一种基于LPWA通讯的超声波多普勒流速仪的制作方法

本实用新型涉及超声波多普勒流速测量技术领域，尤其涉及一种基于LPWA通讯的超声波多普勒流速仪。

背景技术：

在某些需要测量流速的领域，比如渠道、河道、污水处理等场合，由于水流中含有可以反射超声波信号的散射体（比如颗粒或气泡），采用超声波多普勒流速仪进行测量是一个比较合适的选择。

在传统的超声波多普勒流速仪研制中，便携式超声波流速计/流量计的测量结果一般通过显示输出，而常见的超声波多普勒流速仪一般提供有数据接口或模拟接口，用于测量结果的输出。数据接口一般是提供USB接口、RS232或RS484接口，也有根据用户需求，提供GPRS、GSM无线远程通信功能；模拟接口一般是将测量结果转换为1-5V电压或4-20mA电流信号输出，用于再连接后端的采集器。部分设备还提供有SD卡接口，用于存储测量数据，SD卡中数据可以人工导出，用于动态分析研究实时测量的流速。

这类常见的超声波多普勒流速仪，通常采用四线制连接，包括有9-14V的供电电源线，以及通讯线，很多是采用有线的Modbus串口通讯，无法直接与远程云平台连接，更无法通过手机APP实时查看测量数据。在采用GPRS无线远程通信的产品中，虽然可以连接平台，但由于GPRS的功耗大及信号稳定性不好等因素，很难实现真正意义上的低功耗设计，而通过采用电池当作供电能源，并长时间无需更换电池更是很难实现。

在现有的专利技术研究文献中，更多集中在测量方式或方法的改进，没有涉及测量结果传输方式的改进。

技术实现要素：

本实用新型针对上述技术问题做出改进，即本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于LPWA通讯的、可与远程云平台连接的且低功耗的超声波多普勒流速仪。

为了解决上述技术问题，本实用新型的一种技术方案是：一种基于LPWA通讯的超声波多普勒流速仪，其包括发生器探头、接收器探头、供电单元、微处理器单元，及与所述微处理器单元连接A/D转换单元、LPWA通讯单元、按键单元、压力传感器、温度传感器、显示单元及DA输出单元。

进一步地，所述发生器探头内设有石英振荡器，所述石英振荡器和所述接收器探头与混频器单元连接，所述混频器单元与所述A/D转换单元连接。

进一步地，所述发生器探头还包括有调制器、功率放大器及超声波发射器，所述石英振荡器连接所述调制器；所述调制器连接所述功率放大器；所述功率放大器连接所述超声波发射器。

进一步地，所述接收器探头包括超声波接收器及前置放大器；所述前置放大器出来的频率信号与所述石英振荡器的频率信号进入所述混频器单元进行混频和检波处理。

进一步地，所述混频器单元包括有混频器、检波处理单元、低通滤波器及信号放大器；所述混频器与所述检波处理单元连接；所述检波处理单元与所述低通滤波器连接；所述低通滤波器与所述信号放大器连接。

进一步地，所述信号放大器出来的多普勒频率信号进入所述A/D转换单元，经所述微处理器单元处理后，通过所述显示单元、所述DA输出单元及所述LPWA通讯单元输出。

进一步地，所述LPWA通讯单元与远程云平台通讯连接，并定期上传检测数据，所述LPWA通讯单元是一种基于LTE技术的LTE Cat M1(eMTC)通讯模组。

进一步地，所述微处理器单元是一种低功耗的微处理器芯片，优选地，所述微处理器芯片采用型号为STM32L152芯片。

优选地，所述温度传感器采用型号为DS18B20的单总线数字温度传感器。

与现有的技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

（1）采用基于LPWA的通讯模组，与GPRS方式相比，信号覆盖更广，通讯连接更加可靠；可选用eMTC通讯模组，在传输测量数据的同时，同步传输定位信息，用于确认当前测量传感器是否安装牢固或者被流水冲走移位；

（2）结合采用低功耗的微处理器，可以采用电池供电，不用频繁更换电池；

（3）可以与远程云平台通讯连接，并通过手机APP查看测量数据，相比传统的显示屏更加方便；

（4）带有温度传感器和压力传感器，通过温度及压力的采集，可进一步对流速或流量进行补偿计算，测量结果更加准确。

附图说明

图1为本实用新型实施例的超声波多普勒流速仪的电路框图。

图2为本实用新型实施例的超声波多普勒测量原理示意图。

图3为本实用新型实施例的采用eMTC通讯模组的超声波多普勒流速仪的电路框图及系统架构示意图。

图4为本实用新型实施例的采用NB-IOT通讯模组的超声波多普勒流速仪的电路框图及系统架构示意图。

图5为本实用新型实施例的采用LoRa通讯模组的超声波多普勒流速仪的电路框图。

图1中：1-发生器探头、2-接收器探头、3-混频器单元、4-A/D转换单元、5-微处理器单元、6- LPWA通讯单元、7-供电单元、8-按键单元、9-压力传感器、10-温度传感器、11-显示单元、12-DA输出单元、101-石英振荡器、102-调制器、103-功率放大器、104-超声波发射器、201-超声波接收器、202-前置放大器、301-混频器、302-检波处理单元、303-低通滤波器、304-信号放大器。

图2中：1-发生器探头、2-接收器探头、13-待测管道。

图3中：1-发生器探头、2-接收器探头、3-混频器单元、5-微处理器单元、6- eMTC通讯单元、9-压力传感器、901-压力信号调理电路、10-温度传感器、14-远程云平台、15-手机APP。

图4中：1-发生器探头、2-接收器探头、3-混频器单元、5-微处理器单元、6- NB-IOT通讯单元、9-压力传感器、901-压力信号调理电路、10-温度传感器、14-远程云平台、15-手机APP。

图5中：1-发生器探头、2-接收器探头、3-混频器单元、5-微处理器单元、6- LoRa通讯单元、9-压力传感器、901-压力信号调理电路、10-温度传感器、11-显示单元、12-DA输出单元。

具体实施方式

下面将对具体实施方式所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，附图是本实用新型一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他形式的附图。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，本实用新型描述中的术语“连接”、“相连”、“安装”应做广义理解，例如，可以是一体地连接、固定连接或者是可拆卸连接；可以是通过机械结构或者电子直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连。

“LPWA”技术的名词解释：LPWA是指Low Power Wide Area，即低功耗广域技术，LPWA在低功耗、低成本、广覆盖、大容量问题上有较突出的优势。LPWA技术包括有eMTC、NB-IOT、LoRa及Sigfox等技术。

本实用新型的技术原理如下：

如图2所示，在待测管道13上安装有包括超声波发射和接收的换能器，所述换能器与待测管道13上的水流方向按一定角度a安装，水流从待测管道13中以水流速度V向前流动，所述换能器上的发生器探头1还包括有石英振荡器，经过所述石英振荡器调制处理后发出超声波信号，经过水体中颗粒或气泡等散射体的反射后，进入接收器探头2。将接收器探头2收到的信号进行前置放大，接着与所述石英振荡器的频率信号进行混频和检波处理，再通过低通滤波器取出低频信号成份，得到多普勒频率信号。

所述换能器上的发生器探头1发出的超声波发射频率ft，接收器探头2接收的超声波接收频率fr，其经过处理后的频率变化值（多普勒频率信号）fd与散射体的移动速度成正比。

见图1，从混频器单元3出来的多普勒频率信号通过A/D转换单元4转换处理，再进入微处理器单元5进一步进行运算，得到水流速度V的测量数据值，所述测量数据值通过LPWA通讯单元6进行无线远程传输，并存储于远程云平台，且可随时通过手机APP进行查看。

实施例一：

如图1所示，一种基于LPWA通讯的超声波多普勒流速仪，其包括发生器探头1、接收器探头2、供电单元7、微处理器单元5，及与所述微处理器单元5连接A/D转换单元4、LPWA通讯单元6、按键单元8、压力传感器9、温度传感器10、显示单元11及DA输出单元12。

在本实施例中，所述发生器探头1内设有石英振荡器101，所述石英振荡器101和所述接收器探头2与混频器单元3连接，所述混频器单元3与所述A/D转换单元4连接。

在本实施例中，所述发生器探头1还包括有调制器102、功率放大器103及超声波发射器104，所述石英振荡器101连接所述调制器102；所述调制器102连接所述功率放大器103；所述功率放大器103连接所述超声波发射器104。

在本实施例中，所述接收器探头2包括超声波接收器201及前置放大器202；所述前置放大器202出来的频率信号与所述石英振荡器101的频率信号进入所述混频器单元3进行混频和检波处理。

在本实施例中，所述混频器单元3包括有混频器301、检波处理单元302、低通滤波器303及信号放大器304；所述混频器301与所述检波处理单元302连接；所述检波处理单元302与所述低通滤波器303连接；所述低通滤波器303与所述信号放大器304连接。

在本实施例中，所述信号放大器304出来的多普勒频率信号进入所述A/D转换单元4，经所述微处理器单元5处理后，通过所述显示单元11、所述DA输出单元12及所述LPWA通讯单元6输出。

见图3，结合图1，在本实施例中，所述LPWA通讯单元6与远程云平台14通讯连接，并定期上传检测数据，所述LPWA通讯单元6是一种基于LTE技术的LTE Cat M1通讯模组(eMTC通讯模组)，所述eMTC通讯模组定期进行地理位置信息获取，与远程云平台14通讯连接后，传输的是包括有地理位置信息在内的测量数据，存储于所述远程云平台14上的数据可以通过所述手机APP15查看。

在本实施例中，所述压力传感器9还包括有压力信号调理电路901，并与所述微处理器单元5连接，用于获取当前水体压力值。

在本实施例中，所述微处理器单元5是一种型号为STM32L152的低功耗的微处理器芯片，所述STM32L152芯片内置有A/D转换器，用于替换所述A/D转换单元4。

在本实施例中，所述温度传感器采用型号为DS18B20的单总线数字温度传感器。

在本实施例中，本实用新型通过采用基于LPWA的通讯模组，与GPRS方式相比，信号覆盖更广，通讯连接更加可靠；选用eMTC通讯模组，在传输测量数据的同时，同步传输定位信息，用于确认当前测量传感器是否安装牢固或者被流水冲走移位；结合采用低功耗的微处理器，可以采用电池供电；可以与远程云平台通讯连接，并通过手机APP查看测量数据，相比传统的显示屏更加方便；带有温度传感器和压力传感器，通过温度及压力的采集，可进一步对流速或流量进行补偿计算，测量结果更加准确。

实施例二：

如图4所示，结合图1，作为可选的实施方式之一，所述LPWA通讯单元6可以采用基于窄带物联网通讯的NB-IOT通讯模组替代实施例一中的eMTC通讯模组。

在本实施例中，通过所述NB-IOT通讯模组传输的测量数据不包括有地理位置信息。

在本实施例中，结合图1，所述供电单元7可以采用电池供电，由于测量数据直接通过NB-IOT通讯模组远传至远程云平台14，所述DA输出单元12可以直接取消应用，所述显示单元11也可以选择取消应用。

实施例三：

如图5所示，结合图1，作为可选的实施方式之一，所述LPWA通讯单元6可以采用LoRa通讯模组替代实施例一中的eMTC通讯模组。

在本实施例中，所述超声波多普勒流速仪还需要配备一个LoRa网关使用，所述LoRa网关可以与多个超声波多普勒流速仪联网，所述LoRa网关统一采集汇总各个所述超声波多普勒流速仪的测量速度，定期与远程云平台通讯连接并上传数据。

以上所述仅为本实用新型较佳实施例，只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据此实施，但并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型涵盖范围。