一种液位监测系统

1.本发明涉及液位监控技术领域，尤其涉及一种液位监测系统。


背景技术：

2.通常，在大中小医院及个人诊所中，由于输液是一个漫长的过程，医护人员不可能时时刻刻陪伴在患者身边，同时由于患者一般虚弱乏力、昏昏欲睡，家属不能时时刻刻陪伴在身边，一些老年患者，在很可能会出现视力上的问题导致看不清输液瓶中剩余多少液体，输液过程中病房分散，不同科室的患者年龄差别较大，护士频繁巡查导致工作效率低、工作强度大，同时将消耗大部分体力。同时由于输液药瓶大小不一、输液流速又受多种因素支配，因此传统的输液完全依靠视觉观察才能掌握输液状态，在输液瓶内药物即将输完时，应当立刻通知医务人员或患者及时换药或拔针，避免造成输液管内进入空气，甚至造成严重后果。
3.现有技术中的输液报警装置，由于其存在一些例如设备复杂、价格昂贵、实用性差等弊端，而且无法准确监测输液瓶发生倾斜时的液位，据实地查证，大部分医院和诊所并未普遍使用此类装置，仍旧采用传统的视觉观察的方法。


技术实现要素：

4.本发明提供一种液位监测系统，以解决现有技术中的输液报警装置无法在容器发生倾斜时准确检测液位的问题。
5.未达上述目的，本发明提供了一种液位监测系统，包括液位监测装置和报警装置，液位监测装置包括液位检测组件、处理器和无线通讯组件；液位检测组件包括非接触式液位检测组件和倾角检测组件，非接触式液位检测组件包括多个设置在待监测容器外壁周侧的非接触式液位传感器，分别用于检测待监测容器内的液位数据；倾角检测组件包括水平放置在待监测容器上方的倾角传感器，倾角传感器包括加速度计和陀螺仪，分别用于检测待监测容器发生倾角的第一三轴角度数据和第二三轴角度数据；处理器分别与非接触式液位检测组件和倾角检测组件通讯连接，用于根据第一三轴角度数据和第二三轴角度数据进行姿态融合，根据融合结果获取待监测容器内液位倾斜角度，并根据液位倾斜角度修正非接触式液位检测组件所检测的液位数据；处理器还通过无线通讯组件与报警装置通讯连接，用于根据修正后的液位数据控制报警装置发出提示信息。
6.可选地，所述姿态融合包括卡尔曼滤波姿态融合，所述卡尔曼滤波姿态融合包括：（1）基于倾角和倾角角速度之间的导数关系系统，以真实倾角角度和采用加速度计估算出陀螺仪常值偏差分别作为状态参量，获取相应状态方程和测量方程：
式中，为包含固定偏差的陀螺仪输出角速度，为加速度计经处理后得到的角速度值，为陀螺仪测量噪声，为陀螺仪漂移误差；（2）获取系统采样周期t对应的状态方程和测量方程：式中，为k时刻的估算倾角，为加速度在k时刻的角速度；（3）基于卡尔曼滤波滤波器获得时刻的最优预测倾角：其中，为k时刻的预测倾角，根据k-1时刻的最优预测倾角对k时刻的估算倾角进行校正获得：；式中，=，，是控制输入，b是对应的控制输入增益；，为卡尔曼增益：；式中，为h的转置矩阵，r为系统过程测量误差的协方差：；为的协方差，；其中，表示的转置矩阵，是系统过程的噪声协方差，；和分别是加速度计和陀螺仪测量的协方差。为加速度计和陀螺仪测量误差。
7.可选地，所述卡尔曼滤波姿态融合还包括：根据系统过程噪声协方差矩阵q和测量误差的协方差矩阵r对卡尔曼滤波器进行校正。
8.可选地，所述卡尔曼滤波姿态融合还包括：更新的协方差，；其中，i为单位矩阵，为陀螺仪测量的倾角角度。
9.可选地，所述根据液位倾斜角度修正非接触式液位检测组件所检测的液位数据，包括：在非接触式液位检测组件中高度最低的非接触液位传感器检测到待监测容器中
的液位时，根据修正非接触式液位检测组件所检测的液位数据；其中，为修正后的液位高度，为传非接触式液位检测组件的安装高度，为待检测容器的宽度。
10.可选地，所述液位监测系统还包括固定套组件，多个非接触式液位传感器均匀检测地设置在固定套组件内侧，固定套组件用于套设在待监测容器上，使多个非接触式液位传感器贴附到待监测容器外壁上。
11.可选地，所述报警装置包括蜂鸣器、指示灯、语音提示装置中一个或多个。
12.可选地，所述无线通讯组件包括基于zigbee通讯组件、wifi通讯组件、4g或5g通讯组件中的一种。
13.可选地，所述液位监测系统包括多个液位监测装置，各液位检测装置的处理器用于在修正后的液位数据超过预设液位阈值时，向报警装置发送携带当前液位监测装置所对应待监测容器的标识信息的报警控制指令。
14.本发明实施例的一种液位监测系统，通过在待监测容器上设置非接触式液位检测组件和倾角检测组件，利用非接触式液位检测组件在不同方位检测待监测容器内液位数据，利用倾角检测组件检测待监测容器的倾角，并对倾角检测组件中加速度计和陀螺仪分别检测的三轴角度数据进行姿态融合，再根据融合后的倾角数据对非接触式液位检测组件所检测的液位数据进行修正，从而可以更加准确地估算出容器发生倾斜时的真实液位数据，再根据修正后的液位数据准确地判断出待监测容器内的液体是否过低，进而通过报警装置发出提示信息进行报警，可以及时提示工作人员采取相应措施。而且，本发明实施例的液位检测系统还具有设备简单、性能可靠、成本较低、实用性高等优点，特别使用于对医务场所中的输液瓶进行液位监测。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明实施例的一种液位监测系统的液位检测装置的结构示意图；图2为本发明实施例的一种液位监测系统的结构示意图。
17.附图标号：1、待监测容器；2、非接触式液位传感器；21、固定套组件；3、倾角传感器。
具体实施方式
18.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的基体实施的限制。
19.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的
技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
20.本领域技术人员可以理解，本发明实施例中的“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同步骤、设备或模块等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。以及，所使用的术语“/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
21.参照图1和图2，示出了根据本发明实施例的一种液位监测系统的结构示意图。本实施例的一种液位监测系统可以应用于医院、诊所等处，对输液瓶中剩余药液的液位进行监测，但本领域技术人员应当明了，在实际应用中，任意具有对容器内液位监测需求的相应场景中，均可以参考本实施例采用本发明的液位监测系统。
22.本发明实施例的一种液位监测系统包括液位监测装置和报警装置，液位监测装置包括液位检测组件、处理器和无线通讯组件。其中，液位检测组件包括非接触式液位检测组件和倾角检测组件，非接触式液位检测组件包括多个设置在待监测容器1外壁周侧的非接触式液位传感器2，分别用于检测待监测容器1内的液位数据；倾角检测组件包括水平放置在待监测容器1上方的倾角传感器4，倾角传感器4包括加速度计和陀螺仪，分别用于检测待监测容器1发生倾角的第一三轴角度数据和第二三轴角度数据；处理器分别与非接触式液位检测组件和倾角检测组件通讯连接，用于根据第一三轴角度数据和第二三轴角度数据进行姿态融合，根据融合结果获取待监测容器1内液位倾斜角度，并根据液位倾斜角度修正非接触式液位检测组件所检测的液位数据；处理器还通过无线通讯组件与报警装置通讯连接，用于根据修正后的液位数据控制报警装置发出提示信息。
23.在液位监测系统中，液位检测组件包括非接触式液位检测组件和倾角检测组件，利用非接触式液位检测组件检测待监测容器1内液位数据，利用倾角检测组件检测待监测容器1的倾角，通过对倾角检测组件中加速度计和陀螺仪分别检测的三轴角度数据进行姿态融合，再根据融合后的倾角数据对非接触式液位检测组件所检测的液位数据进行修正，从而获得更加准确的液位数据，可以根据修正后的液位数据准确地判断出待监测容器1内的液体是否过低，进而通过报警装置发出提示信息进行报警。
24.可选地，液位监测系统还包括固定套组件3，多个非接触式液位传感器2均匀检测地设置在固定套组件3内侧，固定套组件3用于套设在待监测容器1上，使多个非接触式液位传感器2贴附到待监测容器1外壁上。例如，图中示出的固定套组件3上设置有四个非接触式液位传感器2，均分分布在带监测容器下端的周测，各非接触式液位传感器2用于分别在设置位置处检测带监测容器内液体的液位。在实际的应用场景中，可以针对不同待监测容器1的液位监测需求，设置不同类型具有不同液位检测高度的液位传感器，例如，针对输液瓶所需检测液位是否过低的监测需求，可以设置包括检测盘的非接触式液位传感器2，将检测盘设置在输液瓶上的正常液位下限阈值处，感应器可以检测到输液瓶内液面是否检测盘，从而发出相应的检测信号。
25.进一步地，为方便固定套组件3将多个非接触式液位传感器2贴附到待监测容器1外壁上，可以在固定套组件3中设置弹性件，例如背胶、绷带、皮筋等，方便安装，也能够保证紧固效果，而且成本较低。
26.一种可选的实施方式中，本发明实施例中对第一三轴角度数据和第二三轴角度数据进行的姿态融合包括卡尔曼滤波姿态融合：
（1）基于倾角和倾角角速度之间的导数关系系统，以真实倾角角度和采用加速度计估算出陀螺仪常值偏差分别作为状态参量，获取相应状态方程和测量方程：式中，为包含固定偏差的陀螺仪输出角速度，为加速度计经处理后得到的角速度值，为陀螺仪测量噪声，为陀螺仪漂移误差；（2）获取系统采样周期t对应的状态方程和测量方程：式中，为k时刻的估算倾角角度，为加速度在k时刻的角速度；（3）基于卡尔曼滤波滤波器获得时刻的最优预测倾角：其中，为k时刻的预测倾角，是根据k-1时刻的最优预测倾角对k时刻的估算倾角进行校正获得，；式中，=，，为控制输入参数，b是对应的控制输入增益；，为卡尔曼增益：；式中，为h的转置矩阵，r为系统过程测量误差的协方差：，为加速度计和陀螺仪测量误差；为的协方差，；这里，表示的转置矩阵，是系统过程的噪声协方差，；和分别是加速度计和陀螺仪测量的协方差。
27.本实施例中，陀螺仪和加速度计所测得角速度值、分别为第二三轴角度数据和第一三轴角度数据，作为卡尔曼滤波器的系统输入参数，并以上一时刻的倾角作为校正，输出当前时刻的最优预测倾角。
28.进一步地，卡尔曼滤波姿态融合还包括，根据系统过程噪声协方差矩阵q和测量误差的协方差矩阵r对卡尔曼滤波进行校正。
29.以及，更新的协方差，；其中，i为单位
矩阵，为陀螺仪测量的倾角角度。当系统进入下一时刻k+1时，为卡尔曼滤波器的状态更新方程，计算完时间更新方程和测量更新方程后，即可重复上一时刻计算得到的后验估算，作为下一次的先验估算，从而循环运算，直至估算出最优结果。
30.进一步地，在获得融合后的液位倾斜角度后，对非接触式液位检测组件所检测的液位数据进行修正，可选地，可根据经过卡尔曼滤波姿态融合得到的液位倾斜角度和待监测容器的宽度，来修正非接触式液位检测组件检测到的液位数据。具体地，如果未进行修正，非接触式液位检测组件检测到的液位数据为其在待检测容器上的安装高度；根据公式进行修正，即可获得更加准确的液位高度。这里，为修正后的液位高度，为传非接触式液位检测组件的安装高度，为待检测容器的宽度。
31.本发明实施例利用多个液位传感器在不同方位检测待监测容器1内液位高低变化，同时配合倾角传感器4，可以利用姿态互补融合和卡尔曼滤波融合相结合，可以准确地估算出在待监测容器1本身发生倾斜的情况下的真实液位，从而可以在液位超过预设液位阈值时，通过报警装置发出提示信息，提醒工作人员及时处理。可选地，报警装置包括蜂鸣器、指示灯、语音提示装置中一个或多个，可以通过报警装置发出声音、灯光、语音等提示信息，而且成本较低。进一步地，报警装置还可以包括复位交互设备，用于在工作人员获取报警提示信息后，通过操作复位交互设备使报警装置复位，停止报警。
32.在实际的应用场景中，本发明实施例的液位监测系统包括多个液位监测装置，各液位检测装置的处理器用于在修正后的液位数据超过预设液位阈值时，向报警装置发送携带当前液位监测装置所对应待监测容器1的标识信息的报警控制指令，报警装置根据报警控制指令发出指示对应的待监测容器1液位过低的信息。也即，通过多个液位检测装置分别监测多个待监测容器1，例如，在医院各病房的输液瓶上设置液位监测装置，将报警装置设置在护士站，各液位监测装置可以准确地检测输液瓶内液面是否过低，从而及时通过报警装置发出提示信息，使护士及时获取到输液瓶中药液较少的信息，进而提醒护士进行换药或拔针处理。
33.以及，无线通讯组件包括基于zigbee通讯组件、wifi通讯组件、4g或5g通讯组件中的一种，例如，采用zigbee无线通讯组件，不仅可以使信号传输迅捷，还可以减少复杂的安装线路，即节省成本，又方便操作。
34.本发明实施例的一种液位监测系统，通过在待监测容器上设置非接触式液位检测组件和倾角检测组件，利用非接触式液位检测组件在不同方位检测待监测容器内液位数据，利用倾角检测组件检测待监测容器的倾角，并对倾角检测组件中加速度计和陀螺仪分别检测的三轴角度数据进行姿态融合，再根据融合后的倾角数据对非接触式液位检测组件所检测的液位数据进行修正，从而可以更加准确地估算出容器发生倾斜时的真实液位数据，再根据修正后的液位数据准确地判断出待监测容器内的液体是否过低，进而通过报警装置发出提示信息进行报警，可以及时提示工作人员采取相应措施。
35.需要指出，根据实施的需要，可将本发明实施例中描述的各个部件/步骤拆分为更多部件/步骤，也可将两个或多个部件/步骤或者部件/步骤的部分操作组合成新的部件/步骤，以实现本发明实施例的目的。
36.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。