电子水尺及具有其的水位监测及预警系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提出了一种电子水尺及具有其的水位监测及预警系统，该电子水尺包括传感器模块、能源采集板、处理器、通信模块和外壳，其中处理器为微控制器MCU，传感器模块、能源采集板、处理器和通信模块均位于外壳内。该水位监测及预警系统包括：多个子电子水尺、主电子水尺、显示模块、服务器和多个预警终端，其中，电子水尺分别安装于不同的监测高度位置处；主电子水尺与每个子电子水尺、显示模块、服务器相连，每个预警终端与服务器相连。本实用新型具有尺寸小、功耗低的特点。
【专利说明】
电子水尺及具有其的水位监测及预警系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及水位监测技术领域，特别涉及一种电子水尺及具有其的水位监测及预警系统。
【背景技术】
[0002]现有的涉及山洪行业内主流水位传感器类型和技术手段种类繁多，主要可以采用接触式传感器。其中，接触式传感器包括气泡式、压力式、浮子式水位计、磁致伸缩水位计、等。但是现有的水位监测使用的传感器尺寸较大，不符合电子水尺国家标准要求，并且极易发生淤堵，导致水位监测精度降低甚至无法实现水位监测。此外，现有技术缺乏集监测、汇总、分析和报警于一体的系统化水位监测汇总分析设备，无法及时实现水位监测预警。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
[0004]为此，本实用新型的目的在于提出一种电子水尺及具有其的水位监测及预警系统，具有尺寸小、功耗低的特点。
[0005]为了实现上述目的，本实用新型一方面的实施例提供一种电子水尺，包括:用于采集当前水位信号的传感器模块，所述传感器模块包括多个传感器单元，每个所述传感器单元包括传感器触点和与触点固定位，所述传感器触点与所述触点固定位一体形成；用于提供电能的能源采集板;用于根据所述当前水位信号获取当前水位数据及获取电能数据的处理器，所述处理器与所述传感器模块的触点固定位和所述能源采集板相连；用于传输所述当前水位数据的通信模块，所述通信模块与所述处理器相连;外壳，所述传感器模块、所述能源采集板、所述处理器和所述通信模块均位于所述外壳内。
[0006]进一步，所述传感器模块为接触式传感器或非接触式传感器。
[0007]进一步，所述接触式传感器为干簧管式传感器、浮球式传感器或电容式传感器;所述非接触式传感器为激光测距传感器。
[0008]进一步，所述能源采集板、所述处理器和所述通信模块均集成于所述PCB板内，其中，所述传感器模块为电容式传感器，所述电容式传感器采用所述PCB板上的铜片或外露触点固定位。
[0009]进一步，所述通信模块采用有线通信方式和/或无线通信方式。
[0010]进一步，所述通信模块为GPRS通信模块或433MHz通信模块。
[0011 ] 进一步，所述处理器为微控制器M⑶。
[0012]本实用新型还提出一种水位监测及预警系统，包括:多个子电子水尺，所述多个子电子水尺分别安装于不同的监测高度位置处，每个所述子电子水尺为上述实施例所述的电子水尺;主电子水尺，所述主电子水尺与每个所述子电子水尺相连以获取每个所述子电子水尺采集的水位数据，所述主电子水尺为上述实施例所述的电子水尺；用于显示各个子电子水尺和主电子水尺的水位数据的显示模块，所述显示模块与所述主电子水尺相连；用于获取多个所述水位数据并进行分析以生成预警信息的服务器，所述服务器与所述主电子水尺相连;多个预警终端，每个所述预警终端与所述服务器相连以发出所述预警信息。
[0013]进一步，所述显示模块为LED显示屏。
[0014]进一步，所述预警终端为个人计算机PC或移动终端。
[0015]根据本实用新型实施例的电子水尺及具有其的水位监测及预警系统，采用电容式传感器检测水位，电容式传感器具有较好的防淤堵效果，并且电容式传感器的尺寸较小，便于集成在PCB电路板上，生产成本也较低。能源采集板集成能量采集微功耗管理解决方案，提供nA级超低功耗技术。本实用新型可以实现将各级子电子水尺采集水位的聚集汇总，统一发送至主电子水尺，由主电子水尺发送至服务器进行分析存储，在发生异常时向用户的预警终端进行报警提示。本实用新型适用于不同介质的液体的液位测量(水、油等)，根据标准振荡周期计算介电常数，自动校准触发因素。
[0016]本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
【附图说明】
[0017]本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0018]图1为根据本实用新型实施例的电子水尺的结构图；
[0019]图2(a)至图2(c)为接触式传感器的示意图；
[0020]图3为根据本实用新型实施例的非接触式传感器的示意图；
[0021 ]图4为根据本实用新型实施例的能源采集板的电路图；
[0022]图5为根据本实用新型实施例的电子水尺在山洪防治沿河堤、水坝的安装示意图；
[0023]图6为根据本实用新型实施例的电子水尺在城市内涝防治在道路低洼处依附墙体桥梁的安装示意图；
[0024]图7为根据本实用新型实施例的处理器的内置比较器的构建张驰振荡结构以实现触摸按键的结构图；
[0025]图8为根据本实用新型实施例的处理器I/O口电容式传感器工作模式框图；
[0026]图9为根据本实用新型实施例的电子水尺的剖视图；
[0027]图10为根据本实用新型实施例的电子水尺的主视图；
[0028]图11(a)和图11(b)为根据本实用新型实施例的电子水尺的左视图和右视图；
[0029]图12为根据本实用新型实施例的电子水尺的立体图；
[0030]图13为根据本实用新型实施例的PCB的铜片构成电容传感器的原理图；
[0031 ]图14为根据本实用新型实施例的PCB板的示意图；
[0032]图15为根据本实用新型实施例的PCB板式电子水尺的结构图；
[0033]图16为根据本实用新型实施例的水位监测及预警系统的结构图；
[0034]图17为根据本实用新型实施例的电子水尺的主控制流程图；
[0035]图18为根据本实用新型实施例的数据发送流程图。
【具体实施方式】
[0036]下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
[0037]如图1所示，本实用新型实施例的电子水尺，包括:传感器模块1、能源采集板2、处理器3、通信模块4和外壳5。
[0038]在本实用新型的一个实施例中，传感器模块I可以为接触式传感器或非接触式传感器。其中，接触式传感器为干簧管式传感器、浮球式传感器或电容式传感器，非接触式传感器包括激光测距传感器。
[0039]图2(a)至图2(c)分别示出了干簧管式、浮球式和电容式传感器的示意图。
[0040]干簧管式传感器主要由干簧管开关量实现，采用无源方式驱动，可以最大程度降低功耗。
[0041]浮球式传感器由磁性浮球、测量导管、信号单元、电子单元、接线盒及安装件组成。磁性浮球可漂于液面之上并沿测量导管上下移动，导管内装有测量元件，它可以在外磁作用下将被测液位信号转换成正比于液位变化的电阻信号，并转换成标准信号输出。
[0042]电容式传感器具有较好的防淤堵效果，并且电容式传感器的尺寸较小，便于集成在PCB电路板上。
[0043]图3为根据本实用新型实施例的非接触式传感器的示意图。A表示传感器，B表示反射漂。
[0044]非接触式传感器为激光测距传感器。激光测距传感器一般用于测量物距，由于液体会产生折射故不能直接用与测量液位。采用激光测距传感器测量水位需要增加反射漂。激光测距传感器可以作为RS232或RS485标准工业接口，测量距离范围0.6_10m满足电子水尺需求。
[0045]能源采集板2用于提供电能，采用能量采集供电方案。具体地，能源采集板2可通过采集外部环境中的震动、热量、光能等进行发电，适用于无线传感器供电。
[0046]优选的，能源采集板2通过采集环境光照发电，与传统太阳能充电相比，该方案在弱光、微光环境下依然能够充电，适用于雾霾、阴雨天气或没有阳光直射的环境。
[0047]能源采集板2集成能量采集微功耗管理解决方案，非常适合具有特殊需求的超低功耗应用。具体地，该能源采集板2可对光伏(太阳能)发电机或热电发电机等各类直流源中生成的微瓦(yW)到毫瓦(mW)级功率进行采集和管理，在同类器件中率先实现了针对具有严格电源和运行要求的产品和系统(例如，无线传感器网络(WSN))的高效升压转换器/充电器。即，能源采集板2可以实现为仅需微瓦功率即可开始工作的DC-DC升压转换器/充电器。
[0048]图4为根据本实用新型实施例的能源采集板的电路图。
[0049]升压转换器/充电器启动之后，可以高效地从热电发电机(TEG)或一块/两块太阳能面板等低压输出采集器中获得能量。升压转换器可通过低至330mV的输入电压VIN启动。启动之后，能源采集板2可依靠低至80mV的输入电压VIN继续采集能量。
[0050]能源采集板2进一步实现了一个可编程的最大功率点跟踪采样网络，以优化对器件的功率传输。VIN_DC开路电压采样通过外部电阻进行编程，并由外部电容(CREF)保持。[0051 ] 例如，对于最大功率点为80 %开路电压的太阳能电池，可将电阻分压器设置为VIN_DC电压的80%，此时该网络会将VIN_DC控制在采样的基准电压附近。此外，也可以通过处理器提供外部基准电压，以产生一个更为复杂的最大功率点跟踪MPPT算法。
[0052]为了进一步帮助用户严格控制能耗预算，当储能电池或电容中的电压降至预设临界值以下时，能源采集板2会切换电池正常状态标志，并将其发送给与之相连的处理器3。该警告信号应触发负载电流下降，从而防止系统进入欠压状态。0V、UV和电池正常阈值均单独进行编程。
[0053]处理器3与传感器模块2的触点固定位和能源采集板2相连，用于接收传感器模块I的当前水位信号，并将当前水位信号转换为当前水位数据，以及接收来自能源采集板2的电能数据。
[0054]在本实用新型的一个实施例中，处理器3可以为微控制器MCU，例如型号为MSP430的微控制器。
[0055]处理器3采用铁电存储器FRAM，与传统存储器技术有关的优点外，FRAM具有系统级安全优势。由于取消了电荷栗，消除了容易受到物理攻击的一个关键软肋。FRAM还能够抵御电场/磁场及辐射的影响。由于FRAM状态不以电荷形式存储，阿尔法粒子不太可能使位改变，并且FRAM软错误率(SER)低于可检测到的极限。除了这种抗外部干扰能力，FRAM还具有防分裂能力，即写入/擦除周期中的功率损失不会造成数据损坏。最后，FRAM可以使用加密对数据进行保护。FRAM的高写入速度和高寿命使开发人员能够更频繁地生成密钥，从而更好地保护数据传输。
[0056]由于电容触摸方案多为专用集成电路，而基于MSP430的张驰振荡触摸按键技术采用的是纯软件的按键检测技术。可以针对不同的应用、不同的噪声环境，集成不同的滤波算法。因此，MPS430触摸按键方案拥有良好的抗干扰性能。
[0057]如图7所示，利用处理器3的内置比较器构建张驰振荡结构，实现触摸按键。处理器3的内置比较器和外部的冲放电电阻Re以及感应电容Csensor—起构成了一个张驰振荡器结构。而感应电容Csensor就是这个振荡器的调协元件，Csensor的任何变化都相应的改变张驰振荡器的谐振频率。利用处理器3内置的定时器A来采样振荡频率，从而可以检测到Csensor的变化。
[0058]在本实用新型中，处理器3通过检测电容传感器的感应电容的变化，实现对当前水位信号的采集，并将当前水位信号转换为当前水位数据。
[0059]如图8所示，新型的MSP430FR系列单片机I/O口集成了施密特触发器功能，可以直接通过内部施密特触发器构建张驰振荡结构，无需增加外部Re。
[0060]通信模块4与处理器3和主电子水尺相连，用于向主电子水尺传输当前水位数据。
[0061]在本实用新型的一个实施例中，通信模块4采用有线通信方式和/或无线通信方式。优选的，通信模块4可以为GPRS通信模块或433MHz通信模块。
[0062]需要说明的是，对于多个电子水尺，各级水尺及主尺之间采用Sub_lGHz通信，主尺和各级水尺之间具备位置识协议。主尺通过GPRS以及GSM链路向公网发布水位信息。图5为根据本实用新型实施例的电子水尺在山洪防治沿河堤、水坝的安装示意图。图6为根据本实用新型实施例的电子水尺在城市内涝防治在道路低洼处依附墙体桥梁的安装示意图。
[0063]如图9所示，传感器模块I包括多个传感器单元，每个传感器单元包括传感器触点11和触点固定位12。传感器触点11与触点固定位12—体形成。传感器模块I用于采集当前水位信号。
[0064]传感器模块1、能源采集板2、处理器3和通信模块4均位于外壳5内。其中，外壳5的一侧开口，传感器触点从开口处伸出。外壳5的另一侧喷涂有水尺标识E。优选的，外壳5采用ABS塑料外壳。
[0065]如图10所示，电子水尺采用多级拼装方式，单节水尺长度为500mm宽度60mm厚度20mm。传感器外接形态为3mm螺丝。电子水尺一侧喷涂蓝白相间的水尺标志“E”。图11 (a)和图11(b)为根据本实用新型实施例的电子水尺的左视图和右视图。图12为根据本实用新型实施例的电子水尺的立体图。
[0066]在本实用新型的一个实施例中，能源采集板2、处理器3和通信模块4均集成于PCB板内。其中，PCB板的尺寸可以为195mmX 50mm。
[0067]此时，传感器模块I采用电容式传感器，该电容式传感器可以采用PCB板上的铜片或外露触点固定位。图13为根据本实用新型实施例的PCB的铜片构成电容传感器的原理图。
[0068]采用PCB板上的铜片作为电极，由于铜片与大地之间以空气为介质，此时铜片与大地之间的寄生电容为一个常量。当水位漫过PCB板，介质变为液体时，该寄生电容也发生相应变化。根据变化量和变化大小判断液体与水尺的接触面积，从而判断液位高度，实现水位高度的采集。
[0069]S卩，此时无需采用外部器件，直接采用双面PCB板的铜片作为电容传感器，采集水位信号。图14为根据本实用新型实施例的PCB板的示意图。PCB传感器规格:铜片尺寸:12mmX 15mm,板材:FR-4，铜厚:1z，板厚:2mm。铜片的数量可以为50个。
[0070]图15为根据本实用新型实施例的PCB板式电子水尺的结构图。
[0071]具体地，将PCB板的铜片与液体之间的寄生电容的变化量和变化大小发送至处理器3(MCU)，由处理器3判断液体与水尺的接触面积，从而判断液位高度，实现水位高度的采集。然后，处理器3将水位数据发送至通信模块4，由通信模块4向外发送。
[0072]如图16所示，本实用新型实施例还提出一种水位监测及预警系统，包括:多个上述实施例提供的子电子水尺10、主电子水尺20、显示模块30、服务器40和多个预警终端50。
[0073]具体地，多个子电子水尺10分别安装于不同的监测高度位置处，主电子水尺20与每个电子水尺10相连，获取每个电子水尺10采集的水位数据。
[0074]在本实用新型的一个实施例中，子电子水尺10和主电子水尺20均可以为上述实施例提供的电子水尺。
[0075]显示模块30与主电子水尺20相连，用于接收来自主电子水尺20的水位数据，并向用户显示各个子电子水尺10和主电子水尺20的水位数据。其中，显示模块30可以为LED显示屏。
[0076]服务器40与主电子水尺20相连，用于获取多个水位数据并进行分析，在判断发生异常时，生成预警信息。
[0077]每个预警终端50与服务器40相连，以发出预警信息。在本实用新型的一个实施例中，预警终端50可以为个人计算机PC或移动终端。其中，在个人计算机PC上安装有预警软件，在移动终端上安装于预警APP。用户可以通过预警终端50实时查看水位数据和预警信息，及时采取预防措施。
[0078]图17为根据本实用新型实施例的电子水尺的主控制流程图。
[0079]步骤S1701，采集传感器参考值。
[0080]步骤S1702，待机。
[0081]步骤S1703，判断定时是否达到I分钟，如果是，则执行步骤S1704，否则返回步骤S1702o
[0082]其中，定时时间可以由用户根据需要自行设置。
[0083]步骤S1704，采集水位值。
[0084]由传感器模块I采集当前水位信号，并发送给处理器3。由处理器3根据当前水位信号获取对应的水位数据，即水位值。
[0085]步骤S1705，判断采集的水位值是否发生变化，如果没有则返回步骤S1702，否则执行步骤SI 706。
[0086]处理器3判断水位值与上次相比是否发生变化，如果没有则表示该高度位置处的水位无变化，如果变化则通知通信模块4发送给变化后的水位值。
[0087]步骤S1706，发送当前水位值。
[0088]图18为根据本实用新型实施例的数据发送流程图。
[0089]步骤S1801，判断是否存在待发送数据，如果是则执行步骤S1802;
[0090]步骤S1802，侦听。
[0091]步骤S1803，判断信道使用情况，如果信道空闲则执行步骤S1804。
[0092]步骤S1804，发送数据。
[0093]各级子电子水尺10的通信模块4向主电子水尺20的通信模块发生水位数据。
[0094]根据本实用新型实施例的电子水尺及具有其的水位监测及预警系统，采用电容式传感器检测水位，电容式传感器具有较好的防淤堵效果，并且电容式传感器的尺寸较小，便于集成在PCB电路板上，生产成本也较低。能源采集板集成能量采集微功耗管理解决方案，提供nA级超低功耗技术。本实用新型可以实现将各级子电子水尺采集水位的聚集汇总，统一发送至主电子水尺，由主电子水尺发送至服务器进行分析存储，在发生异常时向用户的预警终端进行报警提示。本实用新型适用于不同介质的液体的液位测量(水、油等)，根据标准振荡周期计算介电常数，自动校准触发因素。
[0095]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0096]尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本实用新型的范围由所附权利要求极其等同限定。
【主权项】
1.一种电子水尺，其特征在于，包括: 用于采集当前水位信号的传感器模块，所述传感器模块包括多个传感器单元，每个所述传感器单元包括传感器触点和与触点固定位，所述传感器触点与所述触点固定位一体形成； 用于提供电能的能源采集板； 用于根据所述当前水位信号获取当前水位数据及获取电能数据的处理器，所述处理器与所述传感器模块的触点固定位和所述能源采集板相连； 用于传输所述当前水位数据的通信模块，所述通信模块与所述处理器相连； 外壳，所述传感器模块、所述能源采集板、所述处理器和所述通信模块均位于所述外壳内。2.如权利要求1所述的电子水尺，其特征在于，所述传感器模块为接触式传感器或非接触式传感器。3.如权利要求2所述的电子水尺，其特征在于，所述接触式传感器为干簧管式传感器、浮球式传感器或电容式传感器;所述非接触式传感器为激光测距传感器。4.如权利要求1所述的电子水尺，其特征在于，所述能源采集板、所述处理器和所述通信模块均集成于所述PCB板内，其中，所述传感器模块为电容式传感器，所述电容式传感器采用所述PCB板上的铜片或外露触点固定位。5.如权利要求1所述的电子水尺，其特征在于，所述通信模块采用有线通信方式和/或无线通信方式。6.如权利要求1、4或5所述的电子水尺，其特征在于，所述通信模块为GPRS通信模块或433MHz通信模块。7.如权利要求1所述的电子水尺，其特征在于，所述处理器为微控制器MCU。8.一种水位监测及预警系统，其特征在于，包括: 多个子电子水尺，所述多个子电子水尺分别安装于不同的监测高度位置处，每个所述子电子水尺为权利要求1-7任一项所述的电子水尺； 主电子水尺，所述主电子水尺与每个所述子电子水尺相连以获取每个所述子电子水尺采集的水位数据，所述主电子水尺为权利要求1-7任一项所述的电子水尺； 用于显示各个子电子水尺和主电子水尺的水位数据的显示模块，所述显示模块与所述主电子水尺相连； 用于获取多个所述水位数据并进行分析以生成预警信息的服务器，所述服务器与所述主电子水尺相连； 多个预警终端，每个所述预警终端与所述服务器相连以发出所述预警信息。9.如权利要求8所述的水位监测及预警系统，其特征在于，所述显示模块为LED显示屏。10.如权利要求8所述的水位监测及预警系统，其特征在于，所述预警终端为个人计算机PC或移动终端。
【文档编号】G01F23/26GK205426286SQ201520999844
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年12月4日
【发明人】严建华
【申请人】北京国信华源科技有限公司