一种自收揽浮子式远程水位监测系统及其数据采集方法与流程

本发明涉及一种水位监测装置，具体地说是一种自收揽浮子式远程水位监测系统及其数据采集方法。

背景技术：

公知的浮子式水位计从GB/T118281-2002水位测量仪器可知，已知，它是由浮子、平衡锤、安装在竖井上方的水位编码器(水位传感器)、水位编码器转轴上的水位轮、悬挂在水位轮上的测缆(悬索)组成，测缆的两端分别连接浮子和平衡锤，其静止状态为：浮子飘浮于水面，平衡锤张紧测缆并对水位轮施加一个等于平衡锤、测缆自重的力，该力同时传递至浮子，使浮子保持一定的吃水深度。当浮子随水位升降变化时，测井中的平衡锤则拉直测缆向反方向运动，处于张紧状态的测缆将带动水位轮和编码器同步旋转，输出与水位变化相对应的编码电信号。

张敏的《一种重力卷扬收缆浮子式水位计》发明专利(专利号：ZL200610085948.7)详细阐明该浮子式水位计结构和原理上的缺点、不足及应用的局限性，更不适应目前信息化市场的需要。《一种重力卷扬收缆浮子式水位计》发明专利在于克服以往技术的缺点与不足之处，提供一种测井中无平衡锤，只以细小浮子或球形浮子跟踪水位变化，能用于地表水、地下水、大坝测压管水位测量或斜井水位测量的全新构造浮子式水位计。其技术方案是：以重力卷扬收缆装置取代公知平衡锤，以新型细长小直径浮子和球形浮子取代公知浮子，只以浮子自动跟踪水位变化并能克服测缆参重误差影响的浮子式水位计。该重力卷扬收缆浮子式水位计，包括浮子、测缆、水位轮、水位编码器、重力卷扬收缆装置。测缆从收缆装置引出绕经水位轮后与浮子连接，测井中只有浮子随水位升降变化，实现水位实时在线测量。该发明得到实际应用，优点是可靠、稳定；但存在诸多缺点：误差大(系统误差大0.5-2cm),机械故障率多，水位计的控制部分没有智能化，组网需要连线，通过水位机来求得水位高度，更，格雷码编码器属于精密仪器，用较恶劣的环境中，制作成本和维护成本都很高。

目前我国测深水位的传感器和仪表主要应用浮子式水位计、是投入式水位计(变阻、变容式)、测压管水位计(自收揽浮子式)、振弦式测压管水位计(属于投入式)。这几种水位计个有自己的优点，但各有缺陷，共同的缺陷需要线供电、智能化低、网络化功能差等。

技术实现要素：

针对上述不足，本发明提供了一种自收揽浮子式远程水位监测系统及其数据采集方法，其不仅能够极大降低成本、提高测量精度，而且运行可靠、安装方便。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：一种自收揽浮子式远程水位监测系统，包括水位测量装置和水位数据采集终端，所述水位测量装置用以测量水位，所述水位数据采集终端用以采集水位测量装置测量的水位数据并发送给后台管理系统，其特征是，所述水位测量装置包括水位轮、测缆、浮子、卷扬轮、齿轮组、蜗杆、牙轮、字轮组和恒转矩电机，所述测缆缠绕于卷扬轮工作圆周的凹槽中，其引出端绕经水位轮的工作圆周后与浮子相连接，所述卷扬轮与水位轮在同一垂直面上工作，所述恒转矩电机的输出轴与卷扬轮的驱动轮啮合连接，水位轮与齿轮组中相同周长的齿轮共轴，所述齿轮组与蜗杆啮合，蜗杆轴与牙轮轴连接，牙轮分别与字轮组中对应的字轮啮合；所述字轮组中每个字轮圆周表面指代0～9的十个弧段上分别设置有对应数值0～9的二维码标识。

优选地，所述二维码标识包括依次设置的数值上半部识别区、上半部间隔区、数值下半部识别区和下半部间隔区；所述数值上半部识别区和数值下半部识别区均包括二进制表示的定位信息、位数信息、数值半部位置信息和数值信息；每一个数值0～9的二维码标识所包含的数值上半部识别区和数值下半部识别区的位数信息和数值信息是相同的。

优选地，所述定位信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区的左上角三组信息和右下角三组信息，所述位数信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区右上角的三组信息，所述数值半部位置信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区中心位置的一组信息，所述数值信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区左下角的四组信息。

优选地，所述的定位信息、位数信息、数值半部位置信息和数值信息中的每组信息为NXN点阵，N为大于等于3的正整数。

优选地，所述水位测量装置还包括STM8L151单片机、电源控制电路、电机驱动电路和无线通信模块，所述STM8L151单片机分别与电源控制电路、电机驱动电路和无线通信模块相连，所述电源控制电路与水位数据采集终端相连，所述电机驱动电路与恒转矩电机的控制端相连，所述无线通信模块与后台管理系统相连。

优选地，所述水位数据采集终端包括摄像头、补光灯、STM32F407单片机、存储器和电源模块，所述摄像头正对字轮组设置，所述补光灯设置在摄像头附近且光线射向字轮组，所述STM32F407单片机分别与摄像头、补光灯、存储器和STM8L151单片机相连，所述电源模块分别与电源控制电路、摄像头和STM32F407单片机电连接。

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；所述TM32F407单片机还连接有供电电源、25M有源晶振和温度传感器，所述温度传感器为DS18B20数字温度传感器。

优选地，所述供电电源包括太阳能电池板、充电控制电路和充电锂电池，所述充电控制电路分别与太阳能电池板、充电锂电池、STM8L151单片机和水位数据采集终端的电源模块电连接。

优选地，所述二维码标识粘贴或者印制在字轮圆周表面。

本发明还提供了一种自收揽浮子式远程水位监测系统的数据采集方法，自收揽浮子式远程水位监测系采用上述所述的一种自收揽浮子式远程水位监测系统，其特征是，包括以下步骤：

1)拍摄水位测量装置字轮的图像信息；

2)对拍摄的图像信息进行采用中值滤波和高斯滤波去除图像中的噪点；

3)通过二维码标识的定位信息进行图像角度的校准；

4)计算图像信息的阈值，并进行二值化处理，将大于阈值的灰度值设为最大灰度值1，小于阈值的灰度值设为0；

5)对图像信息中每个字轮的数值分别识别，并将识别的各个字轮数值合并为水位读数；

在步骤5)中，对图像信息中每个字轮的数值进行识别的具体过程为：

51)对定位信息进行识别：对图像信息中每个字轮图片进行定位信息识别，如果包含一组完整的定位信息则对该组完整定位信息图片进行识别；如果包含两组完整的定位信息则对两组完整定位信息图片分别进行识别；

52)对每组完整定位信息图片中位数信息进行识别：如果每组位数信息方块中有一半以上像素点的灰度值为1则确定该组位数信息值为1，否则该组位数信息值为0；将位数信息中的三组信息组成二进制位数数据；将二进制位数数据转化为十进制位数数据；

53)对每组完整定位信息图片中数值信息进行识别：如果每组数值信息方块中有一半以上像素点的灰度值为1则确定该组数值信息值为1，否则该组数值信息值为0；将数值信息中的四组信息组成二进制数值数据；将二进制数值数据转化为十进制数值数据；

54)对每组完整定位信息图片中数值半部位置信息进行识别：如果数值半部位置信息方块中有一半以上像素点的灰度值为1则确定识别的数值所在区域为数值下半部识别区，否则为数值上半部识别区；

55)如果图像信息中每个字轮图片包含一组完整的定位信息则将对该组完整定位信息图片进行识别出的数据信息作为对应字轮的数据信息；如果图像信息中每个字轮图片包含两组完整的定位信息则将对数值下半部识别区所在的那一组完整定位信息图片进行识别出的数据信息作为对应字轮的数据信息。

本发明的有益效果是：

本发明通过水位轮来驱动字轮，并采用二维码替代字轮上的数字，大大增加水位数据视觉的识别率；采用带刹车机构的恒转矩电机实现自收揽自平衡组织，采用低功率STM32单片机进行智能控制采集，采用GPRS实现设计远程传输，采用太阳能电池供电，该水位监测系统可实现野外的地表水、地下水、大坝测压管水位测量或斜井水位测量及数据上报功能。该水位监测系统极大降低成本、提高测量精度、可靠运行、安装方便、太阳电池供电实行低功耗模式、可远程联网；可进行有效的水库坝体的浸润线观测，继而实现水库坝体安全信息化管理。

本发明通过将字轮的数字改为及其容易识别的二维码将彻底克服了数字的识别率低和工作量大的不足，本发明采用二维码的识别技术对水位测量装置字轮图像进行黑白识别，并进行相似程度判断，采用廉价摄像头的像素点点阵就能确定水位读数，其不仅不受光线、灰尘、位置变动、字滚动等各种外界因素的影响，抗干扰能力极强，而且减低了成本，满足了识别要求。

本发明的数据采集方法将字轮的字改为二维码，以此通过识别二维码来获取水位读数，有效的解决了单片机进行传统图像处理时存在内存不足的问题，简化了复杂的神经网络算法，省去了大量字轮式水表字样的样本提取工作，识别率高，减低了水位监测系统的成本。

附图说明

图1为本发明所述水位测量装置的结构示意图；

图2为本发明所述字轮的结构示意图；

图3为传统字轮的图像示意图；

图4为本发明字轮水表采用二维码标识的字轮读数示意图；

图5为本发明所示二维码标识的数值上半部识别区和上半部间隔区的结构示意图(即图4中个位数值图像的上半部，且每组信息为3X3点阵方块的示意图)；

图6为对图5图像进行二值化处理后的图像信息示意图；

图7为本发明的电气原理示意图；

图8为表盘图像中每个字轮图片包含两组完整的定位信息的图像示意图(即图4中个位数值图像中每组信息为3X3点阵方块时的示意图)；

图9为表盘图像中每个字轮图片包含一组完整的定位信息的图像示意图；

图2中，1为字轮，2-0至2-9为二维码标识：2-0为数值0的二维码标识、2-1为数值1的二维码标识，2-2为数值2的二维码标识，2-3为数值3的二维码标识，2-4为数值4的二维码标识，2-5为数值5的二维码标识，2-6为数值6的二维码标识，2-7为数值7的二维码标识，2-8为数值8的二维码标识，2-9为数值9的二维码标识。

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发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明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。本发明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发明。

如图1和图2所示，本发明的一种自收揽浮子式远程水位监测系统，它包括水位测量装置和水位数据采集终端，所述水位测量装置用以测量水位，所述水位数据采集终端用以采集水位测量装置测量的水位数据并发送给后台管理系统。如图1所示，所述水位测量装置包括水位轮、测缆、浮子、卷扬轮、齿轮组、蜗杆、牙轮、字轮组和恒转矩电机，所述测缆缠绕于卷扬轮工作圆周的凹槽中，其引出端绕经水位轮的工作圆周后与浮子相连接，所述卷扬轮与水位轮在同一垂直面上工作，所述恒转矩电机的输出轴与卷扬轮的驱动轮啮合连接，水位轮与齿轮组中相同周长的齿轮共轴，所述齿轮组与蜗杆啮合，蜗杆轴与牙轮轴连接，牙轮分别与字轮组中对应的字轮啮合。所述字轮组中每个字轮圆周表面指代0～9的十个弧段上分别设置有对应数值0～9的二维码标识，如图2所示，每个字轮1圆周表面依次设置有数值0的二维码标识2-0、数值1的二维码标识2-1、数值2的二维码标识2-2、数值3的二维码标识2-3、数值4的二维码标识2-4、数值5的二维码标识2-5、数值6的二维码标识2-6、数值7的二维码标识2-7、数值8的二维码标识2-8和数值9的二维码标识2-9。

如图4和图5所示，所述二维码标识包括依次设置的数值上半部识别区、上半部间隔区、数值下半部识别区和下半部间隔区；所述数值上半部识别区和数值下半部识别区均包括二进制表示的定位信息、位数信息、数值半部位置信息和数值信息；每一个数值0～9的二维码标识所包含的数值上半部识别区和数值下半部识别区的位数信息和数值信息是相同的。

图3是传统字轮图像示意图，它用摄像来识别的困难在于数字滚动过程中的识别，视觉识别技术来确定个位是“9”还是“8”需要用样本来训练。最难的是识别的是图3个位上的数值。如果要提高识别率，对不同的厂家，不同的字的位置、机械结构差异以及环境光线等都都需要训练样本，工作量很大，且有些样本只能在一定条件下进行。所以当如环境光线等条件变化，识别率就下降。本发明将字轮的字改为及其容易识别的二维码将彻底改变这些弱点，如图4所示。本发明识别原理：找到基准点，基于预期模型，进行黑白识别，进行相似程度判断，即使有较强的干扰-光线、灰尘、位置变动、字滚动等都基本没影响。

如图5所示，所述定位信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区的左上角三组信息(图5中A1标示区域)和右下角三组信息(图5中A2标示区域)，所述位数信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区右上角的三组信息(图5中B1、B2、B3标示区域)，所述数值半部位置信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区中心位置的一组信息(图5中C标示区域)，所述数值信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区左下角的四组信息(图5中D1、D2、D3、D4标示区域)

优选地，所述的定位信息、位数信息、数值半部位置信息和数值信息中的每组信息为NXN点阵，N为大于等于3的正整数。在具体实施例中，本发明以每组信息为3X3点阵为例，如图4、图5、图6、图8和图9所示。

优选地，所述二维码标识粘贴或者印制在字轮圆周表面。

如图7所示，优选地，所述水位测量装置还包括STM8L151单片机、电源控制电路、电机驱动电路和无线通信模块，所述STM8L151单片机分别与电源控制电路、电机驱动电路和无线通信模块GPRS相连，所述电源控制电路与水位数据采集终端相连，所述电机驱动电路与恒转矩电机M的控制端相连，所述无线通信模块与后台管理系统相连。所述水位数据采集终端包括摄像头、补光灯、STM32F407单片机U2、存储器和电源模块(U3和U5及其外围电路)，所述摄像头正对字轮组设置，所述补光灯设置在摄像头附近且光线射向字轮组，所述STM32F407单片机分别与摄像头、补光灯、存储器和STM8L151单片机相连，所述电源模块分别与电源控制电路(Q3等)、摄像头和STM32F407单片机电连接。

优选地，所述摄像头采用OV2640摄像头U1，所述摄像头连接有24M有源晶振Y1，所述存储器采用AT24C02存储芯片；所述TM32F407单片机还连接有供电电源、25M有源晶振Y3和温度传感器，所述温度传感器为DS18B20数字温度传感器。

优选地，所述供电电源包括太阳能电池板、充电控制电路和充电锂电池，所述充电控制电路分别与太阳能电池板、充电锂电池、STM8L151单片机和水位数据采集终端的电源模块电连接。

本发明水位监测系统中，STM32F407单片机通过DCMI接口和IIC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表盘上的真实水位读数。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。

STM8L151低功耗单片机保证系统处于低功耗工作模式，降低系统功耗。STM8L151单片机控制恒转矩电机，并且与GPRS模块通过UART接口相连，通过GPRS可以将数据发送到后台管理系统。

STM8L151单片机控制STM32F407单片机和摄像头模块的电源，只有在系统工作时才给STM32F407和摄像头模块供电，这样能够保证系统极低的功耗。STM8L151与STM32F407单片机通过UART相连，它们之间可以相互通信，将设置参数传输给STM32F407，同时读取STM32F407识别出的表盘读数。采用充电锂电池给系统供电，充电控制电路与太阳能板相连，给锂电池充电，保证系统能够持续运行。

在空闲状态下，单片机STM8L151将单片机STM32F407、摄像头模块，GPRS模块的电源全部断掉，同时它工作在低功耗模式，此时单片机STM8L功耗在10μA左右。

GPRS模块可以工作在三种工作模式下，如下表所示：

通常，GPRS工作在定时唤醒模式时，系统平均功耗在2mA左右。使用的锂电池容量为2000mA/H，因此在不充电的情况下系统理论上可待机1000小时左右。所以太阳能电池板仅用小块即可。

该水位监测系统工作原理：水位监测装置的监测频率可以通过后台管理系统进行调整，设置时间放在STM8L151单片机中。STM8L151单片机具有内部唤醒功能，当内部定时到退出休眠模式，进入工作状态。

通过GPRS获取上位机(后台管理系统)的指令，为了节能可以设置每5秒钟STM8L151单片机唤醒一次，查看GPRS的状态是否有上位机呼叫，有则给STM32F407单片机通电，进入监测状态，没指令，则STM8L151单片机再进入休眠状态。

工作时，单片机STM8L151从低功耗模式切换到正常工作模式(外部唤醒和内部定时唤醒)，给STM32F407单片机供电，使其处于工作状态；STM8L151单片机给恒转矩电机送电，这样刹车功能释放，卷缆轮和水位轮会在浮子作用下进行自平衡过程，当直达到平衡一段时间后，摄像模块开始拍摄，获取新的水位数值，同时通过温度传感器DS18B20获取外界温度，将两数值存入STM8L151单片机内部EEPROM中。STM8L151单片机关闭驱动恒转矩电机，STM8L151单片机通过关闭CMOS三极管关闭STM32F407单片机的所有电源。然后STM8L151单片机关闭GPRS模块后进入休眠模式。

本发明还提供了一种自收揽浮子式远程水位监测系统的数据采集方法，它包括以下步骤：

1)拍摄水位测量装置字轮的图像信息；

2)对拍摄的图像信息进行采用中值滤波和高斯滤波去除图像中的噪点；

3)通过二维码标识的定位信息进行图像角度的校准；

4)计算图像信息的阈值，并进行二值化处理，将大于阈值的灰度值设为最大灰度值1，小于阈值的灰度值设为0；

5)对图像信息中每个字轮的数值分别识别，并将识别的各个字轮数值合并为水位读数；

在步骤5)中，对图像信息中每个字轮的数值进行识别的具体过程为：

51)对定位信息进行识别：对图像信息中每个字轮图片进行定位信息识别，如果包含一组完整的定位信息则对该组完整定位信息图片进行识别；如果包含两组完整的定位信息则对两组完整定位信息图片分别进行识别；

52)对每组完整定位信息图片中位数信息进行识别：如果每组位数信息方块中有一半以上像素点的灰度值为1则确定该组位数信息值为1，否则该组位数信息值为0；将位数信息中的三组信息组成二进制位数数据；将二进制位数数据转化为十进制位数数据；

53)对每组完整定位信息图片中数值信息进行识别：如果每组数值信息方块中有一半以上像素点的灰度值为1则确定该组数值信息值为1，否则该组数值信息值为0；将数值信息中的四组信息组成二进制数值数据；将二进制数值数据转化为十进制数值数据；

54)对每组完整定位信息图片中数值半部位置信息进行识别：如果数值半部位置信息方块中有一半以上像素点的灰度值为1则确定识别的数值所在区域为数值下半部识别区，否则为数值上半部识别区；

55)如果图像信息中每个字轮图片包含一组完整的定位信息则将对该组完整定位信息图片进行识别出的数据信息作为对应字轮的数据信息；如果图像信息中每个字轮图片包含两组完整的定位信息则将对数值下半部识别区所在的那一组完整定位信息图片进行识别出的数据信息作为对应字轮的数据信息。

如图5和图6所示，本发明的二维码的点阵为15×15，它包含的信息：(1)定位信息，(2)位数信息，(3)数值半部位置信息，(4)水位的数值信息。每一个信息至少3×3点阵。其信息特点说明如下：

(1)定位信息

如图5所示，由左上角三组信息(111，即图5中A1标示区域)和右下角三组信息(111，即图5中A2标示区域)组成，每位一组有3×3点阵

(2)位数信息

如图5所示，由右上角的三组信息(图5中B1、B2、B3标示区域)组成，每一组有3×3点阵，3组信息可组成3位二进制数：001，010，011，100，101，110，111，分别表示1，2，3，4，5，6，7。图5所示的位数表示1，即位数为个位。本发明以字轮的位数为5位为例。

(3)数值半部位置信息

如图5所示，由中心位置的一组信息(图5中C标示区域)组成，0代表数值上半部识别区，1代表数值下半部识别区。图5所示的数值半部位置信息为0，即为数值上半部识别区。

(4)水位的数值信息

如图5所示，由左下角的四组信息(图5中D1、D2、D3、D4标示区域)组成，每一组有3×3点阵，4组信息组成4位二进制数：0000，0001，0010，0011,0100，0101,0110,0111，1000，1001，分别表示0，1，2，3，4，5，6，7，8，9。图5所示的水位的数值信息为7.

在上述4种信息的基础上，本发明设计了一幅二维码的信息图片，点阵为15×15。而摄像头采集的每个字轮图像的点阵为36×15。这样为确保字轮数字在任何状态都能有该数字的信息，设计每一位数字上包含两幅信息，即数值上半部识别区和数值下半部识别区并采用上半部间隔区和下半部间隔区进行分开。

如图8和图9所示，假设字轮读数的个位数为“7”，则用二维码表示则为图8或图9所示。在轮旋转过程中，二维码的“7”总是能完整显示出来，当“7”后面的“8”完整出现，“7”才消失。可以根据要求确定此时刻的真实值，且采用此二维码识别精度足以达到0.1。

此外，本发明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。从本发明的公开内容，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，其中它们执行与本发明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，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明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。