示意图。
图3是监测管和顶盖的后侧装配结构示意图。
图4是监测管、密封圈、管线的拆解示意图。
图5是监测管、密封圈的拆解示意图。
图6是监测管、顶盖的装配体的外侧结构示意图。
图7是监测管、顶盖的装配体的压力孔处的结构示意图。
图8是传动箱竖直剖开时内部传动结构示意图。
图9是传动箱竖直剖开时移除顶盖后的内部传动结构示意图。
图10是传动机构的支撑架一侧的装配结构示意图。
图11是传动机构的固定板一侧的装配结构示意图。
图12是传动机构的固定板一侧的齿条和旋转板的装配结构示意图。
图13是旋转板和固定板的相对位置示意图。
图14是旋转板、轴承、支撑架的拆解示意图。
图15是固定板的结构示意图。
图16是旋转板的活动电容板一侧的结构示意图。
图17是旋转板的套筒一侧的结构示意图。
图18是驱动架和活塞的装配结构示意图。
图19是驱动架的结构示意图；图20是活塞的结构示意图；图21是传动箱竖直剖开时的内部结构示意图；图22是顶盖的结构示意图。
图23是单个电路盒内各模块连接原理图。
图24是实施例中电容数字转换电路连接图。
图25是排水管线的安全预警原理示意图。
图中标号：1-监测管、101-传动箱、102-内腔、103-压力孔、104-安装孔、105-监测管法兰、2-活塞、201-螺钉孔、3-驱动架、301-导柱、302-齿条、303-通孔、4-弹簧、5-支撑架、501-支柱、502-阶梯柱、6-轴承、601-内侧限定孔、7-旋转板、701-活动电容板、702-套筒、703-外侧限定孔、8-固定板、801-固定电容板、802-水平柱、803-安装板、9-顶盖、901-导孔、902-齿条孔、10-密封圈、11-螺钉、12-螺栓、13-螺母、14-电路盒、a-管线。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明一种基于物联网技术的管线安全监测及预警系统作进一步的详细描述，在方向描述以电路盒的安装侧为后侧，以固定板安装侧为左侧，以支撑架安装侧为右侧。
基于物联网技术的管线安全监测及预警系统，其特征在于：包括监测管1、活塞2、驱动架3、弹簧4、支撑架5、轴承6、旋转板7、固定板8、顶盖9、密封圈10、螺钉11、螺栓12、螺母13、电路盒14。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，所述监测管1装在两段管线之间，所述监测管1为圆管状，所述监测管1的内外径与相邻两侧管线的内外径分别相等；所述监测管1的两个端面设有监测管法兰105，所述监测管法兰105通过螺栓12和螺母13螺接在两侧管线的法兰上；所述监测管1和管线之间夹装有密封圈10。
进一步讲，所述密封圈10的横截面轮廓和监测管法兰105的横截面轮廓相同。
如图6、图7、图8、图9、图20、图21所示，所述监测管1的顶部圆柱面上设有竖直长方体形的传动箱101；所述传动箱101的顶面，竖直向下开设有长方体形的内腔102；所述内腔102的底面中央处，开设有椭圆形的压力孔103；所述内腔102中装有长方体形的活塞2，所述活塞2的顶面开设有多个螺钉孔201。
进一步讲，在自然状态下，所述活塞2的水平截面轮廓尺寸大于内腔102的水平截面轮廓尺寸；所述活塞2具备良好弹性，与内腔102之间的密封性良好。
如图8、图9、图10、图11、图12、图18、图19、图22所示，所述驱动架3为扁长方体，通过螺钉11螺装在活塞2顶面；所述驱动架3的顶面的前后区域分别设有中心轴线竖直的细圆柱形导柱301；其中后侧的导柱301的左前方设有竖直的齿条302，所述齿条302的前侧竖面的下半段区域上均匀分布有直齿；所述顶盖9为扁长方体，通过螺栓12和螺母13装在传动箱101的顶面；所述顶盖9上竖直贯穿两个圆形的导孔901和一个长方形齿条孔902，所述导柱301的顶部向上穿过导孔901，所述齿条302的顶部向上穿过齿条孔902。
进一步讲，当驱动架3移动至最低位置时，所述导柱301的顶部端面与顶盖9的顶面共面。
进一步讲，所述齿条302和导柱301的高度相等。
进一步讲，当驱动架3移动至最高位置时，所述齿条302的直齿区域尚未向上触碰到顶盖9。
如图13、图14、图21所示，所述内腔101的左右竖壁上均开设多个安装孔104，所述支撑架5为中心轴线左右水平的扁圆柱体，通过螺钉11螺装在内腔102的右侧立壁上；所述支撑架5的左侧竖面中央处，向左设有中心轴线左右水平的支柱501，所述支柱501的左端加工成阶梯柱502，所述轴承6的内圈套装在阶梯柱502上。
进一步讲，所述阶梯柱502的外径小于支柱501的其它区域的外径。
如图13、图14所示，所述旋转板7为中心轴线水平的扁圆柱体，所述旋转板7的左侧竖面上，粘贴有半圆形的活动电容板701；所述旋转板7的右侧竖面的中央处，设有环柱形的套筒702，所述套筒702套装在轴承6的外部；所述套筒702的圆柱面上贯穿有外侧限定孔703，所述轴承6的外圈的外圆柱面上开设有内侧限定孔601，所述螺钉11穿过外侧限定孔703，装入内侧限定孔601，将套筒702装配在轴承6外部。
所述旋转板7的外圆柱面上，环绕中心轴线均匀分布轮齿，与齿条302相啮合。
进一步将，所述旋转板7的材质为绝缘材料。
如图13、图16、图17所示，所述固定板8为中心轴线左右水平的扁圆柱体，所述固定板8的右侧竖面上粘贴有半圆形的固定电容板801；所述固定板8的左侧中央处设有中心轴线左右水平的圆柱形的水平柱802；所述水平柱802的左端设有中心轴线左右水平的扁圆形的安装板803，所述安装板803螺装在内腔102左侧立壁上。
进一步讲，所述固定板8的材质为绝缘材料。
进一步讲，所述固定板8和旋转板7的外径相等；所述固定电容板801和活动电容板701的半径相等。
如图8、图9、图10、图11、图12所示，所述弹簧4有两件，分别套装在驱动架3的两个导柱301上；所述弹簧4的底部端面靠在驱动架3的顶面，所述弹簧4的顶部端面抵在顶盖9的底面。
进一步讲，所述驱动架3上升至最高位置时，所述弹簧4压缩到最短，此时驱动架3的顶面尚未碰触到旋转板7。
进一步讲，所述驱动架3在最低位置时，所述活动电容板701和固定电容板801组成的平行电容板的正对面积为零；当驱动架3上升到最高位置时，所述活动电容板701和固定电容板801组成的平行电容板的正对面积达到最大。
进一步讲，所述活塞2在内腔102的最底端时，所述弹簧4处于原始长度状态；所述监测管内具备流体压力后，所述活塞2的底面脱离内腔102的底面，所述弹簧4的长度开始减小，同时所述活动电容板701和固定电容板801组成的平行电容板的正对面积开始大于零。
如图3、图23所示，所述传动箱101的背侧竖面上螺装有电路盒14，所述电路盒14内装有电容数字转换电路、通信电路、通信天线、BDS接收器、BDS天线、MCU；所述通信电路中装有SIM卡，每张SIM卡具备唯一编码。
所述监测管1内的压力上升后，流体推动所述活塞2向上移动，直到流体对活塞2的向上的压力与弹簧4下压的压力持平。在活塞2上移的过程中，所述驱动架3的齿条302向上移动，带动旋转板7转动，所述活动电容板701和固定电容板801组成的平行电容板的相对面积逐渐增大。
当管线内部堵塞时，上游管线内的压力增加，下游管线内的压力下降。管线内的压力和电容值的关系推导如下：
(1)当堵塞位置在监测管1的下游时，监测管1内的压力上升，活塞2带动驱动架3的齿条302上升。设所述监测管1内的初始压力为P1，管线堵塞后监测管1内的压力变为P2，所述弹簧4的自然长度为L0，所述弹簧4的初始长度为L1，则L1＜L0，管线堵塞后弹簧4的长度为L2，那么活塞2的移动距离H=L1-L2；
弹簧4的弹力变化∆F=k0*(L1-L2)，其中k0为弹簧4的弹性系数；
管线内压力变化值∆P=P2-P1；
所以∆P=k0*(L1-L2)；
因为所述齿条302和旋转板7相啮合，所述旋转板7的外圆柱面的线移动长度s1=L1-L2；
设旋转板7和固定板8的半径为R1，固定电容板801和活动电容板701的半径为R2，则R1＞R2，根据扇形几何关系可知s1/R1=s2/R2；
所述活动电容板701的外圆柱面的线移动长度s2=s1*R2/R1=(L1-L2)*R2/R1；
那么固定电容板801和活动电容板701组成的平行电容板的正对面积增加量
∆S=s2*R2/2=[(L1-L2)*R2/R1]*R2/2；
电容增加量∆C=ε∆S/4πkd，其中ε为介电常数，π为圆周率，k为静电常数，d为平行板间距；
综合上述式子，获得电容增加量∆C和管线内压力变化值∆P的关系式
∆C=∆P*(ε*R2*R2)/(8K0*R1*π*k*d)，公式中ε、R2、K0、R1、π、k、d均为固定值。
(2)当堵塞位置在监测管1的上游时，监测管1内的压力下降，活塞2带动驱动架3的齿条302下降。设所述监测管1内的初始压力为P1，管线堵塞后监测管1内的压力变为P2，所述弹簧4的自然长度为L0，所述弹簧4的初始长度为L1，管线堵塞后弹簧4的长度为L2，则L2＜L0，那么活塞2的移动距离H=L2-L1；
弹簧4的弹力变化∆F=k0*(L2-L1)，其中k0为弹簧4的弹性系数；
管线内压力变化值∆P=P1-P2；
所以∆P=k0*(L2-L1)；
因为所述齿条302和旋转板7相啮合，所述旋转板7的外圆柱面的线移动长度s1=L2-L1；
设旋转板7和固定板8的半径为R1，固定电容板801和活动电容板701的半径为R2，则R1＞R2，根据扇形几何关系可知s1/R1=s2/R2；
所述活动电容板701的外圆柱面的线移动长度s2=s1*R2/R1=(L2-L1)*R2/R1；
那么固定电容板801和活动电容板701组成的平行电容板的正对面积减少量
∆S=s2*R2/2=[(L2-L1)*R2/R1]*R2/2；
电容减少量∆C=ε∆S/4πkd，其中ε为介电常数，π为圆周率，k为静电常数，d为平行板间距；
综合上述式子，获得电容减少量∆C和管线内压力变化值∆P的关系式
∆C=∆P*(ε*R2*R2)/(8K0*R1*π*k*d)，公式中ε、R2、K0、R1、π、k、d均为固定值。
综合(1)(2)两种情况获得的关系式相同，即电容值减少时，管线内流体压力降低；电容值增大时，管线内流体压力升高，∆P=∆C*(8K0*R1*π*k*d)/(ε*R2*R2)，因为本发明中管线压力为零时，活动电容板701和固定电容板801组成的平行电容板的正对面积为恰好为零，所以管线内的压力值为零时恰好电容值也为零，所以即有P=C*(8K0*R1*π*k*d)/(ε*R2*R2)。
所述电路盒14内的电容数字转换电路将电容值传递到MCU，MCU计算出管线内流体压力值。
如图23所示，BDS接收器计算出监测点的位置数据，电容数字转换电路将测得的电容量转换为数值，位置数据和电容数据实时传递到MCU处理器；每个监测点的MCU通过通信电路和通信天线与主处理器连接，同时主处理器与气象部门提供的数据端口连接。
进一步讲，BDS是北斗定位导航系统的字母缩写；MCU是微处理单元的字母缩写。
在具体实施过程中，如图24所示，采用德国ACAM公司生产的电容测量芯片PCap01，芯片PC端分别连接固定电容板和活动电容板，设监测机构的电容为Cx；第25-32端口中PC0和PC1连接电容Cx；第1-8端口中BUFFCAP连接4uF电容后接地，VDD端连接3.3V电压，并且连接10uF后接地；第9-16端口中连接33nF电容后接地；第17-24端口中VPP_OTP连接10M欧姆电容后接地，IIC_EN连接3.3V电压，IIC_EN和MOSI_SDA间串接4K欧姆电阻，IIC_EN和SCK_SCL间串接4K欧姆；将电容量转为为数字信号。
如图25所示，本发明的管线堵塞监测及安全预警方法为：
(1)由监测管1、活塞2、驱动架3、弹簧4、支撑架5、轴承6、旋转板7、固定板8、顶盖9、密封圈10、螺钉11、螺栓12、螺母13、电路盒14组成的监测机构，沿着管线的路径，每隔一定长度布设一套；
(2)每处监测机构的电路盒14中的BDS接收器通过BDS天线接收卫星信号，所述BDS接收器计算出每处监测点的位置信息，并传递给MCU；
(3)每处监测机构的电路盒14中的电容数字转换电路将平行电容板的电容值传递给MCU，所述MCU通过电容值的变化量计算出管线内压力值的变化量；
(4)每处监测机构的电路盒14中的通信电路通过通信天线，将MCU计算获得的压力数据和位置数据传递至总处理器；
(5)当管线某处监测机构的上游的监测机构测得的压力数据增加，下游的监测机构测得的压力数据降低，判断靠近此监测机构的管线内发生堵塞问题；
(6)当管线内某处压力上升达到管线抗压阈值后，系统的总处理器发生预警信息；
(7)对于排水管线，当气象预报未来24小时降水量达到设定的阈值时，预警级数增加一级。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.基于物联网技术的管线安全监测及预警系统，其特征在于：包括监测管(1)、活塞(2)、驱动架(3)、弹簧(4)、支撑架(5)、轴承(6)、旋转板(7)、固定板(8)、顶盖(9)、密封圈(10)、螺钉(11)、螺栓(12)、螺母(13)、电路盒(14)；
所述监测管(1)装在两段管线之间，所述监测管(1)为圆管状，所述监测管(1)的内外径与相邻两侧管线的内外径分别相等；所述监测管(1)的两个端面设有监测管法兰(105)，所述监测管法兰(105)通过螺栓(12)和螺母(13)螺接在两侧管线的法兰上；所述监测管(1)和管线之间夹装有密封圈(10)；
所述监测管(1)的顶部圆柱面上设有竖直长方体形的传动箱(101)；所述传动箱(101)的顶面，竖直向下开设有长方体形的内腔(102)；所述内腔(102)的底面中央处，开设有椭圆形的压力孔(103)；所述内腔(102)中装有长方体形的活塞(2)，所述活塞(2)的顶面开设有多个螺钉孔(201)；
所述驱动架(3)为扁长方体，通过螺钉(11)螺装在活塞(2)顶面；所述驱动架(3)的顶面的前后区域分别设有中心轴线竖直的细圆柱形导柱(301)；其中后侧的导柱(301)的左前方设有竖直的齿条(302)，所述齿条(302)的前侧竖面的下半段区域上均匀分布有直齿；所述顶盖(9)为扁长方体，通过螺栓(12)和螺母(13)装在传动箱(101)的顶面；所述顶盖(9)上竖直贯穿两个圆形的导孔(901)和一个长方形齿条孔(902)，所述导柱(301)的顶部向上穿过导孔(901)，所述齿条(302)的顶部向上穿过齿条孔(902)；
所述内腔(101)的左右竖壁上均开设多个安装孔(104)，所述支撑架(5)为中心轴线左右水平的扁圆柱体，通过螺钉(11)螺装在内腔(102)的右侧立壁上；所述支撑架(5)的左侧竖面中央处，向左设有中心轴线左右水平的支柱(501)，所述支柱(501)的左端加工成阶梯柱(502)，所述轴承(6)的内圈套装在阶梯柱(502)上；
所述旋转板(7)为中心轴线水平的扁圆柱体，所述旋转板(7)的左侧竖面上，粘贴有半圆形的活动电容板(701)；所述旋转板(7)的右侧竖面的中央处，设有环柱形的套筒(702)，所述套筒(702)套装在轴承(6)的外部；所述套筒(702)的圆柱面上贯穿有外侧限定孔(703)，所述轴承(6)的外圈的外圆柱面上开设有内侧限定孔(601)，所述螺钉(11)穿过外侧限定孔(703)，装入内侧限定孔(601)，将套筒(702)装配在轴承(6)外部；
所述旋转板(7)的外圆柱面上，环绕中心轴线均匀分布轮齿，与齿条(302)相啮合；
所述固定板(8)为中心轴线左右水平的扁圆柱体，所述固定板(8)的右侧竖面上粘贴有半圆形的固定电容板(801)；所述固定板(8)的左侧中央处设有中心轴线左右水平的圆柱形的水平柱(802)；所述水平柱(802)的左端设有中心轴线左右水平的扁圆形的安装板(803)，所述安装板(803)螺装在内腔(102)左侧立壁上；
所述弹簧(4)有两件，分别套装在驱动架(3)的两个导柱(301)上；所述弹簧(4)的底部端面靠在驱动架(3)的顶面，所述弹簧(4)的顶部端面抵在顶盖(9)的底面；
所述传动箱(101)的背侧竖面上螺装有电路盒(14)，所述电路盒(14)内装有电容数字转换电路、通信电路、通信天线、BDS接收器、BDS天线、MCU；所述通信电路中装有SIM卡，每张SIM卡具备唯一编码。
2.根据权利要求1所述的基于物联网技术的管线安全监测及预警系统，其特征在于：在自然状态下，所述活塞(2)的水平截面轮廓尺寸大于内腔(102)的水平截面轮廓尺寸；所述活塞(2)具备良好弹性，与内腔(102)之间的密封性良好。
3.根据权利要求1所述的基于物联网技术的管线安全监测及预警系统，其特征在于：当驱动架(3)移动至最低位置时，所述导柱(301)的顶部端面与顶盖(9)的顶面共面。
4.根据权利要求1所述的基于物联网技术的管线安全监测及预警系统，其特征在于：所述齿条(302)和导柱(301)的高度相等；当驱动架(3)移动至最高位置时，所述齿条(302)的直齿区域尚未向上触碰到顶盖(9)。
5.根据权利要求1所述的基于物联网技术的管线安全监测及预警系统，其特征在于：所述旋转板(7)的材质为绝缘材料；所述固定板(8)的材质为绝缘材料。
6.根据权利要求1所述的基于物联网技术的管线安全监测及预警系统，其特征在于：所述固定板(8)和旋转板(7)的外径相等；所述固定电容板(801)和活动电容板(701)的半径相等。
7.根据权利要求1所述的基于物联网技术的管线安全监测及预警系统，其特征在于：所述驱动架(3)上升至最高位置时，所述弹簧(4)压缩到最短，此时驱动架(3)的顶面尚未碰触到旋转板(7)。
8.根据权利要求1所述的基于物联网技术的管线安全监测及预警系统，其特征在于：所述驱动架(3)在最低位置时，所述活动电容板(701)和固定电容板(801)组成的平行电容板的正对面积为零；当驱动架(3)上升到最高位置时，所述活动电容板(701)和固定电容板(801)组成的平行电容板的正对面积达到最大。
9.根据权利要求1所述的基于物联网技术的管线安全监测及预警系统，其特征在于：所述活塞(2)在内腔(102)的最底端时，所述弹簧(4)处于原始长度状态；所述监测管内具备流体压力后，所述活塞(2)的底面脱离内腔(102)的底面，所述弹簧(4)的长度开始减小，同时所述活动电容板(701)和固定电容板(801)组成的平行电容板的正对面积开始大于零。
10.根据权利要求1～9所述的基于物联网技术的管线安全监测及预警系统，其特征在于：
本发明的管线堵塞监测及安全预警方法为：
(1)由监测管(1)、活塞(2)、驱动架(3)、弹簧(4)、支撑架(5)、轴承(6)、旋转板(7)、固定板(8)、顶盖(9)、密封圈(10)、螺钉(11)、螺栓(12)、螺母(13)、电路盒(14)组成的监测机构，沿着管线的路径，每隔一定长度布设一套；
(2)每处监测机构的电路盒(14)中的BDS接收器通过BDS天线接收卫星信号，所述BDS接收器计算出每处监测点的位置信息，并传递给MCU；
(3)每处监测机构的电路盒(14)中的电容数字转换电路将平行电容板的电容值传递给MCU，所述MCU通过电容值的变化量计算出管线内压力值的变化量；
(4)每处监测机构的电路盒(14)中的通信电路通过通信天线，将MCU计算获得的压力数据和位置数据传递至总处理器；
(5)当管线某处监测机构的上游的监测机构测得的压力数据增加，下游的监测机构测得的压力数据降低，判断靠近此监测机构的管线内发生堵塞问题；
(6)当管线内某处压力上升达到管线抗压阈值后，系统的总处理器发生预警信息；
(7)对于排水管线，当气象预报未来24小时降水量达到设定的阈值时，预警级数增加一级。
技术总结
本发明提供一种基于物联网技术的管线安全监测及预警系统，包括监测管、活塞、驱动架、弹簧、支撑架、轴承、旋转板、固定板、顶盖、密封圈、螺钉、螺栓、螺母、电路盒。多件监测管螺接在管线中，监测管的传动箱的内腔中装有活塞，活塞顶部装有驱动架，驱动架上装有导柱和齿条，齿条和旋转板相啮合；旋转板通过轴承装在支撑架的左端，旋转板左侧粘贴有活动电容板；固定板的右侧粘贴有固定电容板，与活动电容板组成平行板电容器；电路盒螺装在传动箱背侧，电路盒中装有电容数字转换电路、BDS接收器、BDS天线、通信电路、通信天线、MCU；各个监测点的MCU通过通信电路将位置数据和压力数据传递到主处理器，判断出堵塞位置并发出安全预警。
技术研发人员：田瑜基;张鸿玮;刘艳军
受保护的技术使用者：厦门精图信息技术有限公司
技术研发日：.08.03
技术公布日：.11.12
