一种水文监测系统及设备的制作方法

1.本技术涉及水文工程技术领域，特别是涉及一种水文监测系统及设备。


背景技术：

2.在进行水利、近湖泊、近河流等工程的建设以及救灾防灾方面等，对水文监测工作意义重大，其发挥的巨大作用也是毋庸置疑的。水文监测是进行洪水预报、防汛指挥、水利工程安全调度、水资源管理和保护的重要手段。我国河流众多，分布地域广，管理部门在实施水文监测时常遇到的问题有：人工监测成本高、监测地点偏远、交通不便、汛期安全隐患大、需要经常性的现场采集数据、现场无法供电、甚至有些地区没有通信网覆盖。
3.

技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种水文监测系统及设备，以至少解决上述相关技术中的不足。
5.第一方面，本技术实施例提供了一种水文监测系统，包括控制模块、信号处理模块、通信模块以及电源模块：所述控制模块用于对各模块所传递的信号进行采样、控制以及对数据的计算和分析；所述信号处理模块用于扩展信号通道、测量各传感器所传递的信号以及对各所述传感器所传递的信号进行处理；所述通信模块用于实现各模块以及各模块与网络之间的通信；所述电源模块用于提供输入电源及对各模块的功耗控制。
6.在其中一些实施例中，所述控制模块包括微控制器，所述微控制器用于对各模块所述传递的信号进行采样与控制以及对数据的计算与分析，所述微控制器能够监控多个通信接口，当有数据交互需求时，将数据存储器内的数据按照预设的协议格式推到对应的通信接口。
7.在其中一些实施例中，所述信号处理模块包括多路复用器、信号继电器、电压测量电路以及电流测量电路，所述多路复用器用于扩展模拟信号通道，所述信号继电器用于切换电压信号和电流信号至所述电压测量电路和所述电流测量电路实现电压和电流信号输出传感器的测量。
8.在其中一些实施例中，所述信号处理模块还包括开关量输入电路、开关量输出电路以及格雷码信号输入电路，所述开关量输入电路用于判断外部电气信号的通断状态，所述开关量输出电路用于驱动外部负载的供电，所述格雷码信号输入电路用于监控外部格雷码信号输出的水位计的输出信号。
9.在其中一些实施例中，所述通信模块包括sdi-12串行总线驱动电路，所述sdi-12串行总线驱动电路用于测量基于sdi-12总线的传感器。
10.在其中一些实施例中，所述通信模块还包括poe以太网接口、无线局域网通信单元以及无线广域网通信单元，所述poe以太网接口用于实现网络摄像头的接入，所述无线局域网通信单元用于实现近端数据的无线交互，所述无线广域网通信单元用于实现远端数据的无线交互。
11.在其中一些实施例中，所述通信模块还包括rs485通信接口以及rs232通信接口，所述rs485通信接口用于驱动基于rs485接口的传感器，所述rs232通信接口用于驱动基于rs232接口的传感器，当监测点位没有网络覆盖时，可以通过所述rs232通信接口连接北斗设备，利用北斗系统传输报文。
12.在其中一些实施例中，所述电源模块包括低功耗电源管理单元，所述低功耗电源管理单元用于实现各模块低功耗运行。
13.在其中一些实施例中，所述控制模块还包括rtc实时时钟以及存储单元，所述rtc实时时钟用于对数据进行标记时间戳以及记录实时时间，所述存储单元用于存储微控制器采集到的各类同构或异构数据作为安全备份。
14.第二方面，本技术实施例提供了一种水文监测设备，所述水文监测设备包括微控制器、多路复用器、信号继电器、电压测量电路、电流测量电路、开关量输入电路、开关量输出电路、格雷码信号输入电路、sdi-12串行总线驱动电路、poe以太网接口、无线局域网通信模块、无线广域网通信模块、rs485通信接口、rs232通信接口、低功耗电源管理模块、rtc实时时钟以及存储模块；其中，所述微控制器控制所述多路复用器扩展模拟信号通道，所述微控制器通过所述信号继电器切换电压信号和电流信号至所述电压测量电路及所述电流测量电路实现电压和电流信号输出传感器的测量；所述微控制器通过监测所述开关量输入电路的信号，判断外部电气信号的通断状态；所述微控制器通过所述开关量输出电路驱动外部负载的供电；所述微控制器通过所述格雷码信号输入电路监控外部格雷码信号输出的水位计的输出信号；所述微控制器通过所述sdi-12串行总线驱动电路测量基于sdi-12总线的传感器；所述微控制器通过所述poe以太网接口、所述无线局域网通信模块、所述无线广域网通信模块、所述rs485通信接口、所述rs232通信接口进行近端或远端的数据访问；所述微控制器通过所述低功耗电源管理模块实现各模块低功耗运行；所述微控制器通过所述rtc实时时钟实现对数据进行标记时间戳以及记录实时时间；所述微控制器通过所述存储模块存储所述水文监测设备采集到的各类同构或异构数据作为安全备份。
15.相比于相关技术，本技术实施例提供的水文监测系统及设备，通过采用多参量测量的电路接口设计，基本支持水文行业能够用到的所有类型监测传感器，兼容性强，对应不同的监测场景需求，能满足监测接入要求，同时通过内部的微控制器支持远程升级，能够根据数据处理要求，升级相应的智能数据处理算法，再利用自身强大的近端、远端数据接入能力，使得本发明可以适应各类水文监测场景，解决了目前水文行业人工监测成本高，尤其是针对偏远地区无法供电，没有网络覆盖的监测点，能够很好的适应。
16.本技术的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本技术的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
17.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：图1为本发明第一实施例中的水文监测系统的结构框图；图2为本发明第一实施例中的控制模块的结构框图；图3为本发明第一实施例中的信号处理模块的结构框图；图4为本发明第一实施例中的通信模块的结构框图；图5为本发明第一实施例中的电源模块的结构框图；图6为本发明实施例中的电压测量电路的电路结构示意图；图7为本发明实施例中的开关量输入电路的电路结构示意图；图8为本发明实施例中的开关量输出电路的电路结构示意图；图9为本发明实施例中的sdi-12串行总线驱动电路的电路结构示意图；图10为本发明第二实施例中的水文监测设备的结构框图。
18.主要元件符号说明：多路复用器1低功耗电源管理模块14信号继电器2存储模块15电压测量电路3rtc实时时钟16电流测量电路4微控制器17开关量输入电路5存储单元18开关量输出电路6无线局域网通信单元19格雷码信号输入电路7无线广域网通信单元20sdi-12串行总线驱动电路8低功耗电源管理单元21poe以太网接口9控制模块100无线局域网通信模块10信号处理模块200无线广域网通信模块11通信模块300rs485通信接口12电源模块400rs232通信接口13
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如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
19.具体实施方式
20.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。基于本技术提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
21.显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本技术应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本技术公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本技术揭
露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本技术公开的内容不充分。
22.在本技术中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本技术所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
23.除非另作定义，本技术所涉及的技术术语或者科学术语应当为本技术所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本技术所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本技术所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块（单元）的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本技术所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本技术所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本技术所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
24.首先，需要说明的是：水文监测是指通过科学方法对自然界水的时空分布、变化规律进行监控、测量、分析以及预警等的一个复杂而全面的系统工程，水文监测系统适用于水文部门对江、河、湖泊、水库、渠道和地下水等水文参数进行实时监测，监测内容包括：水位、流量、流速、降雨（雪）、蒸发、泥沙、冰凌、墒情、水质等。水文监测系统采用无线通讯方式实时传送监测数据，可以大大提高水文部门的工作效率。
25.实施例一请参阅图1至图9，所示为本发明第一实施例中的水文监测系统，包括控制模块100、信号处理模块200、通信模块300以及电源模块400：所述控制模块100用于对各模块所传递的信号进行采样、控制以及对数据的计算和分析；所述信号处理模块200用于扩展信号通道、测量各传感器所传递的信号以及对各所述传感器所传递的信号进行处理；所述通信模块300用于实现各模块以及各模块与网络之间的通信；所述电源模块400用于提供输入电源及对各模块的功耗控制。
26.进一步的，所述控制模块100包括微控制器17，所述微控制器17用于对各模块所述传递的信号进行采样与控制以及对数据的计算与分析，所述微控制器17能够监控多个通信接口，当有数据交互需求时，将数据存储器内的数据按照预设的协议格式推到对应的通信接口。
27.可以理解的，微控制器17采用具备休眠功能的32位微控制器，在具备一定的计算
能力条件下，能够保证系统功耗最低运行。微控制器17用于对各类信号的采样与控制，以及对数据的计算与分析，通过一些智能数据算法，实现rtu具备一定的近端服务能力，即边缘计算能力，减轻云端的计算压力。常用的数据处理算法，如数据有效性判断，微控制器17可以根据历史数据变化趋势，以及设定的一些边界条件，判断当前数据的有效性，如果当前数据异常，微控制器17可以自主选择重新进行一次测量，或者直接丢弃当前数据，同时将异常上报平台备份。
28.微控制器17还同时监控多个通信接口，当有数据交互需求时，将数据存储器内的数据按照规定的协议格式推到对应的通信接口。
29.具体的，所述信号处理模块200包括多路复用器1、信号继电器2、电压测量电路3以及电流测量电路4，所述多路复用器1用于扩展模拟信号通道，所述信号继电器2用于切换电压信号和电流信号至所述电压测量电路3和所述电流测量电路4实现电压和电流信号输出传感器的测量。
30.可以理解的，多路复用器1及信号继电器2主要负责扩展信号通道，采用一个信号链实现多个通道的信号采集，由于静态类物理量对数据的同步性没有要求，所以采用多路复用器1进行信号切换扩展是最经济的方式。
31.在本技术中，模拟信号测量采用8个通道，故选择8:1的多路复用器，实现8通道模拟量信号的扩展，需要根据信号的类型，来匹配多路复用器1的供电方式，并且本技术采用单电源系统设计，支持最大0~10v的电压信号输入。信号继电器2连接在多路复用器1的后级，用于切换电压测量电路3或电流测量电路4。多路复用器1和信号继电器2的选通信号来自于微控制器17。
32.请参阅图6，所示为本发明实施例中的电压测量电路3的电路结构示意图，其中，电压信号测量电路用于测量外部电压信号输出的传感器，具备信号调理和运算功能，可以将外部宽范围输入的双极性信号，根据电路传递函数，转换成后级电路能够处理的信号范围。电压信号测量电路采用同相比例放大电路，将外部0~10v电压信号变换到0~2.5v范围，使得该信号范围能够匹配微控制器17内置模数转换器的输入范围；电流信号测量电路用于测量外部电流信号输出的传感器，该电路将电流信号取样并按照电路的传递函数，转换成下一级电路能够适配的信号范围。电流信号测量电路采用取样电阻配合同相比例放大电路的电路结构，实现对外部4~20ma电流信号的测量，通过计算选择同相比例放大电路的参数，使得传递函数满足信号变换的要求，实际将4~20ma电流信号转换为0~2.5v。
33.在本技术中，所述信号处理模块200还包括开关量输入电路5、开关量输出电路6以及格雷码信号输入电路7，所述开关量输入电路5用于判断外部电气信号的通断状态，所述开关量输出电路6用于驱动外部负载的供电，所述格雷码信号输入电路7用于监控外部格雷码信号输出的水位计的输出信号。
34.请参阅图7，所示为本发明实施例中的开关量输入电路5的电路结构示意图，可以理解的，开关量输入电路5能够监测外部电气信号的通断，并将该通断信号转换成微控制器17io电平，开关量输入一般采用光耦芯片实现电气隔离和电平变换。开关量输入电路5支持干接点信号输入，内部采用光耦器件进行耦合，经过光耦隔离和电平变换后的信号，作为微控制器17的中断信号输入源。
35.请参阅图8，所示为本发明实施例中的开关量输出电路6的电路结构示意图，可以理解的，开关量输出电路6能够用于控制外部负载信号或电源的通断，一般采用信号继电器2或功率继电器实现对外部电路的控制。开关量输出电路6支持外部无源和有源接入，采用信号或功率继电器实现对输出逻辑的控制。
36.格雷码信号输入电路7能够用于测量格雷码数字信号输出的型的传感器，如格雷码水位计等，格雷码信号的测量同样采用光耦进行电气隔离和电平变换。格雷码信号输入电路7用于测量格雷码信号输出传感器，一般在水文行业中水位计用的多，输出二进制格雷码数字信号，但由于其输出电平与微控制器17接口电平不匹配，同时需要考虑安全性，所以本rtu采用光耦隔离芯片，同时实现隔离与电平转换，设计支持最大16位格雷码信号接入。考虑到微控制器17的io口资源浪费，在格雷码信号经过光耦芯片后，在通过iic接口的io扩展器，将格雷码并行信号，转换成串行输出。
37.进一步的，所述通信模块300包括sdi-12串行总线驱动电路8、poe以太网接口9、无线局域网通信单元19以及无线广域网通信单元20，所述sdi-12串行总线驱动电路8用于测量基于sdi-12总线的传感器；所述poe以太网接口9用于实现网络摄像头的接入，所述无线局域网通信单元19用于实现近端数据的无线交互，所述无线广域网通信单元20用于实现远端数据的无线交互。
38.请参阅图9，所示为本发明实施例中的sdi-12串行总线驱动电路8的电路结构示意图，可以理解的，sdi-12串行总线驱动电路8用于测量基于sdi-12中线的传感器，sdi-12串行总线接口是在1200波特率下的串行数据通信标准接口，规定了环境参数监测中直流供电的rtu与数字接口的传感器之间的通信格式，其可靠性高、成本低适合恶劣环境中的应用，其中sdi-12串行总线接口按照sdi-12的规范要求，本技术在sdi-12数字接口及电源接口上增加自恢复保险丝，同时进行阻抗匹配，由于sdi-12是双向单总线，同时考虑到可靠性，需要对总线进行电气隔离，故采用一款iic转串口的接口转换芯片。
39.应当理解的是，poe以太网接口9是具备poe供电功能的以太网接口，仅通过一根网线即可驱动常规poe摄像机，进行图像或视频数据的读取，方便现场设备与摄像机的集成，同时poe以太网接口9主要用于外部互联网连接或者集成poe网口摄像头，满足ieee 802.3af（poe级）标准要求。
40.无线局域网通信单元19主要用于对rtu设备的近端访问和数据交互，如通过蓝牙或wifi，使用手机app实现对rtu进行工作模式配置、工作状态读取、数据下载等功能。该部分采用集成蓝牙和wifi的模块方案，微控制器17通过串行接口与其通信，用于实现系统的近端连接，一般在现场部署完成后，用户可以使用手机对系统的工作参数进行配置。
41.无线广域网通信单元20使用4g或5g（nb-iot）等通信模块，通过移动通信网对系统的远程访问和控制，实现数据上云。该部分主要负责与移动通信网建立连接，将数据上报至云服务器，系统支持4g通信模块、nb-iot模块、lorawan模块的接入，对于有移动通信网覆盖的场景，可采用4g或nb-iot模块，对于相对监测站点密度较大的区域，可采用lorawan模块进行区域组网后，在通过网关连接到互联网。
42.进一步的，所述通信模块300还包括rs485通信接口12以及rs232通信接口13，所述rs485通信接口12用于驱动基于rs485接口的传感器，主要负责测量rs485接口的数字式智能传感器，本rs485接口同时具备对外供电能力，方便系统集成。
43.所述rs232通信接口13用于驱动基于rs232接口的传感器，当监测点位没有网络覆盖时，可以通过所述rs232通信接口13连接北斗设备，利用北斗系统传输报文。本技术中的rs232通信接口13预留有调试口，用于系统的调测，同时可以作为北斗模块的通信接口，该接口提供大电流的供电能力，当监测站点部署在没有网络覆盖的区域时，可采用系统加北斗通信模块的方式进行数据传输。
44.具体的，所述电源模块400包括低功耗电源管理单元21，所述低功耗电源管理单元21用于实现各模块低功耗运行。
45.可以理解的，低功耗电源管理单元21具备负载总电流、输入电源电压监测。内部各电路模块的功耗控制，实现设备低功耗运行，使得系统具备使用更经济的光伏系统供电。
46.电源模块400的电源输入接口采用二级浪涌保护设计，同时定时监控系统电流及外部电源电压，电源模块400内部的电源分配，除了微控制器17需要持续供电外，其他负载通过采用电子开关的方式，实现系统功耗控制，同时电源模块400内部的线性稳压器、dc-dc采用低静态电流型号，保证系统整体的耗电性能。
47.在本技术中，所述控制模块100还包括rtc实时时钟16以及存储单元18，所述rtc实时时钟16用于对数据进行标记时间戳以及记录实时时间，所述存储单元18用于存储微控制器17采集到的各类同构或异构数据作为安全备份。
48.可以理解的，rtc实时时钟16用于对数据进行标记时间戳以及记录实时时间，时间同步信号来自与移动通信网络或固定以太网，rtc实时时钟16提供本地时间戳，标记在系统所采集到的每个数据包上，而在本技术中存储单元18选用固态sd卡或具有相同存储功能的存储硬件或软件，固态sd卡用于本地备份和存储系统所采集到的数据，固态sd卡相比于机械式sd卡，可靠性高，不会受到振动所引起的存储卡松动，适合野外应用。
49.实施例二请参阅图10，所示为本发明第二实施例中的水文监测设备，包括微控制器17、多路复用器1、信号继电器2、电压测量电路3、电流测量电路4、开关量输入电路5、开关量输出电路6、格雷码信号输入电路7、sdi-12串行总线驱动电路8、poe以太网接口9、无线局域网通信模块10、无线广域网通信模块11、rs485通信接口12、rs232通信接口13、低功耗电源管理模块14、rtc实时时钟16以及存储模块15；其中，所述微控制器17控制所述多路复用器1扩展模拟信号通道，所述微控制器17通过所述信号继电器2切换电压信号和电流信号至所述电压测量电路3及所述电流测量电路4实现电压和电流信号输出传感器的测量；所述微控制器17通过监测所述开关量输入电路5的信号，判断外部电气信号的通断状态；所述微控制器17通过所述开关量输出电路6驱动外部负载的供电；所述微控制器17通过所述格雷码信号输入电路7监控外部格雷码信号输出的水位计的输出信号；所述微控制器17通过所述sdi-12串行总线驱动电路8测量基于sdi-12总线的传感器；所述微控制器17通过所述poe以太网接口9、所述无线局域网通信模块10、所述无线广域网通信模块11、所述rs485通信接口12、所述rs232通信接口13进行近端或远端的数据访问；所述微控制器17通过所述低功耗电源管理模块14实现各模块低功耗运行；所述微控制器17通过所述rtc实时时钟16实现对数据进行标记时间戳以及记录实时时间；所述微控制器17通过所述存储模块15存储所述水文监测设备采集到的各类同构或异构数据作为安全备份。
50.上述各模块被执行时所实现的功能或操作步骤与上述系统实施例大体相同，在此不再赘述。
51.本发明实施例所提供的水文监测设备，其实现原理及产生的技术效果和前述系统实施例相同，为简要描述，设备实施例部分未提及之处，可参考前述系统实施例中相应内容。
52.综上，本发明上述实施例当中的水文监测系统及设备，通过采用多参量测量的电路接口设计，基本支持水文行业能够用到的所有类型监测传感器，兼容性强，对应不同的监测场景需求，能满足监测接入要求，同时通过内部的微控制器支持远程升级，能够根据数据处理要求，升级相应的智能数据处理算法，再利用自身强大的近端、远端数据接入能力，使得本发明可以适应各类水文监测场景，解决了目前水文行业人工监测成本高，尤其是针对偏远地区无法供电，没有网络覆盖的监测点，能够很好的适应。
53.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
54.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。