(57)【要約】  マンホールエンクロージャの内部または周辺の環境パラメータを感知して、それらのパラメータを遠隔地に無線送信するプラットフォームおよび手段を提供するために、マンホールエンクロージャに入力機器を備え付けるリモートセンシングシステムおよび方法である。本システムは、マンホールの近傍の環境パラメータを監視するセンサを有するハウジングを備える。ハウジング内のマイクロコントローラが、それらのパラメータを電波モジュールに送り、電波モジュールは、マンホールが不正に立ち入りされたことをユーザに警報するために、それらのパラメータを通信装置に送信する。【選択図】  図１
2009503919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ用通信ポートを有するハウジングであって、前記センサが前記ハウジングの近傍のパラメータを監視する、ハウジングと、
前記ハウジング内にあって、前記パラメータを、デジタル接続を通して二方向電波無線電波モジュールに伝達するマイクロコントローラと、
前記二方向電波無線電波モジュールと接続され、前記パラメータを通信装置に送信する外部アンテナにつながるコネクタケーブルと、
前記ハウジングに電力を供給する電力手段と、
を備えるリモートセンシングシステム。
【請求項２】
前記外部センサが、傾斜センサ、加速センサ、およびレンジセンサからなる群から選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記パラメータが、環境パラメータまたはプロセスパラメータである、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記通信装置が受信装置である、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記通信装置が、携帯電話、ページャ、携帯情報端末、およびパーソナルコンピュータからなる群から選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記外部アンテナから送信された前記パラメータを受信する中央サーバをさらに備えるシステムであって、前記中央サーバが、前記パラメータを保存するアプリケーションサーバコンピュータと通信している、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記ハウジングが、エンクロージャカバー、ドア、窓、壁、およびマンホール蓋からなる群から選択される装置に取り付けられる、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
地面を貫いて前記中央サーバと直接通信するために、前記装置の裏面に追加アンテナをさらに備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記センサが、水位センサ、流量センサ、圧力センサ、レンジセンサ、超音波レンジセンサ、ガスセンサ、湿度センサ、温度センサ、および光学モニタからなる群から選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
マンホール蓋に接続され、センサ用通信ポートを有するハウジングであって、前記センサが前記ハウジングの近傍のパラメータを監視する、ハウジングと、
前記ハウジング内にあって、前記パラメータを、デジタル接続を通して二方向電波無線電波モジュールに伝達するマイクロコントローラと、
前記二方向電波無線電波モジュールと接続され、前記パラメータを通信装置に送信する外部アンテナにつながり、前記マンホール蓋からリアルタイム受信機への迅速かつ高信頼性の通信を提供するコネクタケーブルと、
前記ハウジング内部にあって、前記センサの所定のしきい値が超えられたときに前記通信装置と通信する警報器と、
前記ハウジングに電力を供給する電池と、
を備えるリモートセンシングシステム。
【請求項１１】
前記センサが、前記マンホール蓋が動いたかどうかを監視し、前記マンホール蓋が動いた場合には、前記警報器がユーザに通知するように起動される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記マイクロコントローラが、動作の状態を定義するコマンドセットによってプログラムされる、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
動作の前記状態が、初期テストモード、現場設置モード、通常動作モード、レポート頻度を変更する、サンプリング頻度を変更する、履歴データモードを返す、履歴データモードをリセットする、ロケーション文字列を変更する、警報宛先アドレス文字列を変更する、通信チャネルをリセットする、警報を有効化する、警報を無効化する、システムユーザにメッセージを送る、からなる群から選択される、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記マンホール蓋への違法立ち入りがあった場合に、前記警報器がユーザに警報を出す、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記ハウジングが、既存のマンホール蓋に取り付けられる、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
出力装置を制御するために、前記マイクロコントローラに出力ポートをさらに備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記出力装置が、バルブおよびアクチュエータからなる群から選択される、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記マンホール内の水の高さを測定する超音波レンジ検出器をさらに備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記超音波レンジ検出器が、前記マンホール内の水の高さが所定のレベルを超えていることを検出した場合に、前記マンホール蓋の中の投棄の可能性をユーザに通知する警報が前記ユーザに送られる、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記所定のレベルが前記マイクロコントローラに設定される、請求項１９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
[0001]本発明は、主として、エンクロージャの内部または周辺の環境パラメータまたはプロセスパラメータを感知して、それらのパラメータを遠隔地に無線送信するプラットフォームおよび手段を提供するために、エンクロージャに入力機器を備え付けるシステムおよび方法に関する。
【発明の背景】
【０００２】
[0002]下水および廃水の処理システムは、環境、地域社会、および規制の大変な圧力に直面して、その運営コストがどんどん高くなっている。下水処理システムを運営する機関および団体は、複雑かつ高コストである問題に直面している。下水処理システムの運営者が直面する、主たる問題のうちの３つが、下水流出、処理障害、および不法投棄である。これらの問題のうちの最初の２つは、腐敗物が野放しに環境に流出する事態をもたらすことが多く、環境被害、健康リスク、浄化および緩和の高額なコストなどの原因となる。一方、第３の問題は、処理システム、環境、および下水処理運営者の責任が管理されていないことの、それぞれへの潜在的危険を生み出す。
【０００３】
[0003]下水流出は、廃棄物の処分および処理を扱う機関および団体にとって、より日常的になりつつあり、いっそうコストがかかる事態になっている。人口増加は、下水システムの過酷な濫用を招き、システムは、老朽化しつつあり、漏出や流出が起こりやすくなる。浄化、緩和、および規制機関による罰金を含む、流出に伴うコストは急上昇している。Ｂｒｏｗｎ  ａｎｄ  Ｃａｌｄｗｅｌｌ土木事務所による最近の市場分析「Ｗｈａｔ’ｓ  ａ  Ｓｐｉｌｌ  Ｗｏｒｔｈ？，ｏｒ  ａ  Ｂｒｉｅｆ  Ｌｏｏｋ  ａｔ  Ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ  Ｖａｌｕｅｓ」は、カリフォルニアの６７６の下水機関を調査して、流出を防止することの経済的価値を見いだしている。この調査で明らかになったこととして、たとえば、数千ガロンのオーダーの流出については、諸機関は、これらの流出を防止するためにガロン当たり１０ドルを支出することをいとわなかった。より大規模な流出については、諸機関は、流出物が河川、湖、海などの受水域に到達するのを防止するために、５０万ドルから１００万ドル以上を支出することをいとわなかった。下水処理機関が、下水の流出に対して（特にそれらが、規模が大きく、受水域に到達する場合には）数百万ドルの罰金を科せられるのは、珍しいことではない。下水流出はまた、運営機関にとって深刻な渉外の問題を引き起こし、下水が住宅や商業施設に戻ってしまい、運営機関に重大な責任が発生し、コストおよび時間が非常にかかる浄化が行われることも、珍しいことではない。
【０００４】
[0004]下水流出は、様々な問題によって引き起こされるが、主たる原因として、次の３つが挙げられることが多い。すなわち、脂肪、ラード、または油脂を食品または工業プロセスに使用するレストラン、他の営利事業、または住宅による不法排出による油脂の蓄積、下水管に投入されるぼろ切れなどの物体によって悪化しがちな、植物の根の侵入や管の破損に起因する、下水管の構造上の問題、および「潜入および流入」（降雨量または流出雨量が多いときに起こりがちな、システムへの漏出に起因するあふれ）である。したがって、下水管が詰まったり、下水管の流量が多くなり、容量一杯になってあふれたりすると、下水流出が始まることが多い。現時点では、流出が起こる前に流出を防ぐ、コスト効率の高い手段をシステム運営者に提供する、実用的な早期警告システムがない。流出は、典型的には、地域の人々によって発見されるが、それは、マンホールからの水の流出、または下水道の周囲または上方の地面の、ぬれた場所の周囲のにおいから、偶然に発見されるものである。地域の人々が下水流出に気づいた時点では、もう遅い。流出は既に発生しており、もはや問題となるのは、どれだけの下水が環境に流出したか、流出は、上水の受水域に達したか、障害の浄化にどれだけのコストと時間がかかるか、ならびに、どれだけの罰金が科せられるのか、である。
【０００５】
[0005]下水処理機関にとっての第２の大きな問題は、下水処理施設において、有益処理バクテリアの全滅により処理手段を失うことである。バクテリアを用いて廃水中の有機物質を自然分解することは、処理プロセスのよく知られる重要な要素である。入ってくる廃棄物が有益バクテリアにとって有毒であると、警告が出ずに個体激減が起こる可能性があり、汚水が、気づかれないまま不完全処理または未処理の状態で流出したり、流出以外のかたちで排出されたりする可能性がある。有毒物質が下水収集システムを通って処理施設に移動中であることを早期警告する手段があれば、運営者は、入ってくる流れを、有毒物質のスラグが消散するまで、一時待機用池にそらすという選択肢を持つことが可能であり、そのような手段は、下水処理産業にとって有用かつ重要であろう。さらに、有毒物質の出所を特定することができれば、その出所をふさいだり、必要に応じて罰金を科したりすることが可能であろう。
【０００６】
[0006]さらに、マンホールへの廃棄物の不法投棄も、よく知られている問題である。原因は、トラックで運ばれた下水の投棄、ポンプによる腐敗下水の排水、または単純な損壊行為を含め、有害廃棄物の処分にかかわる膨大なコストに直面した民間事業者の不法行為である可能性がある。薬物研究施設の違法廃棄物の秘密投棄も、新たな問題の発生源である。腐敗廃棄物を含む有害廃棄物を積んだトラックは、適法の投棄施設で高い料金を支払うのではなく、遠くのマンホールに違法に立ち入り、大量の廃棄物を投棄する可能性がある。こうした行為が発見され、告発される確率は低い。そのような、下水システムへの野放しの投棄は、下水処理産業にとって大きな問題である。なぜなら、下水システムの運営者らが、最終的には、自分のシステムに投棄されたものの責任を負うことになるからであり、また、運営者らは、不法投棄を見つけたり防いだりすることがほとんど、あるいはまったくできないからである。
【０００７】
[0007]マンホールへの違法立ち入りに対し、一部の下水処理機関は、配下のマンホールを溶接せざるをえなかった。これは、違法立ち入りに対しては効果的な抑止になったが、同時に、運営上の問題をもたらした。たとえば、保守点検の遅れや延期が生じたり、緊急時にマンホール蓋から中に立ち入るのに著しく手間取ったりしたのである。
【０００８】
[0008]現時点では、マンホール内の水位および流量を監視する方法が存在し、それらは、たとえば、Ｈａｃｈ（Ｌｏｖｅｌａｎｄ，ＣＯ）社のＳｉｇｍａ  １０００システムおよびＭａｒｓｈ−ＭｃＢｉｒｎｅｙ社のＦｌｏ−Ｄａｒシステムという製品である。これらの方法には、以下に挙げる問題のうちの１つまたは複数がある。（ａ）設置のためにマンホールに入る必要があり、マンホールに入ることには、高いコストと、さらに高い安全上のリスクが伴う。（ｂ）システムが有線通信を必要とするため、マンホールの周囲に溝を掘らなければならない。（ｃ）システムが１２０ボルトＡＣ電源を連続的に必要とするため、マンホールの周囲に溝を掘らなければならない。（ｄ）設置全体のコストが高いため、これらのシステムの配備は、せいぜい少数の選択されたマンホールに限られる。小規模な自治体が保有するマンホールの数は５０００〜１００００であろうし、大規模な自治体が保有するマンホールの数は１０００００を超えるであろう。適用範囲を広くとるためには、マンホール当たりの総コストをリーズナブルにしなければならない。
【０００９】
[0009]下水処理システムの運営者らが直面する問題およびコストの多くを回避する早期警告システムを提供するために、低コストでロバストなシステムおよび方法が必要とされているのは明らかである。そのようなシステムは、広く配備できるように安価でなければならず、広い範囲での通信が可能であり、運営者が障害に対応して、障害が悪化して地域社会や環境に影響を及ぼす事態を防ぐことができるだけの十分な時間を、運営者に与えるように、十分高速である。このシステムはさらに、侵入警報、閉空間の監視、たとえば、ガスの監視、水質の監視、交通の監視、および環境または汚染の監視などを含む様々な用途に用いられる、様々なセンサのプラットフォームになることが可能である。また、市街地の広い適用範囲に分布することにより、マンホール監視に加えて、複数の用途を有することが可能である。
【発明の概要】
【００１０】
[0010]本発明は、内蔵の電源、電子回路、通信機能、計算機能、およびセンサを組み合わせた、低コストかつ低電力の装置を、マンホール蓋のようなエンクロージャ防壁に直接組み込むか、その防壁に取り付けて、エンクロージャ内またはエンクロージャ防壁周辺の障害を感知し、迅速に早期警告するシステムおよび方法を提供する。具体的には、本発明は、本装置から本システムのリモートユーザへの通信を可能にする通信装置と、信頼性の高い一定電力を本装置に供給する電源と、センサ入力を監視し、通信および装置動作を制御することが可能なマイクロコントローラと、通信装置、マイクロコントローラ、およびセンサに適切な電力および電流を供給する手段を提供する電子回路と、エンクロージャの内部または近傍におけるパラメータを監視するセンサと、を含む。本発明はさらに、コストおよび労働力が少なくてすむ設置および保守のプロセスを可能にする。本発明は、電力および通信手段を提供するための、コストおよび時間がかかる、現場の溝掘りを必要とせずに、小さな市販標準品の電池パックで何か月も連続動作することを可能にする、非常に低い消費電力と、および、ワイヤが不要な無線通信と、のための手段を提供する。
【００１１】
[0011]本発明のシステムおよび方法は、さらに、（ａ）外部電源を必要としない（ただし、外部電源が利用可能であれば使用することも可能である）何か月にもわたる自律的動作と、（ｂ）エンクロージャ防壁の動作が妨げられず、設置のためにエンクロージャに実際に入ることが不要であるような、マンホール蓋などのエンクロージャ防壁への組み込みおよび取り付けの容易さと、（ｃ）遠隔地から様々なリアルタイム受信機、たとえば、電子メール用コンピュータ、携帯情報端末、電話、携帯電話、ページャなどへの迅速かつ高信頼性の通信と、（ｄ）センサのしきい値が超えられたとき、またはスイッチが作動したときに、ただちに警報を生成することと、（ｅ）回避されるべき活動（下水流出や違法立ち入りなど）を防ぐための通信および対応が間に合うような、十分な時間を提供できる程度の十分に短い時間間隔でエンクロージャの内部および周辺の様々な状態を監視することと、を提供する。
【００１２】
[0012]好ましい実施形態では、本発明は、下水処理システム運営者らに対し、流出を定期的に監視して検出し、あふれを予想し、マンホールへの違法立ち入りを検出し、下水システムの他の環境パラメータおよびプロセスパラメータ（流量、水位、ガス含有率、下水含有率など）を監視するための新しい方法を提供する。さらに、本発明は、流出への対応を促して環境被害（川、湖、海などの受水域への潜在的汚染を含む）を減らすために、流出を迅速に検出する。さらに、本発明は、自分のシステムで起こる流出に対して厳しい責任を負う下水処理システム運営者のコストを大幅に減らすことが可能である。本システムは、マンホール蓋に直接組み込まれるため、マンホールシャフト自体の中での設置はなく、マンホールに入る必要がなく、設置のリスクおよびコストがさらに減る。
【００１３】
[0013]別の実施形態では、本発明は、エンクロージャを取り巻く環境のモニタとして用いられることが可能である。たとえば、マンホール蓋の裏面に取り付けられることによって、本発明は、通りの交通量、市街地の空気品質、または他の環境パラメータのモニタリングに用いられることが可能である。本発明は、マンホールの下方、マンホールの上方、またはその両方の範囲に向けられるセンサ群のセンサプラットフォームとして、さらに広く用いられることも可能である。
【００１４】
[0014]本明細書、特許請求項、および添付図面を参照することにより、先述の内容、ならびに、本発明の他の特徴および利点が、より明らかになるであろう。
【００１５】
[0015]本発明は、以下の、本発明の例示的実施形態の詳細説明を、添付図面と併せて参照することにより、よりよく理解されるであろう。添付図面においては、類似の参照符号は、類似の要素を示している。
【詳細な説明】
【００１６】
[0023]本発明は、内蔵の電源、電子回路、通信機能、計算機能、およびセンサを組み合わせた、低コストかつ低電力の装置を、マンホール蓋のようなエンクロージャ防壁に直接組み込むか、その防壁に取り付けて、エンクロージャ内またはエンクロージャ防壁周辺の障害を感知し、迅速に早期警告するシステムおよび方法を提供する。センサとしては、水位センサ、流量センサ、圧力センサ、レンジセンサ、耐水ファブリックで保護された超音波レンジ検出器、ガスセンサ、においセンサ、温度センサ、光学的モニタ（ビデオカメラ、スチルカメラ、赤外線センサなど）などがあるが、これらに限定されない。さらに、センサは、マンホール蓋から物理的に切り離されて、マンホールの壁または床に取り付けられることが可能である。たとえば、ハウジングと連絡する赤外線手段または超音波手段を有するフロートスイッチを、マンホールの下部にリモートに配置することが可能である。フロートスイッチの場合、流体の水位が上昇することによってフロートスイッチが閉じるまで、電力が消費されず、したがって、電源（電池など）が温存される。別のタイプのセンサは、マンホール蓋と物理的に切り離されて、有線または無線手段によって、エンクロージャ内またはマンホール内でハウジングと通信することが可能である。
【００１７】
[0024]本発明は、本装置から本システムのローカルまたはリモートユーザへの通信を可能にする通信装置と、信頼性の高い一定電力を本装置に供給する電源と、センサ入力を監視し、通信および装置動作を制御することが可能なマイクロコントローラと、通信装置、マイクロコントローラ、およびセンサに適切な電力および電流を供給する手段を提供する電子回路と、エンクロージャの内部または近傍を監視するセンサとを含む。本発明はさらに、コストおよび労働力が少なくてすむ設置および保守のプロセスを可能にする。本発明は、電力および通信手段を提供するための、コストおよび時間がかかる、現場の溝掘りを必要とせずに、小さな市販標準品の電池パックで何か月も連続動作することを可能にする、非常に低い消費電力のための手段と、ワイヤが不要な無線通信のための手段とを提供する。太陽電池、または、ポータブル装置からの直接電気的接続または容量性接続または誘導性接続によって再充電される充電式電池も電力を供給することが可能である。
【００１８】
[0025]マイクロコントローラは、システムの動作の状態を定義するコマンドセットによってプログラムされる。そのような定義された状態としては、初期テストモード、現場設置モード、通常動作モード、レポート頻度を変更する、サンプリング頻度を変更する、現在の状態モードを返す、履歴データモードを返す、履歴データモードをリセットする、ロケーション文字列を変更する、警報宛先アドレス文字列を変更する、通信チャネルをリセットする、警報を有効または無効にする、システムユーザにメッセージを送る、などがあるが、これらに限定されない。これらのコマンドの元は、システムユーザによって与えられた手動コマンド、またはアプリケーションサーバコンピュータで実行される自動スクリプトである。
【００１９】
[0026]特に断らない限り、以下の用語は、以下の意味を有する。
【００２０】
[0027]「マンホール」という用語は、最も広い意味では、地下のボールト、たとえば、マンホールや公益事業用ボールト、ならびに、他の任意の（地下または地上の）、監視されることが可能な計器装備または物質または態様を内部または周辺に有する、閉鎖された区域を包含する。しかし、この用語は、これらに限定されない。
【００２１】
[0028]「マンホール蓋」という用語は、最も広い意味では、地下のボールト、たとえば、マンホールや公益事業用ボールトの蓋、ならびに、他の任意の（地下または地上の）、監視されることが可能な計器装備または物質または態様を内部または周辺に有する閉鎖された区域のドアや壁などのエンクロージャ防壁を包含する。しかし、この用語は、これらに限定されない。
【００２２】
[0029]「ハードウェアエンクロージャ」という用語は、最も広い意味では、電子回路、電源、入出力接続、通信装置、マイクロコントローラ、センサ、および（ボックスを堅牢にし、耐候性および耐水性を持たせる）任意の環境材料のうちの一部またはすべてを保持するボックスおよびボックスの内容物を包含する。しかし、この用語は、これらに限定されない。
【００２３】
[0030]「アプリケーションサーバコンピュータ」という用語は、最も広い意味では、設置済み現場装置からのメッセージを受信し、このメッセージを電子メールアドレス、ページャ、携帯情報端末、携帯電話、および担当者への他の通知手段に転送することが可能なコンピュータおよび通信システムを包含する。しかし、この用語は、これらに限定されない。サーバは、システムユーザからのコマンドを、設置済み現場装置に向けて送り出すことも可能である。サーバはさらに、警報確認応答、統計的記録保持、顧客管理、レポート生成、保守記録の管理と警報、およびセキュリティ管理の機能を有する。アプリケーションサーバコンピュータは、マシン対マシンの簡素なメッセージを、システムユーザが理解できる形式に変換することも可能である。
【００２４】
[0031]「システムユーザ」という用語は、最も広い意味では、本システムを使用して、関心領域における種々の環境パラメータおよびプロセスパラメータを感知および監視している人々、たとえば、下水処理事業の管理者または運転者を包含する。しかし、この用語は、これらに限定されない。
【００２５】
[0032]「警報」という用語は、最も広い意味では、システムユーザのシステムにおける懸念される状態をシステムユーザに通知するために、システムユーザに送られるメッセージを包含する。しかし、この用語は、これらに限定されない。
【００２６】
[0033]「設置済み現場装置」という用語は、最も広い意味では、装置が企図された様式で動作するために必要なアンテナおよびすべてのセンサを含み、マンホール蓋などのエンクロージャ防壁に設置されたハードウェアエンクロージャを包含する。しかし、この用語は、これらに限定されない。
【００２７】
[0034]本発明の中心的なコンポーネントは、計装マンホール蓋である。計装マンホール蓋は、電源、通信機能、電子回路、マイクロコントローラ、およびセンサを、マンホール蓋への取り付けが容易な、小型で低電力で低コストのパッケージに統合する。また、計装マンホール蓋は、マンホール蓋の下方または内部、あるいは、マンホール蓋の上方または外部で動作可能なセンサのユニバーサルプラットフォームを提供する。この計装マンホールの目的は、マンホールの周囲の環境の監視された態様に関するクリティカルな情報または時間依存の情報を伝達することである。本明細書で説明される好ましい実施形態は、下水の監視を含む。しかし、本発明は、重要な資産が収容された閉鎖区域や、エンクロージャの外部環境の監視に使用されることが可能な閉鎖区域に関する、任意の監視用途に更に適用されることも可能である。しかし、本発明の適用範囲は、これらに限定されない。一般に、監視対象区域は、電力および有線通信を提供するのが困難であると考えられる。
【００２８】
[0035]以下、本発明について、図面を参照しながら説明する。図１は、本システムの好ましい実施形態のコンポーネント群の概略図である。図１を参照すると、本装置の主要ハードウェアコンポーネントは、単一のハウジング１０に組み込まれ、ハウジング１０は、マンホール蓋、エンクロージャカバー、ドア、窓、壁などのような装置の裏面に貼られる。ハウジング１０は、大容量電池１１、デジタルマイクロコントローラ１２、および二方向無線電波モジュール１３などのコンポーネントを含む。大容量電池１１（この電力は、標準的なＡＣライン電力または他の電源から供給されることも可能である）は、少なくとも数か月にわたって電力を供給するのに十分な容量を有し、低電圧電力変換器１４を通して、デジタルマイクロコントローラ１２および二方向無線電波モジュール１３に電力を供給する。デジタルマイクロコントローラ１２は、デジタル接続１５を通して、二方向無線電波モジュール１３と通信する。ハードウェアパッケージ１０の外部センサ用通信ポートは、温度、圧力、化学、または他の変動パラメータなどの、アナログ出力を与えるセンサ２１については、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器１６を通して設けられ、デジタル信号またはスイッチ信号を与える、レンジセンサおよび位置センサ２２、または侵入警報２３については、デジタルマイクロコントローラ１２に対して直接設けられる。デジタルマイクロコントローラ１２には、バルブまたはアクチュエータ２４のような出力装置を制御する出力ポートが存在する。二方向無線デジタル電波モジュール１３は、電波３０によって（ただし、この通信は固定電話回線によってなされることも可能である）、全世界または国内無線電波ネットワークで、または既存のローカル電波ネットワーク４０で通信を行う。そして、この無線ネットワーク４０は、ネットワークプロバイダによって設けられた中央サーバ５０と有線または無線で通信し、外部アンテナから送信されたパラメータを受信する（外部アンテナは、マンホール蓋の金属表面の近傍で動作するように設計および調整されている）。中央サーバ５０は、インターネット接続６０を通してアプリケーションサーバコンピュータ７０と通信する。アプリケーションサーバコンピュータ７０は、システムの操作のためのデータベース８１と、ユーザのインターフェース９０を含む、システムのすべてのアプリケーションロジック８２とを維持する。ユーザのインターフェースは、ページャ、携帯電話、電子メール用パーソナルデスクトップコンピュータ、無線接続を用いるラップトップコンピュータ、固定電話、ならびに、聴覚および視覚の警報を含む、様々な端末または方法を含むことが可能である。しかし、ユーザのインターフェースは、これらに限定されない。さらに、マンホール蓋が逆になった場合に、または地面を貫いて中央サーバと直接通信するために、マンホール蓋の裏面に追加アンテナを設置することが可能である。
【００２９】
[0036]代替実施形態では、複数のマンホールからのデータまたは情報をまとめることが可能である。この情報は、共用の長距離通信システムによるアプリケーションサーバコンピュータへの送信のために、警報をローカルに連係させるローカル電波、有線、赤外線、または音響の通信によってまとめられることが可能である。アプリケーションサーバコンピュータはさらに、警報をシステムユーザに転送することが可能であり、そのアラーム状態をデータベースで確定することが可能である。システムユーザは、その警報の確認応答をすることが可能である。このように確認応答されたことは、設置済み現場装置またはハウジングに通知され、アプリケーションサーバコンピュータのデータベースに記録される。次に、警報に対するシステムユーザの応答性を決定するために、データベースが照会されることが可能である。さらに、設置済み現場装置は、季節、アプリケーションサーバコンピュータからの手動コマンド、または一定期間の間に測定された物理的状況の観察結果の関数としてサンプルの時間間隔を変化させることにより、電池電力を節約することが可能である。
【００３０】
[0037]以下では、本発明の好ましい実施形態を、下水道のマンホール蓋に適用されるものとして説明する。この実施形態では、本発明を限定するものではなく、あくまで本発明の応用および用途の説明的な例である。
【００３１】
[0038]本発明の、この好ましい実施形態は、２つの主要センサ、すなわち、マンホール蓋の、定位置からの動きを検出することが可能な傾斜および加速（加速度計）センサと、下水マンホール内の水位を検出する超音波レンジング装置と、を含む。さらに、マンホール蓋が動いたり、開いたりしていないかどうかを検出するために、光学的手段、接触スイッチ、および磁気スイッチを利用することが可能である。電源、通信機能、電子回路、マイクロコントローラ、およびセンサのすべてが、小さなボックス、すなわち、「ハウジング」にまとめられる。ハウジングは、マンホール蓋を開く際の妨げにならないように、かつ、設置のためにマンホールに入らなくてもよいように、マンホールの下部に直接取り付けられる。システムの主要コンポーネントを、図２に示す。典型的なマンホール蓋１００は、鋼鉄製または鋳鉄製であり、マンホール蓋１００が「交通規格」であれば、すなわち、自動車の荷重を支えることが可能であるとすれば、マンホール蓋１００は、非常に重く、堅牢であり、蓋の下部に支持羽根１２０を含む。ハウジング１１０は、マンホール蓋にねじ留めされる取り付け金具でマンホールの下部に取り付けられるか、マンホール蓋にねじで直接取り付けられるか、交通規格のエポキシでマンホール蓋に貼り付けられる。ハウジング１１０は、マンホールリブ１２０またはマンホールリブの延長部分によって衝撃から保護されるのに十分な小ささである。ハウジングの唯一の外部との接続は、アンテナ１３０であり、アンテナ１３０は、マンホール蓋にあけられた小さな穴を通して接続される。アンテナケーブル１４０は、ハウジング１１０を外部アンテナ１３０に接続し、外部アンテナ１３０は、パラメータを通信装置（携帯電話、ページャ、携帯情報端末、またはパーソナルコンピュータ）に送信する。
【００３２】
[0039]図３は、ハウジング２００の各コンポーネントの好ましい概略レイアウトの上面図である。ハードウェアのすべてのコンポーネントが、たとえば、Ｈｏｆｆｍａｎ，Ａｎｏｋａ，ＭＮによって製造されるＮＥＭＡ−４、またはそれ以上の規格のエンクロージャ２１０にパッケージされ、エンクロージャ２１０は、堅牢であって、耐水性を有し、環境に対して密封されている。図３では、電池の体積に対する電池の容量（アンペア時（Ａ−Ｈ））を最大化するために、大容量電池２２０が選択されている。本発明の好ましい実施形態に使用可能な、典型的な電池は、一次リチウム電池である。たとえば、約１０  Ａ−Ｈの６Ｖ供給は、市販標準品の電池、たとえば、Ｄｕｒａｃｅｌｌ（商標）  ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＤｕｒａｃｅｌｌ（商標）  Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｍｏｄｅｌ  ２４５を使用して、３Ｖの単３リチウム電池の４つの直列ペアを並列接続して構築できる。ハウジング２００の標準的な電流引き込みの合計の目標が約２ミリアンペア（ｍＡ）であれば、約１０  Ａ−Ｈの容量の電池パックで、６ケ月以上の連続動作に十分な電力を供給することが可能である。代替の一次電池タイプは、標準的なアルカリ電池である。低コストで小さいパッケージサイズの用途のための電源として一次電池２２０が選択されているが、本発明は、このタイプの電源に限定されない。外部ＡＣまたはＤＣ電力が容易に利用可能であれば、それらで代用することが可能であり、また、ニッケル水素電池などの充電式電池を、日中に電池を充電するための適合物（太陽電池など）からの低電流細流充電と組み合わせて使用することも可能である。
【００３３】
[0040]図３の大容量電池２２０は、低電圧電力変換器２６０を通して、ハードウェアパッケージ内の２つのソース（デジタルマイクロプロセッサ２４０および二方向デジタル無線モジュール２５０）に電力を供給する。典型的には、電池２２０は６Ｖであり、マイクロプロセッサ２４０および二方向無線モジュール２５０は、より低い電圧で動作する。動作電圧は最小化され、可能な場合には、電力消費を最小化するために、ハードウェアは「スリープ」モードに入る。好ましい実施形態では、マイクロプロセッサ２４０は、Ｂａｓｉｃ  Ｓｔａｍｐ  ２ｐｅ〔Ｐａｒａｌｌａｘ（商標）  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ〕であり、二方向デジタル無線モジュール２５０は、Ｋａｒｌｉ  ＲｅＦｌｅｘページングユニット〔Ａｄｖａｎｔｒａ（商標）  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ〕である。同軸コネクタケーブル２７０がＫａｒｌｉユニット２５０に接続され、このコネクタは、マンホール蓋に取り付けられた外部アンテナにつながる。Ｋａｒｌｉユニット２５０は、周囲温度ならびにページャの入力電圧を測定して、センシング能力を高めることが可能である。このセンシング能力は、マイクロプロセッサによってレポートおよび保存されることが可能である。
【００３４】
[0041]低電圧電力変換器２６０、Ｋａｒｌｉ二方向ページャ２５０、およびマイクロプロセッサ２４０はすべて、１つのプリント回路（ＰＣ）基板２３０にマウントされる。このＰＣボードには、傾斜および加速センサ２８０もマウントされる。傾斜および加速センサ２８０は、スイッチとして動作し、通常状態では開き、センサが傾斜または加速したときに閉じる。傾斜および加速センサ２８０の状態は、典型的には毎秒１回チェックされるが、この頻度は、可変であり、用途によって異なる。傾斜および加速センサ２８０の状態が閉じているとして検出されると、ページャ２５０から無線ネットワークに信号が送信され、この閉じた状態の日時がマイクロプロセッサ２４０に保存される。
【００３５】
[0042]図４は、ハウジング３００の側面図を示し、これは、上面図を示した図３と類似している。電池３１０は、ハウジングに電力を供給する。電力は、電子回路基板３２０上のマイクロプロセッサ３３０および二方向ページャ３４０と、超音波レンジセンサ３５０とに供給される。低コストの超音波レンジセンサの一例が、ＰＩＮＧ超音波センサ（Ｐａｒａｌｌａｘ（商標）  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）であり、これは、マンホールの深さのほとんどをカバーする、約１１フィートの最大距離までの距離情報を提供する。超音波センサ３５０の前に防水または耐水性のカバー３６０が配置され、カバー３６０は、センサ３５０の性能に悪影響を及ぼさない。超音波センサ３５０は、ほぼ、１０分に１回の間隔でオンになり、超音波３７０で距離測定を行う。距離測定結果が通常と異なることが判明した場合は、ページャ３４０から無線ネットワークに信号が送信される。
【００３６】
[0043]図５は、本発明の好ましい実施形態において、マンホール蓋４００の上に取り付けられたアンテナを示す。マンホール蓋に小さな穴があけられ、ハウジング内のページャに直接接続された同軸ケーブル４１０がマンホール蓋の下から取り出され、ロープロファイルのストリップアンテナ４２０に接続される。ストリップアンテナ４２０は、典型的には１〜５ｍｍの厚さの誘電体スペーサ４３０によって、マンホール蓋の上面からオフセットされている。スペーサ、ストリップアンテナ、および接続は一緒に、路面に反射板を取り付ける際に使用されるタイプの交通規格エポキシ４４０ですっぽり包まれる。
【００３７】
[0044]本発明の好ましい実施形態では、Ｍｏｔｏｒｏｌａ（商標）  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって開発された、ＲｅＦＬＥＸとして知られる、市販の二方向ページングネットワークから電波信号が送信される。ＲｅＦＬＥＸネットワークは、９００〜１０００ＭＨｚの信号を使用する、安全で安定した二方向通信方法を提供する。ＲｅＦｌｅｘネットワークは、地理的に分散した送受信機を含む。これらの送受信機は、設置済み現場装置と電波で通信し、有線接続でインターネットと通信する。これにより、インターネット接続された任意のシステム（アプリケーションサーバコンピュータなど）から設置済み現場装置への安全な通信が可能になる。ＲｅＦＬＥＸネットワークプロトコルは、Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｐａｇｉｎｇ  Ｃａｒｒｉｅｒｓからライセンスされる。ＲｅＦＬＥＸ通信は、地理的に広く分散し（概して携帯電話のカバレージより広い）、月ごとのコストが低いという利点を有する。ＲｅＦＬＥＸネットワークは、設置済み現場装置とアプリケーションサーバコンピュータの両方をサポートするために、先進的なソフトウェアを必要とする。ＲｅＦＬＥＸシステムは、特定の状態情報（セキュリティ警報や、高すぎる水位など）を識別する、簡素なデジタルメッセージを通過させるように設計されている。この情報は、１〜２バイトほどの少ない情報として伝達および符号化されることが可能である。メッセージは、一意識別される設置済み装置番号でマーキングされ、それ以上の識別情報は不要である。アプリケーションサーバは、１〜２バイトの簡素なメッセージを、システムユーザに送るための、より情報の多いメッセージにフォーマットし直すことが可能である。１６進数の「Ｃ５」は「セキュリティエントリ警報」に変換されることが可能であり、一意の設置済み現場装置の番号「３４５１２３」は、「メインストリートの５４００ブロック」に変換されることが可能である。この結合されたメッセージは、電子メールまたはＳｈｏｒｔ  Ｍｅｓｓａｇｉｎｇ  Ｓｅｒｖｉｃｅ（ＳＭＳ）によって、携帯電話にテキストメッセージとして送られたり、ページャに送られたり、システムユーザが監視している、コンピュータベースのＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ａｎｄ  Ｄａｔａ  Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ（ＳＣＡＤＡ）システムに送られたりする。目的は、ＲｅＦＬＥＸネットワークを使用して、連続的な、地理に依存しない方法で、担当者に迅速に通知することである。
【００３８】
[0045]本発明の１つの可能な構成および適用に過ぎない、本発明の好ましい実施形態では、例として、以下の様式のいずれかで通信が行われるが、これらに限定されない。第１に、デフォルトとして、所与のマンホール蓋にある各設置済みハードウェアパッケージが、毎日２回、状態メッセージをアプリケーションサーバコンピュータに送る。このメッセージの目的は、各設置済みハードウェアパッケージおよびこれをサポートする無線通信システムが正常に動作していることを、システムユーザに保証することである。図１を参照すると、期待されたメッセージが設置済みハウジング１０から時間どおりに送られない場合は、現場との通信、または現場の計器のいずれかに潜在的な問題があることを示す保守警報が、アプリケーションサーバコンピュータ７０からシステムユーザに送られる。このメッセージの第２の目的は、現場の温度履歴、現場の無線信号レベル履歴、ならびに、電池電圧レベルまたは入力電圧レベルを含む定格動作パラメータを送ることであるがこれらに限定されない。第２に、システムユーザは、設置済みハードウェアパッケージに対し、設置済みハードウェアパッケージが正常に動作していることをシステムユーザに返答するように基本的に求めるメッセージを、送ることが可能である。第３に、システムユーザは、マイクロプロセッサメモリに保存されているデータ（温度履歴、電池電位、無線信号レベル、警報のタイプおよびタイミング、およびセンサの現在の状態を含むがこれらに限定されない）を設置済みハードウェアパッケージが送り返すことを求めることが可能である。第４に、システムユーザは、動作パラメータ（警報のしきい値、レポートの頻度、センサに応答させる頻度、マンホールの定格深さ、保守メッセージおよび保守警報用のアドレス、および設置済み現場装置のアドレスを含むがこれらに限定されない）を変更するメッセージを設置現場に送ることが可能である。第５に、設置済み現場装置は、自己生成した保守メッセージまたは警報メッセージを、あらかじめ設定された条件に基づいて、無線ネットワークに送ることが可能である。保守メッセージおよび保守警報の送られ方の例を、以下で説明する。
【００３９】
[0046]例として、本発明の好ましい実施形態では、２つのセンサが使用される。１つは、マンホール蓋が定位置から傾いたり動いたりしたときに警報を発するように設定された傾斜／加速センサであり、もう１つは、マンホール内の水の高さを測定する超音波レンジ検出器である。以下の手順は、例示的なものであり、様々な様式で実施されることが可能であって、以下の説明は、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。図６Ａは、傾斜センサの状態に基づいて警報を送るフロー図および論理を示す。傾斜センサは、スイッチとして動作するバイナリ装置である。傾斜センサは、通常の状態では、開いている。傾斜するか、加速すると、閉じる。５００で、傾斜センサの状態が読み取られる。傾斜センサが開いていると（５１０）、マイクロコントローラが１秒待機し（５３０）（ただし、マイクロプロセッサのサイクルタイムより長い、任意の時間間隔を用いることが可能）、傾斜センサを再度読み取る。この頻度は、マンホール蓋が動いた場合に傾斜センサが状態の変化を確実に捕捉するのに十分な高さである。傾斜センサが閉じていると読み取られた場合（５２０）は、そのイベントの日時がマイクロコントローラにログ記録され、たとえば、違法立ち入りの場合には法的処置を含むあらかじめ準備されたプロトコルに基づいて、警報がページングネットワークシステムに送られて、システムユーザに配信される。１分が経過すると（５３１）（ただし、この間隔はこれより長くても短くてもよい）、傾斜センサが再度読み取られ、プロセスが最初から繰り返される。図６Ｂは、超音波レンジセンサの読み取りに基づいて警報を送るフロー図を示す。超音波センサは電力を消費するため、使用時のみオンになる。これは、図６Ｂでは、５４０として示されている。超音波検出器は、オンになると、ただちに距離測定を行う（５５０）。距離測定の結果は、少なくとも次の４通りがある。「範囲内」（５５１）は、測定結果が、たとえば、マイクロプロセッサに保存されているあふれていないマンホールの底までの距離の期待値と一致することを意味する。「低い」（５５２）は、距離が期待より短いことを意味し、あふれた状態である可能性があることを示している。「高い」（５５３）または「最大距離」（５５４）は、ともに、超音波センサが正常動作していないために、保守が必要である可能性があることを示している。「範囲内」（５５１）の場合は、超音波センサがオフになり（５６０）、別の測定が１０分経過後に行われ（５７０）（ただし、この時間間隔は、マイクロプロセッサのサイクルタイムより長い任意の間隔であってよい）、プロセスが繰り返される。これは、通常の状態であり、期待される状態である。「低い」測定結果（５５２）の場合は、この「低い」測定結果を確認して、誤検出の発生率を減らすために、繰り返し測定（５８０）が行われる。測定結果が「低い」測定結果（５８２）として返された場合は、あらかじめ準備されたプロトコルに基づいて、警告がネットワークに送られ（５９０）、（たとえば、システム運転者のページャまたは携帯電話、およびシステム運転者の電子メールを含むが、これらに限定されない）システムのユーザらに配信される。繰り返し測定結果（５８０）が「範囲内」を返した場合は、前の測定結果がエラーだったと見なされ、超音波検出器はオフになり（５６０）、定格１０分の待機時間が繰り返され（５７０）、シーケンスが最初から繰り返される。この繰り返し測定プロセスは、誤検出の可能性を減らすこと、およびマンホール内の水の上昇を時間の関数として追跡することのために、任意の回数だけ行われることが可能であるが、これに限定されない。物理的には可能性が低い、定格距離が増えていることを示す「高い」測定結果（５５３）の場合、または「最大距離」の測定結果（５５４）の場合は、あらかじめ準備されたプロトコルに基づいて、保守メッセージがネットワークに送られ（５５５）、システムのユーザらに配信される。
【００４０】
[0047]先述の発明について、理解しやすいように、説明および例として、ある程度詳しく記してきたが、当業者であれば、本開示を鑑みて、意図された特許請求項の趣旨または範囲から逸脱することなく、特定の変更および修正がなされることが可能であることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態の概略ブロック図を示す。
【図２】マンホール蓋に計器およびアンテナが直接取り付けられた、典型的なマンホール蓋の概略図を示す。
【図３】ハウジング内の電池、電子回路、傾斜センサ、および通信機能のレイアウトの上面図を示す。
【図４】超音波センサを含む、ハウジング内の同じレイアウトの側面図を示す。
【図５】マンホール蓋に取り付けられたアンテナの概略図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態における傾斜センサに関するフロー図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態におけるレンジセンサに関するフロー図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【国際調査報告】
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