一种多功能一体化智慧水文杆的制作方法

1.本发明涉及水文、水质及气象监测技术领域，具体涉及一种多功能一体化智慧水文杆。


背景技术：

2.在网络强国战略和“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水方针的大背景下，随着智慧社会建设快速推进，水利信息化、智慧化需求越来越强烈。以水利信息化驱动水利现代化，建设安全实用、智慧高效的水利信息大系统，构建覆盖江河水系、水利工程、水利管理活动的一体化监测感知体系，推进水利大数据中心建设，全面提升水利大数据分析处理能力和共享服务水平。
3.但申请人经过充分调研分析，目前智慧水利行业还存在如下发展痛点：缺乏一种更便宜、更灵活、更适合大规模布设的水文监测一体化设备。传统水文监测站的建设，由于其建设资金成本、建设时间成本、建成后管理成本以及运维成本的限制，并不适合大面积大批量的建设。然而全面感知对于统筹分析和决策可以起到基础支撑的重要作用，因此，对于全流域乃至全国的全面感知的需求却越来越迫切。虽然传统监测站有其精度高、数据准等优势，但是，仍需要一些新的产品思路来满足全面感知的需求。
4.缺乏用于多种业务场景的一体化设备。在水利业务场景里面，不同的业务部门针对不同的业务应用通常会开发不同的应用系统，各系统都具有数据采集-存储-应用且已形成闭环，导致了数据孤岛现象严重、烟囱系统林立；另外，由于不同系统的承建方不同，即使要通过接口来实现数据的互联互通、互相共享，这其中协商和沟通的成本都比较大，因此也导致了数据很难互相利用；最后，即使在水利部门内部不同业务部门也很难及时掌握他们需求的数据其他部门是否已经采集。例如在河长制业务中，需要对河道漂浮物、垃圾、污染物以及岸边违法建筑进行视频/图像监测预警而水政执法业务也需要对采砂船只、采砂行为进行视频监测预警。因此，在大部分时候，满足其业务的视频摄像头是可以共建共用的，只是两项业务监测的重点不同而已。但是，目前仍然缺少一种同时能满足这两项甚至是多项业务视频监测预警的一体化设备。
5.缺乏一种统一接口标准、统一存储标准的一体化设备。不同厂商的监测设备其接入标准是不同的，不同地市建设的监测设备其存储的标准是不同的。接入标准不同，例如同一个水文监测站点的水位计、流速仪、视频摄像头如果都不是由一家厂商生产的那么它们都拥有自己的客户端来接收采集的数据，虽然最后会转发给同一个平台进行处理、展示、分析，但是其转存的流程比较复杂而且此时的数据并不是源数据；存储标准不同，例如不同地市水务局建设的设备所收集的数据很难汇集到统一的资源池，这不仅仅是因为不同地市缺乏统一收集数据的平台，更是因为存储、调用的标准不统一导致调用这些数据到统一平台数据治理的难度大。如果每个监测站点的设备都是统一采集的，同时，采集的源数据是统一存储在同一资源池的，那么后期对于这些数据的应用就会更加规范、更加全面，也有利于“一数一源”，避免重复建设。
6.缺乏一种拥有智能化监测的一体化设备。边缘-中心协同处理分析是一种有效的降低中心计算压力、减缓网络传输负载的机制。监测设备采集的数据在边缘侧通过边缘计算模块进行初步分析、处理，压缩整理后，再将结果传至中心侧进一步分析、处理和展示。
7.以上所述的这些问题随着水利信息化的不断发展日益突显，严重影响了水利信息化整体效益的发挥。因此，需要探索研制一套创新型的一体化监测设备助力“数字”水利向“智慧”水利的转变。


技术实现要素：

8.为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种多功能一体化智慧水文杆，能够集成对水文、水质及气象实时监测，具有视频智能分析及边缘计算能力；成本低，使用灵活，适合大规模布设满足智能化一体监测的要求。
9.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多功能一体化智慧水文杆，包括立柱、横杆及水体采样装置，所述立柱底部固定在河堤表面设置的混凝土基础中，横杆固定在靠近立柱顶部处，水体采样装置设置在河流中；所述立柱自下而上依次设有水泵、集控箱、扬声器及避雷针；所述横杆自左至右依次设有液位流速传感器、ai摄像头、通讯天线、警示灯及组合气象传感器；水体采样装置包括固定于河流基础中的滑竿，所述滑竿朝向水面依次设有下限位器、采水浮筒及上限位器，所述采水浮筒一端连接有来自立杆底部的进水管，靠近进水管设有来自立杆底部的排水管；所述水泵分别与进水管和排水管连接；所述进水管与采水浮筒连接处底部设有防异物滤网；所述水泵、扬声器、液位流速传感器、ai摄像头、通讯天线、警示灯及组合气象传感器均与集控箱连接。
10.进一步地，所述集控箱顶部设有散热风扇，所述集控箱内部分别设有集抄控制器和流通池，所述流通池内部固定有集成化水质传感器，外部设有液位传感器，所述流通池下方分别连接有上水管路和下水管路，所述上水管路上设有进水电动阀，下水管路上设有排水电动阀，且该上水管路伸出集控箱外部通过进水口与进水管连接，下水管路伸出集控箱外部通过排水口与排水管连接。
11.所述集控箱内部还设有供电组件，所述供电组件包括与外部供电线连接的电闸和与电闸连接的开关电源，通过开关电源为各部件提供不同的电压。
12.所述集控箱内部还设置有温湿度传感器，所述温湿度传感器、散热风扇、进水电动阀及排水电动阀均与集抄控制器连接。
13.所述组合气象传感器由翻斗式雨量传感器、超声波风速风向传感器、温湿度传感器及大气压传感器组合而成，满足对降雨、风速风向、温湿度及气压的参数感应要求。
14.所述流通池采用有机玻璃、塑料或金属材料制成。
15.所述集成化水质传感器探头浸没在流通池液位以下。
16.本发明在工作时具有三种工作模式，即待机状态、抽水工作模式、清洗排污模式三种；一般而言，所有传感器的工作查询间隔可以设定1秒~24小时不等；常规情况下，水文和气象传感器设定工作间隔为1分钟，因为水质采样所需水泵能耗较高，其水质采样间隔设定
为1~2小时，每次工作3~5分钟。
17.在待机状态时，除了必要的电源管理工作外，其他取样及测量装置均处于待机状态，以尽量降低系统功耗，以延长系统的工作时长。
18.在抽水工作模式时，工作过程如下：集抄控制器401发布指令，液位流速传感器201、组合气象传感器205依照既定时间间隔采集数据，并将读取回来的要素数据进行存储、判别和转发，对于水质的取样测试是控制的主要工作。在水样测量时，首先根据液位传感器414判断水位是否正常，若正常则开启水泵104、电磁阀409，开始进行残留水体的更换工作，根据管路长短不同，采样系统设定换水时间如3分钟以确保所有残水被更换完毕后，连续工作3分钟左右后，开启集成化水质传感器410，开始测试基本的五参数及其他要素，测试数据发集抄控制器判断处理；然后采样系统进入休眠状态以节约能耗；若系统不能正常开启则进入远程人工检修模式，判断问题原因并进行远程操作。
19.在清洗排污模式，水泵104改变功率以调整进水口405流速及压力，以变化的水流冲击上水管路404及流通池402内部发附着物，在辅助毛刷的作用下，清理管路内部的异物，确保集成化水质传感器410中各探头的清洁。
20.针对传统站位观测建设成本高，维护成本高，不便于大规模部署的问题，本发明通过以“智慧水文杆”代替传统水文站的建设，节省人力、资金成本，适合大规模部署。具体的，为了满足不同场景的需求，便于用户布设安装，本发明通过设置在立杆上设置水泵、集控箱、扬声器及避雷针，在横杆上设置液位流速传感器201、ai摄像头202、通讯天线203、警示灯204及组合气象传感器205，另外在河流中设置水体采样装置满足大规模布设满足智能化一体监测的要求。
21.人类70%的信息通过眼睛获取，作为系统的眼睛，在智慧水文杆上设置摄像监控设备有利于水利部门实时掌握现场情况；有利于异常水文信息与现场画面情况的综合研判；有利于异常监控信息的及时上报和处理；有利于水利资产的保护。与此同时，还需要选择合适的视频监控设备并将其功能与边缘计算终端相结合。为了满足河长制对垃圾漂浮物等河面监测需求，面对但流域上千千米的距离，如果全部到靠人工去巡视或人工监视视频画面去发现问题都是不现实的，需要研制一种能够自动检测、识别和预警河道漂浮物、垃圾、采砂船、以及岸边违章建筑的一体化智能设备。本发明完全可以满足这一要求。
22.本发明的有益效果是：应用成本低，以立杆和横杆代替建站的整体设计方案，单个测量杆的测量要素包含气象、水文、水质以及视频等，系统在太阳能或者风能供电下可以做到能源自给和长期无人值守，综合应用成本低。
23.建设成本低，单杆占地面积小，系统只需要在现场建设立柱基础，不需要征地等，综合建设工期短、成本低。
24.能耗低，智慧水文杆中包含供电组件，通过开关电源为各部件提供不同的电压，而且所有部件能够实现间歇性工作，平均功耗低；系统中功耗最大的水体采样装置中，管路采用密封设计，水泵工作时只需要低功率自吸泵克服管路水流的延程阻力，综合功耗低。
25.通信带宽要求低，智慧水文杆包含边缘计算模块，可以本地处理包含视频处理的各类数据信息，大幅减轻通信压力。
26.系统可靠性高，智慧水文杆中包含避雷针，水泵及其他杆体外设施均安全防护，具
备一定的防偷盗或破坏功能。
27.系统功能多，智慧水文杆包含扬声器、警示灯等本地警示模组，提高杆体对周边的警示效果，防范意外事件发生。
28.本发明可以布置多个不同的应用场景，如河道、水库及泄洪区、湿地公园、水渠等。
附图说明
29.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明的结构示意图。
31.图2为本发明中所述集控箱的结构示意图。
32.图3为本发明中所述水体采集装置的另一实现方式示意图。
33.图4为本发明的工作流程示意图。
34.附图1-4中，100、立杆，101、集控箱，102、集控箱支架，103、扬声器，104、水泵，105、混凝土基础，200、横杆，201、液位流速传感器，202、ai摄像头，204、警示灯，205、组合气象传感器，206、避雷针，300、水体采样装置，301、采水浮筒，302、进水管，303、排水管，304、下限位器，305、上限位器，306、滑竿，307、防异物滤网，308、单向阀，401、集抄控制器，402、流通池，403、下水管路，404、上水管路，405、进水口，406、排水口，407、背板，408、管件固定托架，409、进水电动阀，411、电闸，412、开关电源，413、温湿度传感器，414、液位传感器，415、水管固定器，416、外部供电线，417、散热风扇，418、排水电动阀。
具体实施方式
35.为了使本领域的技术人员更好地理解本技术实施例中的技术方案，下面将结合附图对本技术实施例作进一步的详细介绍。
36.附图1是本发明的一种实施例，公开了一种多功能一体化智慧水文杆，包括立柱100、横杆200及水体采样装置300，所述立柱100底部固定在河堤表面设置的混凝土基础105中，横杆200固定在靠近立柱100顶部处，水体采样装置300设置在河流中；所述立柱100自下而上依次设有水泵104、集控箱101、扬声器103及避雷针206；立柱100内部有电线和与水泵104连接的上下水管，在立柱100相应的位置开启窗口以方便管线的进出，以便于连接扬声器103和集控箱101；其中集控箱101是本智慧水文杆的核心部分，里面包含电源管理、设备管理、通信、控制、显示等功能模块。
37.所述横杆200包含一段或者多段，根据工程现场情况确定，横杆上以合适的长度自左至右依次设有液位流速传感器201、ai摄像头202、通讯天线203、警示灯204及包含降雨、风速风向、温湿度、气压等一个或者多个的组合气象传感器205。
38.水体采样装置300分两种形式，即浮体方式和下潜方式。在浮体方式取水中，采水浮筒301在浮力作用下随着水面在滑竿306上下移动，取水口的防异物滤网307设计加工距离浮筒的高度为50cm，以确保采水口始终在水面以下50cm的地方，且浮筒301限定在上限位器305和下限位器304之间，以确保采水口的防异物滤网307不触底。
39.如附图3所示，在下潜的采水方式中，采水口的防异物滤网307被固定在水底采样
装置300的基础上，始终抽取固定位置的水样，以确保船只或其他水面活动不会干扰甚至破坏采样装置；工作时，将水体从河道中经过防异物滤网307和单向阀308抽出并延管路送至集控箱101内的流通池402。
40.参看附图2所示，集控箱101内包含集抄模块、控制模块、边缘计算模块、通信模块等，控制模块依照程序对各传感器、阀门、泵、风扇等进行指令操作，测量并读取数据，并在集抄模块进行数据采集、协议转换和数据清洗；而后数据传输至边缘计算模块，对包含视频信息在内的数据流进行现场研判，过滤大量无用信息，保留少量异常信息，并将异常监控信息、异常水文信息和监控画面、异常气象信息和监控画面上报至智慧水利系统，是在智慧水文杆上的核心所在。
41.所述集控箱101内部分别设有集抄控制器401和流通池402，集抄控制器401内部包含控制板、交互式显示器、通信模组等功能，401采用完全密封的方式，防止潮气侵入内部降低系统可靠性；集控箱101内的集成化水质传感器410固定在流通池402中，流通池402的材质可以是有机玻璃或者塑料，或者其他金属材料；水质传感器410的探头都浸没在流通池的液位以下，确保其能测试到样品，并能在非工作时段使得探头浸泡在水中，防止传感器探头被氧化；流通池402下面水路部分由进水电动阀418、排水电动阀409和各种管接件组成，并构成了流通池402的上水管路404和下水管路403，并在集控箱101的外部留下进水口405和排水口406通过软管延伸至水下采样装置300处；集控箱101内供电部分由与外部供电线416连接的电闸411和开关电源412组成，电源部分包含空气开关、防雷击模块、漏电保护器等电气安全部件或模块，开关电源为智慧水文杆的其他组件提供不同的电压，如12v、5v等，并通过电线与上述用电器相连，确保供电安全；集控箱101中设置的温湿度传感器413、散热风扇417均通过电线与集抄控制器401相连，为集控箱提供温度测量和辅助散热功能；集控箱内的数据采集和控制处理部分通过电线同横杆200上的液位流速传感器201、at摄像头202、警示灯204、组合气象传感器205相连，用来发布指令和采集数据。
42.在集控箱101中，集抄控制器401控制各传感器工作的流程，即控制相关带动阀门如403和409以及水泵104工作，将水体从河道中经过防异物滤网307和单向阀308抽出并延管路送至集控箱101内的流通池402（下潜模式下），水体采样装置300排空原有残留水样并用新鲜水样置换原有水样，供集成化水质传感器模组410测试水质参数，包含温度、ph、溶解氧、浊度、电导率五参数及其他选配传感器，如氨氮、叶绿素、总氮等。
43.液位流速传感器201，采用电磁波相干测距和多普勒频移方法测量液位和流速，实现非接触测量，精度高，受环境干扰小，数据可靠；ai摄像头202基于云ai 人工智能服务，为项目提供视频智能分析能力，人工智能服务将ai 和大数据技术应用到水务的生产系统中。在河道监管业务中，基于深度学习服务在图像、视频的特征提取和识别的强大能力，针对水库钓鱼、抛投垃圾、垃圾漂浮等场景进行识别和分析。在识别到如上场景后，及时进行预警反馈，从而大幅度提升河道监管的工作效率，帮助水利管理实现生产自动化和效率提升，降低人工识别和人工巡查的工作量，提升河长制智能化水平。
44.组合气象传感器205采用组合型模块，含翻斗式雨量传感器、超声波风速风向传感器、温湿度传感器以及大气压传感器6个基本气象要素，涵盖大多数场景的应用需求；在个别高精度测量场景，可选用风杯式风速风向传感器，以提高测量范围和测试精度。
45.集成化水质传感器410采用集成化水质测量模块，具有体积小、功率低的优势，通过水体采样装置间隔取样置换流通池原有水体，实现集约化测试常规五参数以及其他选配参数。
46.集控箱内的温湿度传感器413和散热风扇417 自动调节箱内问题，一旦箱内温度过高自动开启风扇进行散热。
47.集控箱不仅带有有线端口也会挂载无限通信模块，支持2/3/4/5g,同时，也能支持北斗通信，实现在极端工况下的确保核心水文资料可以通过北斗系统进行信息上报的能力。
48.本发明中的ai摄像头通过提前植入算法，可以对现场进行研判，过滤大量无用信息，保留少量异常信息，并将异常监控信息、异常水文信息和监控画面、异常气象信息和监控画面上报至智慧水利系统。
49.为了满足对水体水样的采集，本技术中设计低功耗的采样系统，整个采样系统采用全密封结构，水泵从河面水体往流通池抽取水样，只需要提供水体流动的摩擦动力即可，可以实现低功耗，满足太阳能等低功耗供电能源的场景。
50.为了满足设备的供电，水文杆有市电和自发电两个供电系统，在没有市电的情况下，上部安装的太阳能电池板或风力发电机给杆体蓄电池提供必要的电力补给，确保在停电情况下仍然可以持续运行。
51.通信系统可以为有线和无线系统。在不方便建设有线通信的地方，为了满足在极端情况下的通信，除了常规的4g、5g通信外，还有北斗通信系统、lora通信系统等不需要基站的无线通信方式，提高通信系统适应恶劣天气的能力。
52.附图1中展示了水体采样装置为浮体方式，采用浮筒式工作模式，此法可设定采水口的深度，浮球跟随水面上下移动确保采样准确合理，满足环保行业取样的规范要求，附图3展示了水体采样装置为下潜方式，此法将采水口固定在水体采样装置上，将水体从河道中经过防异物滤网和单向阀抽出并延进水管管路送至集控箱的流通池中。该方案始终抽取固定位置的水样，以确保船只或其他水面活动不会干扰甚至破坏采样装置。
53.附图4展示了本发明在工作时具有三种工作模式，即待机状态、抽水工作模式、清洗排污模式三种；一般而言，所有传感器的工作查询间隔可以设定1秒~24小时不等；常规情况下，水文和气象传感器设定工作间隔为1分钟，因为水质采样所需水泵能耗较高，其水质采样间隔设定为1~2小时，每次工作3~5分钟。
54.在待机状态时，除了必要的电源管理工作外，其他取样及测量装置均处于待机状态，以尽量降低系统功耗，以延长系统的工作时长。
55.在抽水工作模式时，工作过程如下：集抄控制器401发布指令，液位流速传感器201、组合气象传感器205依照既定时间间隔采集数据，并将读取回来的要素数据进行存储、判别和转发，对于水质的取样测试是控制的主要工作；在水样测量时，首先根据液位传感器414判断水位是否正常，若正常则开启水泵104、进水电动阀409，开始进行残留水体的更换工作，根据管路长短不同，采样系统设定换水时间如3分钟以确保所有残水被更换完毕后，连续工作3分钟左右后，开启集成化水质传感器410，开始测试基本的五参数及其他要素，测试数据发集抄控制器401判断处理；然后水体采样装置进入休眠状态以节约能耗；若系统不能正常开启则进入远程人工检修模式，判断问题原因并进行远程操作。
56.在清洗排污模式，水泵104改变功率以调整进水口405流速及压力，以变化的水流冲击上水管路404及流通池402内部发附着物，在辅助毛刷的作用下，清理管路内部的异物，确保集成化水质传感器410中各探头的清洁。
57.以上通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。