CN101520939A - 节能型大坝无线式监测系统及节能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及节能型大坝无线式监测系统及其节能控制方法，系统的监测点模块包括：太阳能的供电模块；用于监测测压管内现场数据的数据采集单元；第一电源开关电路，用于切断或导通数据采集单元的工作电源；中央处理单元，与数据采集单元连接，用于接收和处理所述现场数据；下通讯模块，与中央处理单元连接，用于以GPRS或GSM方式与远方监测站中心通讯；第二电源开关电路，用于切断或导通所述下通讯模块的工作电源。本发明通过太阳能供电、使用GPRS或GSM的通讯方式，无需市电供电、实时监测性能高、抗干扰能力好及投资小；通过设置电源开关电路并集成控制方法，可以根据现场情形具体控制各功能器件的工作方式，显著降低了本系统的功耗。

Description

节能型大坝无线式监测系统及节能控制方法

技术领域

本发明涉及一种监测系统，特别涉及一种节能型大坝无线式监测系统及该系统的节能控制方法。

背景技术

我国江河众多，江河大坝的安全与否关系十分重大，而影响大坝安全分析的重要依据——大坝浸润线数据能否稳定可靠的测量和实时掌握就显得十分迫切。

大坝浸润线数据是通过这样的方法得到：在大坝的横截面上每隔一段距离打一个口径很小的井，里面再设置测压管，然后测量测压管内的实际浸润线数据。目前，许多大坝的实际浸润线数据是依靠传统数据电台传输监测技术来获取，虽然是自动收集数据，但是是通过市电供电、以电磁波作为传输方式，就造成抗干扰能力及实时监测性能不好，且需要安装电缆线，使得安装成本高、周期长；有些大坝的实际浸润线数据是依靠传统有线传输监测技术来获取，但易引起共模干扰、耗电量高且也需要市电供电。此外，现有的监测点的通讯模块和传感器为不间断工作，由于其工作电流较大，使得监测点端能耗高，这样使得供电问题更加严峻。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种节能型大坝无线式监测系统，无需市电供电、实时监测性能高、抗干扰能力好及投资小，并且有效地降低功耗。

本发明的另一个目的是提供一种节能型大坝无线式监测系统的节能控制方法，能使该系统的工作功耗大大降低。

上述目的通过以下技术方案实现：

一种节能型大坝无线式监测系统，包括至少一用于采集现场数据的监测点模块及和监测点模块通讯连接的远方监测站中心，其特征在于，监测点模块包括：供电模块，为监测点模块供电，包括顺序连接的太阳能板、充电控制电路及蓄电电池；数据采集单元，用于监测测压管内的现场数据；中央处理单元，与所述数据采集单元连接，用于接收和处理所述数据；第一电源开关电路，用于切断或导通所述采集单元的工作电源；下通讯模块，与所述中央处理单元连接，用于以GPRS或GSM方式与远方监测站中心通讯；第二电源开关电路，用于切断或导通所述下通讯模块的工作电源。

为了使得上述节能型大坝无线式监测系统功能更加完善，该系统进而包括与中央处理单元连接的传感器清理组件、水位报警组件、监测数据存储器、按键模块、液晶显示模块；此外还设置有与所述监测点模块通讯连接用于更改现场监测参数的终端设置装置、及与中央处理单元连接的用于和所述终端设置装置通讯配合的本地通讯模块。

一种基于上述节能型大坝无线式监测系统的节能控制方法，包括如下步骤：

(1)通过对中央处理单元的软件编程，使得系统集成有应对不同现场情形的全速工作模式及至少一种节能工作模式；

(2)利用数据采集单元获取监测测压管内的现场数据；

(3)通过中央处理单元分析处理所述现场数据，判断当前现场情形，根据判断得知的现场情形选择相应的工作模式，并输出该模式控制信号；

(4)利用输出的控制信号控制数据采集单元、下通讯模块、传感器清理组件、水位报警组件、液晶显示模块的启闭及具体工作方式。

本发明通过太阳能供电、使用GPRS或GSM的通讯方式，无需市电供电、实时监测性能高、抗干扰能力好及投资小；通过增设第一电源开关电路及第二电源开关电路，便于对数据采集单元及下通讯模块工作电源的管理。使用时，通过不同工作模式的管理，对各功能器件启闭及具体工作方式进行控制，以应对不同现场情形，例如现场情形较佳时就可以切换到节能模式下工作，可以大大降低功耗。

附图说明

图1为本发明的电路结构图；

图2为报警输入电路图；

图3为电源切换电路图；

图4为气泵的气管与传感器的相对位置图；

图5为本发明各个工作方式之间的转换过程的展示图。

具体实施方式

如图1所示，本发明节能型大坝无线式监测系统，包括用于采集现场数据的监测点模块及和监测点模块通讯连接的远方监测站中心，监测点模块具体包括：太阳能板、充电控制电路、蓄电电池、中央处理单元、稳压模块、下通讯模块、第二电源开关电路、本地通讯模块、传感器、通道切换开关、第一电源开关电路、存储器、按键模块、液晶显示模块、继电器、气泵、水浸开关、报警输入电路。其中，太阳能板、充电控制电路、蓄电电池组成供电模块，用于将太阳能转化为电能，为监测点模块供电。供电模块经过稳压模块给监测点模块提供相应、稳定的电压。传感器与通道切换开关顺序连接，组成数据采集单元，其中传感器用于监测测压管内的实际浸润线数据，通道切换开关可以连接用于监测其他数据的监测器件，进而输入给中央处理单元。下通讯模块与中央处理单元连接，用于将处理后的监测数据发送给远方监测站中心。第一电源开关电路和第二电源开关电路在中央处理单元的控制下，分别对数据采集单元和下通讯模块的工作电源进行导通或切断。本地通讯模块可通讯地连接所述终端设置装置与中央处理单元。继电器与气泵配合组成传感器清理组件，用于在中央处理单元控制下定时对传感器进行清洁。所述水浸开关与报警输入电路连接，构成水位报警组件，与中央处理单元连接。存储器与中央处理单元连接，用于缓存监测数据。按键模块、液晶显示模块与中央处理单元连接，提供一个人机界面，用于便于现场查看数据。

本实施例中，远方监测站中心包括用于和所述下通讯模块通讯配合的上通讯模块及与该上通讯模块连接的监听装置。

以下配合具体电路说明本发明的工作原理：

中央处理单元为芯片MSP430F147，稳压模块使用两片COMS稳压芯片RN5RT30A，给监测点模块提供相应、稳定的电压；通道切换开关可由MAX4636多路开关和MAX4581多路开关并联连接构成，用于连接其它监测装置，例如雨量计等，实现多种监测功能，压阻式差分输入信号通过MAX4636多路开关输入给差分仪表放大器AD8221，再经整形后送给中央处理单元的A/D转换模块，多路4～20mA信号通过MAX4581多路开关直接输入给中央处理单元的A/D转换模块；传感器采用美国进口的CCPS32干式陶瓷电容式压力传感器；下通讯模块都采用GR64通讯模块，监测点模块和远方监测站中心之间的通讯方式可为GPRS、GSM；终端设置装置为一设置了相关软件的电脑，本地通讯模块采用RS232接口芯片MAX3221，终端设置装置通过可拆的RS232串口通讯线与本地通讯模块连接，实现本地配置操作；存储器为FM25L256铁电存储器；液晶显示模块采用LCM103显示器，按键模块与中央处理单元为扫描式连接，当有键盘输入时会给中央处理单元一个中断信号，中央处理单元会自动扫描实际输入的键值；供电模块可用锂电池ER26500M组替换。当然，本地通讯模块也可以采用RS485接口芯片，例如MAX3483。

(结合图2)水位报警组件包括报警输入电路和水浸开关，报警输入电路采用电平转换芯片LVC14，接线端子CON3的接口2和接口3分别接水浸开关，水浸开关为水电阻，接线端子CON3的接口1数字接地，接线端子CON3的接口3与电源连接，接线端子CON3的接口2与电平转换芯片LVC14的引脚3之间设有滤波等功能的保护电路，水浸开关装在测压管内的浸润线位置，水浸开关进入水中，使得电平转换芯片LVC14的引脚3为高电平和引脚4为低电平，这样报警输入电路就给中央处理单元一个电平信号，中央处理单元就向远方监测站中心上传报警信息，使得本监测系统除了从传感器中得到大坝的安全信息，也可以从水位报警组件得知测压管中的水位是否超过理论浸润线的位置，这了解对大坝的安全非常重要。

(结合图4)气泵的气管6在传感器5的感应面形成一个环形排气管7，中央处理单元控制继电器定时开启，进而控制气泵对传感器的感应面进行多角度地吹气，保证传感器不会受到水中滋生的微生物、贝壳、藻类等堵塞，达到清洁传感器的目的，从而也达到提高测量精度的目的，也避免了要工作人员定期到现场对传感器清理，清洗对测量精度的影响(在比较受污染的水质中测试)如表一。

表一

如果监测点模块的功耗过大，则需要大体积的太阳能板，况且蓄电电池的蓄电容量受限，为了解决上述问题，本发明选择了各种微功耗器件和可切换进入省电模式的器件，还通过设计电源开关电路来控制一些功耗大的器件的工作，从而使本系统耗电非常低。

(结合图3)本发明设置了第一电源开关电路和第二电源开关电路分别来控制数据采集单元和下通讯模块的工作电源的开闭。电源开关电路采用N沟道XP151A13A0MR和P沟道XP162A11C0PR组成的互补MOSFET的集成电路，具有高速开关特性，电路的接口OUTPUT连接数据采集单元或下通讯模块的电源端口，从而实现本系统使用单一I/O控制管脚很容易动态对数据采集单元和下通讯模块的电源进行动态管理。

表二

 

名称	型号	典型工作电流	省电或掉电电流
				中央处理单元	MSP430F147	1uA	0.3uA
存储器	FM25L256	1uA	1uA
				液晶显示器	LCM103	5uA	0
多路开关	MAX4636	1uA	1uA
				多路开关	MAX4581	1uA	1uA
串口芯片	MAX3221	4mA	2uA
				电平转换芯片	LVC14	1uA	1uA
下通讯模块	GR64	100uA/15mA/120mA	0
				场效应晶体管	XP151A13A0MR	1uA	1uA
场效应晶体管	XP162A11C0PR	1uA	1uA
				仪表放大器	AD8221	700uA	0
传感器	CCPS32	1000uA	0
				稳压器	RN5RT30A	1uA	1uA

参见表二，本系统在最省电的状态下，监测点模块的电流为12uA左右。芯片MSP430F147在进入正常工作后电流不足1uA，仅有程序运行模式电流为0.3uA(外接装置停止工作)。存储器FM25L256为铁电存储器，该器件的静态电流极小最大10uA，通常1uA左右，该器件只有在读取操作是才有10mA的电流，但是由于该器件的读写速度在nS级，加之中央处理单元对存储器的操作任务相对很小，所以存储器和存储器操作基本也不耗电。串口芯片使用感应型芯片MAX3221，当有外界RS232电平接入时，该芯片才开始工作，工作电流在4mA，当外界串口配置设备撤销后，该串口芯片进入省电模式，最大电流才几个uA。电平转换芯片LVC14，该芯片只在电平高低变化瞬间产生电流，静态时亦不产生电流。显示器的电流仅为5uA典型值，当用户不需要显示或查询时，显示器会自动关闭，电流几乎为0。继电器采用零功耗型双稳继电器DS2E-SL2-6V，是一双档继电器，内含双线圈和双稳锁机构，当触点吸合线圈通电，继电器触点吸合，同时触点机构锁定在吸合状态，此时触点吸合线圈可以断电，不再消耗电能，反之依然。

本发明节能型大坝无线式监测系统，安装前先配置监测点模块运行参数，可通过串口线将终端设置装置和本地通讯模块相连，再运行相关的终端设置软件，在相应的设置界面操作可以配置监测点模块的联网参数、测量参数、存储参数、报警参数等；联网参数包括：服务器IP地址、端口号、GSM号、传送周期、错开时间、ID号、系统时间；测量参数包括：采样周期、量程上限、量程下限；存储参数包括：四个时段设置参数、每个时段存储周期；报警参数包括：上限报警门限、下限报警门限、报警延时、快发周期，快发时长。

配置完参数后，先确认定传感器连线长度，然后投入大坝上的测压管内，水浸开关装在测压管内的理论浸润线位置处；安装完成后在服务器注册一下该监测点模块，该监测点模块和远方监测站中心就可以通过下通讯模块和上通讯模块以GPRS或GSM方式通过全球无线网络进行通讯，从而构成一个可以在全球范围内对大坝进行监测的系统。

由上述节能型大坝无线式监测系统的具体方案可知，各功能器件启闭及具体工作方式是可控的，而中央处理单元通常具有强大的数据处理能力，所以，通过对中央处理单元的软件编程，使得系统集成有全速工作模式及至少一种节能工作模式。结合表3，本实施例提供的工作模式包括：“模式0”、“模式1”、“模式2”及“模式3”，其中“模式3”又分为四个节能级别，各功能部分在各模式下的工作状态详见表3。这样，应对不同的现场情形，系统就可以智能地、选择性地工作在不同的模式下。

表三

下面结合图5及表三具体说明工作过程，上电后监测系统进入模式0，该模式下，数据采集单元、中央处理单元、下通讯模块、液晶显示模块都进入实时工作状态，传感器清理组件自动清理一次传感器，该清理过程持续2分钟，该模式下的状态和数据信息会及时上传远方监测站中心，该模式下的状态和数据信息会自动存储在状态信息存储表中，很快监测点模块进入模式1，该模式是一种快速启动数据传输的中间状态，一分钟后根据设定的级别分别进入省电模式3的级别0或级别2，而后很快监测点模块进入模式3的省电级别1或3，此时监测点模块进入最省电的监测状态，在省电模式3下，除数据采集单元定时测量数据外，其余电路都处于省电状态或不耗电状态，对于数据采集单元的采集方式可根据选择的采集间隙不同选择1分钟(级别0或1)和5分钟(级别2或3)，根据采样保持间隙的不同分为10毫秒(级别1或3)和5秒钟(级别0或2)，当选择5分钟的采样间隙和10毫秒的采样保持间隙时(即模式3的级别3)，监测点模块最省电。当出现特别情况，如当前状态信息与存贮在状态表的信息出现不同，比如水位变化大于1厘米、水位报警组件报警、定时间隙内水位变化太快等，监测点模块会快速进入模式0，当在全速工作模式0情形下确认情况属实，监测点模块及时更新存储状态表，并将当前状态信息及时与远方监测中心交换，如需进一步维护，监测点模块进入模式1或继续停留在模式0状态，当危险情况解除或得到远方监测站中心准许，监测点模块恢复到原来的状态。当定时间隙到，监测点模块自动启动模式1或模式2，进入实时通讯和准备通讯状态。当进入监测模式3时，监测点模块的电流极小达12uA的典型值。存储的状态表信息也会在一定的间隙内自动更新部分信息，比如液位信息、电池电压信息、温度信息等。传感器清理组件在每天的固定时刻自动清洗传感器探头一次，清洗持续2分钟。

总结下来，本发明节能型大坝无线式监测系统的节能控制方法，包括如下步骤：

(1)通过对中央处理单元的软件编程，使得系统集成有应对不同现场情形的全速工作模式及至少一种节能工作模式；

(2)利用数据采集单元获取监测测压管内的现场数据；

(3)通过中央处理单元分析处理所述现场数据，判断当前现场情形，根据判断得知的现场情形选择相应的工作模式，并输出该模式控制信号；

(4)利用输出的控制信号控制数据采集单元、下通讯模块、传感器清理组件、水位报警组件、液晶显示模块的启闭及具体工作方式。

按照以上工作模式的转换，在中央处理单元的控制下，传感器分时段地监测测压管内的实际浸润线数据，中央处理单元也可以通过控制通道切换开关选择其他监测装置来监测其他数据，中央处理单元分别将数据以GPRS或GSM方式上传给远方监测站中心、存储在监测点模块的存储器中，便于在天气不好时也能完整地保存数据；工作人员还可以通过按键模块和液晶显示模块进行现场查询数据，当然也可以通过终端设置装置进行现场修改中央处理单元的各种运行参数。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。如节能型大坝无线式监测系统可以有多个监测点模块与同一个远方监测站中心进行信息互换。因此，基于上述实施例的、未做出创造性劳动的简单替换，应当属于本发明揭露的范围。

Claims (8)

1、一种节能型大坝无线式监测系统，包括至少一用于采集现场数据的监测点模块及和监测点模块通讯连接的远方监测站中心，其特征在于，监测点模块包括：

供电模块，为监测点模块供电，包括顺序连接的太阳能板、充电控制电路及蓄电电池；

数据采集单元，用于监测测压管内的现场数据；

第一电源开关电路，用于切断或导通所述数据采集单元的工作电源；

中央处理单元，与所述数据采集单元连接，用于接收和处理所述数据；

下通讯模块，与所述中央处理单元连接，用于以GPRS或GSM方式与远方监测站中心通讯；

第二电源开关电路，用于切断或导通所述下通讯模块的工作电源。

2、根据权利要求1所述的节能型大坝无线式监测系统，其特征在于，所述第一电源开关电路和第二电源开关电路为由N沟道晶体效应管和P沟道晶体效应管组成的互补MOSFET开关。

3、根据权利要求1或2所述的节能型大坝无线式监测系统，其特征在于，所述数据采集单元包括顺接的传感器和通道切换开关。

4、根据权利要求3所述的节能型大坝无线式监测系统，其特征在于，还包括传感器清理组件。

5、根据权利要求4所述的节能型大坝无线式监测系统，其特征在于，还包括水位报警组件。

6、根据权利要求5所述的节能型大坝无线式监测系统，其特征在于，所述监测点模块还包括与中央处理单元连接的监测数据存储器、按键模块、液晶显示模块。

7、根据权利要求6所述的节能型大坝无线式监测系统，其特征在于，还包括与所述监测点模块通讯连接用于更改现场监测参数的终端设置装置、与中央处理单元连接的用于和所述终端设置装置通讯配合的本地通讯模块。

8、一种基于权利要求7所述大坝无线式检测系统的节能控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)通过对中央处理单元的软件编程，使得系统集成有应对不同现场情形的全速工作模式及至少一种节能工作模式；

(2)利用数据采集单元获取监测测压管内的现场数据；

(3)通过中央处理单元分析处理所述现场数据，判断当前现场情形，根据判断得知的现场情形选择相应的工作模式，并输出该模式控制信号；

(4)利用输出的控制信号控制数据采集单元、下通讯模块、传感器清理组件、水位报警组件、液晶显示模块的启闭及具体工作方式。

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