一种基于二维码水位尺的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，具体地说是一种基于二维码水位尺的水库水位测量装置。

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。

随着计算机技术和信息技术的高速发展，我们的生活和工业生产也向着数字化、智能化和网络化方向不断发展，图像识别技术在各个方面得到了广泛应用：例如车牌识别，条码识别，生物特征识别等。计算机视觉检测技术是图像识别技术的重要应用之一，是进行非接触式测量的重要手段，近年来得到了极大的发展。

目前研究基于图像处理的水位尺定位方法都是基于现有的水位尺进行识别。市场上水位尺按高中低档可分为电子水位尺(其中包括超声波或雷达等测量技术的水位尺，造价较高)、不锈钢组合型水位尺、高分子水位尺、招板反光水位尺、塘瓷水位尺等，形式和种类如图1所示。国内外现有的摄像式的水库水位测试仪，其硬件系统均采用图像采集卡、单片机+DSP+摄像模块等，软件采用一系列图像处理方法进行特征值的提取，经运算求得水位高度。

上述的水位检测系统都存在各种缺陷：(1)需要较高的硬件成本；(2)软件算法复杂，软件算法上需要采用基于训练样本的复杂神经网络等算法；(3)识别数字“1、2…、9”难度较大，识别“E”符号容易些，但当水位在两个“E”中间时候会产生较大的误差，因为在一定的光线情况下拍摄水位的平面线和水位尺“E”之间的白色颜色相近；(5)受环境影响大，即使带夜光的标尺，在夜间拍摄效果不理想，原因是众多反光光线交叉干扰；(6)难以产品化。正因为如此，目前基于视觉的水位监测装置还没有普遍推广。

技术实现要素：

针对上述不足，本实用新型提供了一种基于二维码水位尺的水库水位测量装置，其不仅能够有效监测水库水位情况，而且运行可靠、测量精度高。

本实用新型解决其技术问题采取的技术方案是：一种基于二维码水位尺的水库水位测量装置，包括设置在水库中的水位尺和设置在水库坝体上的水位检测装置，其特征是，所述水位尺上设置有二维码标识，设置二维码标识的水位尺一面朝向水位检测装置设置。

优选地，所述二维码标识粘贴或者印制在水位尺上。

优选地，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。

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档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，所述水位尺上从上向下依次设置有起始码标示区、特性码标示区和尺度码标示区，所述起始码标示区设置7个并列黑色方块符号，所述特性码标示区设置8个黑色或白色的方块符号，所述尺度码标示区从下向上依次设置若干水位尺度标识，每个水位尺度标识为对应水位高度数值的二维码标识。

优选地，所述每个水位尺度标识分为五行，第一行采用黑色或白色的方块符号表示水位刻度值，第二行第4列、第三行第5列、第四行第6列和第五行第6列分别采用一个黑色方块符号表示单位刻度，第三行第2列、第四行第1列、第四行第3列和第五行第2列分别采用一个黑色方块符号表示定位信息；水位尺度标识的方块符号与起始码标示区和特性码标示区的方块符号大小相同。

优选地，每个方块符号为对应图像中NXM个像素点的NXM点阵，N和M为大于等于3的正整数。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过将水位尺上的水位标识设置为容易识别的二维码形式，采用现有二维码读取软件进行视觉识别二维码，不仅对识别的角度、距离等要求也不严，而且几乎不会出现错误；采用低功耗单片机来管理整个控制系统，极大降低了功耗，采用太阳能电池供电，便于安装，水位仪密封在测量装置内，通过自动控制通孔开关机构打开遮挡板进行自动摄像；采用雨量传感器，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。本实用新型的成本低，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为本实用新型所述水位检测装置的结构示意图；

图3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4为本实用新型所述GPRS模块的电路原理图；

图5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6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7为本实用新型所述水位尺的结构示意图；

图8为本实用新型所述水位尺起始码标示区的结构示意图；

图9为本实用新型所述水位尺特性码标示区的结构示意图；

图10为本实用新型所述水位尺尺度码标示区的结构示意图；

图中，1为支架板、2为通光孔、3为轨道孔、4为滑槽、5为遮挡板、6为齿条、7为旋转轴、8为齿轮、9为步进电机、10为轴承座、11和12为限位开关、13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至图10所示，本实用新型的一种基于二维码水位尺的水库水位测量装置，它包括设置在水库中的水位尺和设置在水库坝体上的水位检测装置，所述水位尺上设置有二维码标识，设置二维码标识的水位尺一面朝向水位检测装置设置。进行水位测量前首相调节水位检测装置的角度和摄像头的焦距，使摄像头正对水位尺且图像清晰，拍摄的图像作为初始图像，将基准线位置存入存储器中。所述二维码标识粘贴或者印制在水位尺上，不仅方便水位尺的定制，而且还可以对现有水位尺进行改造。

如图2和图3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4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5和图6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1，在支架板1一端设置有与通孔相应大小的通光孔2，支架板1另一端设置有水平且与通光孔2联通的轨道孔3，在支架板1靠近壳体侧壁一侧设置有滑槽4，在滑槽4内设置有左右移动的遮挡板5，所述遮挡板5背面设置有在轨道孔左右移动的齿条6，所述齿条6与设置在旋转轴7上的齿轮8啮合，所述旋转轴7的上端与固定在支架板上的步进电机9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10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11和12；所述支架板1上还设置有拉式电磁铁13，当遮挡板遮挡通光孔和通孔时拉式电磁铁的档头下落在齿条6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7时，遮挡板将通光孔关闭，此时给拉式电磁铁断电，拉式电磁铁的档头会落下，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，使档头抬起。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。

如图7至图10所示，所述水位尺上从上向下依次设置有起始码标示区、特性码标示区和尺度码标示区，所述起始码标示区设置7个并列黑色方块符号，所述特性码标示区设置8个黑色或白色的方块符号，所述尺度码标示区从下向上依次设置若干水位尺度标识，每个水位尺度标识为对应水位高度数值的二维码标识。

所述每个水位尺度标识分为五行，第一行采用黑色或白色的方块符号表示水位刻度值，第二行第4列、第三行第5列、第四行第6列和第五行第6列分别采用一个黑色方块符号表示单位刻度，第三行第2列、第四行第1列、第四行第3列和第五行第2列分别采用一个黑色方块符号表示定位信息；水位尺度标识的方块符号与起始码标示区和特性码标示区的方块符号大小相同。每个方块符号为对应图像中NXM个像素点的NXM点阵，N和M为大于等于3的正整数。

在本实用新型中，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识别出的真实读数。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。

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。