一种水库水位测量装置的制作方法

本实用新型涉及一种水位监测装置，具体地说是一种水库水位测量装置。

背景技术：

水库水位测量是水文水利部门的重点。当发生恶劣的天气情况时，如果没有及时进行精确而有效的水位监测，水位超出达警戒线，会造成严重的水涝灾害。

在水利行业应用中，水位检测目前主要使用浮子式、压力传感式、超声波式、雷达和激光等应用的水位计。这些水位计因构造原理不同，在实际应用前需要考虑适用范围、建设成本以及施工难度等制约和影响。视频水位计提供了一种新的水位检测手段，它不但可以检测水位，而且依赖网络同时上传的视频/ 图像还能证明该技术检测结果的正确性。此外，该技术产品应用和维护的成本也非常低。因此，该技术具有良好的应用前景和市场需求。在实际中，该技术应用的关键是必须解决好光照和天气等自然条件对其检测结果的不利影响。

技术实现要素：

针对上述不足，本实用新型提供了一种水库水位测量装置，能够提高水库水位测量的可靠性和检测精度。

本实用新型解决其技术问题采取的技术方案是：一种水库水位测量装置，包括水位尺和水位检测装置，其特征是，所述水位尺包括带刻度的标尺，标尺设置在底座上，在标尺上设置有沿标尺随水位升降而上下移动的浮标，所述浮标朝向水位检测装置的一侧面上设置有反光条，所述标尺的上端设置有球状防脱帽；所述水位检测装置包括壳体以及设置在壳体内的摄像头、补光灯、STM32F407单片机、存储器、雨量传感器、25M有源晶振、STM8L151单片机、太阳能电池板、充电控制电路、锂电池、开关控制电路、稳压电路和GPRS模块，所述STM32F407单片机分别与摄像头、补光灯、存储器、25M有源晶振、STM8L151单片机和稳压电路连接，所述充电控制电路分别与太阳能电池板和锂电池电连接，所述锂电池分别与STM8L151单片机和开关控制电路连接，所述开关控制电路的控制端与STM8L151单片机连接，所述稳压电路分别与STM32F407单片机和摄像头连接，所述GPRS模块与STM8L151单片机连接；在壳体朝向水位尺的侧面上设置有通孔，所述摄像头正对通孔设置，在壳体通孔处的内侧壁上设置有通孔开关机构，用以遮挡通孔。

优选地，所述通孔开关机构包括固定在壳体内侧壁上的支架板，在支架板一端设置有与通孔相应大小的通光孔，支架板另一端设置有水平的轨道孔，轨道孔与通光孔联通，在支架板靠近壳体侧壁一侧设置有滑槽，在滑槽内设置有左右移动的遮挡板，所述遮挡板背面设置有在轨道孔左右移动的齿条，所述齿条与设置在旋转轴上的齿轮啮合，所述旋转轴的上端与固定在支架板上的步进电机的输出轴连接，旋转轴的下端设置在固定在支架板上的轴承座内，在支架板左右两端对应齿条移动行程的位置分别设置有一个限位开关；所述支架板上还设置有拉式电磁铁，当遮挡板遮挡通光孔和通孔时拉式电磁铁的挡头下落在齿条远离通光孔的一端；所述限位开关的输出端与STM32F407单片机连接，所述步进电机的控制端通过驱动电路与STM32F407单片机连接，所述拉式电磁铁的控制端与STM32F407单片机连接。

优选地，所述水位检测装置还包括雨量传感器，所述雨量传感器设置在壳体上方且雨量传感器的数据输出端与TM32F407单片机连接。

优选地，所述摄像头采用OV2640摄像头，所述摄像头连接有24M有源晶振，所述存储器采用AT24C02存储芯片。

优选地，所述GPRS模块包括SIM800C模块、SIM卡和MIC29302芯片，所述SIM800C模块分别与STM8L151单片机和电源模块连接，所述SIM卡设置在SIM800C模块的卡槽内，所述MIC29302芯片的控制端与STM8L151单片机连接。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的水位尺可在常规的水位尺加装上下移动的浮标，浮标正对摄像头的侧面带反光材料，常规水位尺的四面均带有刻度，此刻度仅作为人工目测使用，不作为拍摄识别符使用。水位尺的上段装饰球体防脱帽，用以装饰和限制浮标脱落，水位尺的下端用铸铁或水泥浇灌而成，放在水库中合适的位置，起牢固作用。

本实用新型通过在水位尺上加装带反光横条的浮标，浮标随水位变化而上下浮动，对浮标上的反光条进行拍摄，水位尺具有易识别和简单实用的优点，在水位尺上具有随时同水面一起起伏的浮标，而带反光横条浮标与水体具有较大的区别，极容易正确识别出水位线；摄像头对水位尺进行拍摄获取一维图像，由此图像求得所在图像区域的纵向位置，即可精度测量水位高度。水位检测装置控制核心采用低功耗单片机来管理整个系统，极大降低了功耗，采用太阳能电池供电，便于安装，水位检测装置密封在壳体内，通过控制通孔开关机构打开遮挡板进行摄像；该水位检测装置具有雨量传感器，可根据雨量情况智能监测水库水位情况，不受环境影响，昼夜均可工作。该装置软硬件成本低，功能强，测量精度高，误差小，便于产业化。

附图说明

图1（a）和图1（b）为现有技术的水位尺示意图；

图2为本实用新型的结构示意图；

图3为本实用新型所述水位尺的结构示意图；

图4（a）、图4（b）和图4（c）为本实用新型的水检测原理示意图，图4（a）为初始图像示意图，图4（b）为水库水位上升图像示意图，图4（c）为水位线下降图像示意图；

图5为本实用新型所述水位检测装置的结构示意图；

图6为本实用新型所述水位检测装置的控制核心电路原理图；

图7为本实用新型所述GPRS模块的电路原理图；

图8为本实用新型所述通孔开关机构（支架板背离壳体侧壁一侧）的结构示意图；

图9为本实用新型所述通孔开关机构（支架板靠近壳体侧壁一侧）的结构示意图；

图中，1为水位检测装置，11为带刻度的标尺，12为底座，13为浮标，14为反光条，15为球状防脱帽，2为水位尺，3为水库坝体，4为水库；501为支架板、502为通光孔、503为轨道孔、504为滑槽、505为遮挡板、506为齿条、507为旋转轴、508为齿轮、509为步进电机、510为轴承座、511和512为限位开关、513为拉式电磁铁。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式并结合其附图对本实用新型进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本实用新型省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本实用新型。

如图2和图3所示，本实用新型的一种水库水位测量装置，它包括水位尺1和水位检测装置2，所述水位尺1设置在水库4中，所述水位检测装置2设置在水库坝体3上用以采集水库水位数据；所述水位尺1包括带刻度的标尺11，标尺11设置在底座12上，在标尺11上设置有沿标尺随水位升降而上下移动的浮标13，所述浮标13朝向水位检测装置的一侧面上设置有反光条14；所述标尺11的上端设置有球状防脱帽15。带浮标的水位尺可在常规的水位尺加装上下移动的浮标，浮标正对摄像头的侧面带反光材料，常规水位尺的四面均带有刻度，此刻度仅作为人工目测使用，不作为拍摄识别符使用。水位尺的上段装饰球体防脱帽，用以装饰和限制浮标脱落，水位尺的下端用铸铁或水泥浇灌而成，放在水库中合适的位置，起牢固作用。

如图5和图6所示，所述水位检测装置包括壳体以及设置在壳体内的摄像头、补光灯、STM32F407单片机、存储器、雨量传感器、25M有源晶振、STM8L151单片机、太阳能电池板、充电控制电路、锂电池、开关控制电路、稳压电路和GPRS模块，所述STM32F407单片机分别与摄像头、补光灯、存储器、25M有源晶振、STM8L151单片机和稳压电路连接，所述充电控制电路分别与太阳能电池板和锂电池电连接，所述锂电池分别与STM8L151单片机和开关控制电路连接，所述开关控制电路的控制端与STM8L151单片机连接，所述稳压电路分别与STM32F407单片机和摄像头连接，所述GPRS模块与STM8L151单片机连接；在壳体朝向水位尺的侧面上设置有通孔，所述摄像头正对通孔设置，在壳体通孔处的内侧壁上设置有通孔开关机构，用以遮挡通孔。

所述水位检测装置还包括雨量传感器，所述雨量传感器设置在壳体上方且雨量传感器的数据输出端与TM32F407单片机连接；所述摄像头采用OV2640摄像头，所述摄像头连接有24M有源晶振，所述存储器采用AT24C02存储芯片。

如图7所示，所述GPRS模块包括SIM800C模块、SIM卡和MIC29302芯片，所述SIM800C模块分别与STM8L151单片机和电源模块连接，所述SIM卡设置在SIM800C模块的卡槽内，所述MIC29302芯片的控制端与STM8L151单片机连接。

如图8和图9所示，所述通孔开关机构包括固定在壳体内侧壁上的支架板501，在支架板1一端设置有与通孔相应大小的通光孔502，支架板501另一端设置有水平且与通光孔502联通的轨道孔503，在支架板501靠近壳体侧壁一侧设置有滑槽504，在滑槽504内设置有左右移动的遮挡板505，所述遮挡板505背面设置有在轨道孔左右移动的齿条506，所述齿条506与设置在旋转轴507上的齿轮508啮合，所述旋转轴507的上端与固定在支架板上的步进电机509的输出轴连接，旋转轴的下端设置在固定在支架板上的轴承座510内，在支架板左右两端对应齿条移动行程的位置分别设置有一个限位开关511和512；所述支架板1上还设置有拉式电磁铁513，当遮挡板遮挡通光孔和通孔时拉式电磁铁的挡头下落在齿条506远离通光孔的一端；所述限位开关的输出端与STM32F407单片机连接，所述步进电机的控制端通过驱动电路与STM32F407单片机连接，所述拉式电磁铁的控制端与STM32F407单片机连接。

通孔开关机构的工作原理如下：步进电机的输出轴与旋转轴固定在一起，旋转轴跟齿轮固定一起，齿轮与齿条咬合一起，当电机工作时，旋转轴和齿轮旋转，带动齿条移动，齿条和遮挡板固定在一起上，从而带动遮挡板移动打开或关闭通光孔和通孔。当齿条移动到指定位置时会碰触限位开关，限位开关会给STM32F407单片机一个信号，STM32F407单片机停止驱动步进电机工作。当齿条移动碰触到开进通光孔处的限位开关时，遮挡板将通光孔关闭，此时给拉式电磁铁断电，拉式电磁铁的挡头会落下，挡住齿条，使齿条不能向远通光孔方向移动，防止外力将遮挡板打开，增强安全性。下次开启时，首先给拉式电磁铁上电，使挡头抬起。通孔开关机构通过STM32F407单片机的控制，驱动步进电机自动打开和关闭通光孔和通孔。当检测水库水位时，其自动将通光孔打开，使摄像头穿过通光孔和通孔拍摄水位尺；当检测完成时，自动关闭通光孔和通孔，防止灰尘、雨水等进入壳体内，不仅减少了人工参与，节约了成本，而且做到了随时检测的目的。

在本实用新型检测系统中，STM32F407单片机通过DCMI接口和I2C接口与摄像头OV2640相连，单片机负责拍摄二维码图像并通过算法识别出真实读数。STM32F407单片机和摄像头分别提供25MHz和24MHz有源晶振，保证了系统时钟的稳定性，提高了抗干扰能力。在夜晚或在光线情况不好的时候拍摄，会对照片清晰度造成影响，因此需要通过补光灯（LED射灯）进行灯光补偿，STM32F407单片机管脚PB9控制LED的亮灭。步进电机驱动芯片L298N与STM32F407单片机相连，步进电机通过4线制方式与驱动电路相连，单片机通过控制I/O的点评输出高低以及顺序来控制步进电机的正反转，从而控制通孔开关机构动作。当步进电机运动到指定位置时，碰触限位开关，限位开关给单片机一个低电平中断信号，STM32F407单片机停止驱动步进电机。雨量传感器通过放大电路与STM32F407单片机模拟引脚PA7相连，通过AD转换，来判断当前是否是在下雨，若在下雨，则不拍照检测。防止因下雨造成检测结果的偏差。稳压电路的LDO芯片RT9193-1.8、RT9193-2.8为摄像头提供稳定的1.8V、2.8V电压，RT9193-3.3为STM32F407单片机提供3.3V电压，它们均能提供300mA以上电流，满足系统工作。摄像头在工作是的功耗在30mA左右，在摄像头不工作时，可以使用STM32F407单片机管脚PA5控制摄像头电源，使其工作在低功耗模式，在低功耗模式其工作电流是0.9mA，同时STM32F407单片机在空闲时也工作在低功耗模式，只有10μA，这样就大大降低了功耗。

本实用新型的工作过程为：STM32F407单片机首先开启PA7管脚的AD转换，并根据转换结果判断此时是否下雨，若没有下雨则开始检测。STM32F407单片机驱动步进电机，带动通孔开关机构动作，打开壳体通孔，当检测到限位开关信号时，停止步进电机动作。STM32F407单片机置低PA5管脚，使摄像头切换到正常模式，并通过I2C接口与摄像头通信，开始拍摄水位尺照片，通过DCMI接口读取拍到的照片数据；然后识别出水位尺的真实水位读数。STM32F407单片机拉高PA5管脚，使摄像头工作在低功耗模式，然后STM32F407单片机切换到低功耗模式，完成水位检测。

本实用新型进行水库水位测量的过程如下：

1）调节水位检测装置的角度和摄像头的焦距，并使摄像头正对水位尺且图像清晰，对拍摄的图像进行图像处理的特征图像作为初始图像，并根据基准线标定水库水位高度为H；

2）通过雨量传感器获取雨量数据判断当前是否是在下雨，如果不下雨进入下一步，如果下雨则直接退出；

3）通过控制通孔开关机构打开遮挡板对水位尺进行拍摄；

4）对拍摄的图像进行处理得到特征图像；

5）将实时拍摄的图像与初始图像进行对比来判断水位的升降情况。根据实时拍摄的图像与初始图像的对比获取水位变化高度△h，如果实时水位高于基准线，则水库水位的高度为H+△h，如果实时水位低于基准线，则水库水位的高度为H-△h。

如图4所示，摄像头调整合适的焦距（拍摄距离设定范围），通过对待浮标的水位尺进行拍摄，经过图像处理可以获得特征图像。图4（a）为初始图像，标定水库水位高度为H，当水位线下降后，获得图像如图4（c），通过图像基准线可求得水面下降△h，此刻水库水面高度为H-△h；同理当水库水位上升，获得图像如图4（b），此刻水库水位高度为H+△h。通过该水位尺求得水位的精度很高，测量精度基本上是图像的像素点的误差。

此外，本实用新型的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本实用新型的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本实用新型描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本实用新型可以对它们进行应用。因此，本实用新型所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。