CN103267519B - 一种带无线传输的水文测量系统及测量方法 - Google Patents

一种带无线传输的水文测量系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带无线传输的水文测量系统及测量方法，所述的系统包括：电源、水文测量装置、嵌入在水文测量装置上的信号处理装置和与检测中心通讯的无线传输装置。本发明把信号处理装置和无线传输系统嵌入水文检测装置中，对现场采集的水文数据进行处理，提高了测量的精度和可靠性；同时将现场采集的数据实时传送至检测中心，有效地实现了远程监控。

Description

一种带无线传输的水文测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及水文测量领域，尤其涉及一种带无线传输的水文测量系统及测量方法。
背景技术
研究开发江河湖海，预测自然灾害，水文检测是必不可少的工作。例如，水流仪就是一种常用的水文测量装置。现有的水文测量装置一般是现场采集水文数据，然后通过有线传输发送至水文检测中心，流向测试则采用专用电缆来传输相应的数字信号，这种方式采集的数据受流速的大小影响很大，流速大时需要采用比较粗的电缆，这样挡水面积大，使钢丝绳弧度加大，影响测量水深的精度，从而大大影响整个流量测量的精度。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种带无线传输的水文测量系统及测量方法。
本发明提出的带无线传输的水文测量系统，包括：电源、水文测量装置、嵌入在水文测量装置上的信号处理装置和与检测中心通讯的无线传输装置，所述的信号处理装置包括：
信号放大模块，用于对水文测量装置采集的信号进行放大处理；
信号整形模块，用于将放大的信号进行削波、滤波处理，使其变成幅度基本不变的稳定波形，再用电压比较电路将具有正负幅值的方波变成只有正幅值的方波信号；
光电隔离模块，通过光电耦合器使无线传输装置的主芯片的数字系统与输入信号隔离，提高系统硬件的抗干扰能力。
所述的信号处理装置还可以包括一个信号计数模块，用于对采集的水文信号数据进行计数，并根据单片机内设有的时钟计算出单位时间的相应水文数据。
在一实施例中，所述的信号放大模块由电阻R1、R2、R3、R4和三极管Q1组成，R1、R2、R3组成一个偏置电路，使三极管Q1处于放大状态，采集的信号经放大后，变成具有一定幅值的方波信号，该方波信号的输出端为A2。
所述的光电隔离模块由光敏三极管Q2、光电耦合器VD和电阻R5、R6、R7、R8、R9组成，其中R5、R6是上拉电阻，一端接电源Vc,另一端分别连接光电耦合器VD，R8、R9是光电耦合器VD中光敏三极管Q2基极的偏置电路，光电隔离模块的输入端A4与放大模块的输出端A2连接，当三极管Q1输出端A2一个高电平时，光敏三极管Q2的基极输入一个高电平，此时发光二极管开启发光，通过光的作用，光敏三极管闭合，输出端A5的电平变高。
所述的信号整形模块由三极管Q3、电阻R10、R11和R12组成，光电隔离模块输出端A5直接与信号整形模块输入端A7连接，经三极管Q3再次放大，整形输出到后面单片机的AIN0端口，光电隔离模块的输出端A6和信号整形模块输入端A8相连构成一个负反馈电路，对信号起到整形的作用。
本发明还提出一种带无线传输的水文测量方法，包括下列步骤：
步骤1.采集水文信号数据；
步骤2.对采集的水文信号数据进行放大处理；
步骤3.对采集的水文信号数据进行光电隔离处理；
步骤4.对采集的水文信号数据进行整形处理；
步骤5.对采集的信号进行信号处理计数的步骤。
步骤6.将步骤5处理后的数据通过无线传输装置发送至检测中心。
与现有技术相比，本发明把信号处理装置和无线传输系统嵌入水文检测装置中，对现场采集的水文数据进行处理，提高了测量的精度和可靠性；将现场采集的数据实时传送至检测中心，有效地实现了远程监控；此外，本发明安装容易、结构简单、可以重复使用，并且系统维护方便。
附图说明
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明的电路结构图；
图3是本发明中信号处理装置的电路图；
图4是图2中信号放大模块的电路图；
图5是图2中光电隔离模块的电路图；
图6是图2中信号整形模块的电路图；
图7是本发明的方法流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提出的带无线传输的水文测量系统包括：电源、水文测量装置、嵌入在水文测量装置上的信号处理装置和与检测中心通讯的无线传输装置，所述的信号处理装置包括：
信号放大模块，用于对水文测量装置采集的信号进行放大处理；
信号整形模块，用于将放大的信号进行削波、滤波处理，使其变成幅度基本不变的稳定波形，再用电压比较电路将具有正负幅值的方波变成只有正幅值的方波信号；
光电隔离模块，通过光电耦合器使无线传输装置的主芯片的数字系统与输入信号隔离，提高系统硬件的抗干扰能力；
信号计数模块，用于对水文信号数据进行计数。单片机内设有时钟，该模块根据设定的时钟计算出单位时间发送的水文数据。
图2是本发明的电路结构图。图2中1为信号放大模块，2为光电隔离模块，3为信号整形模块。该实施例中所选用的无线传输装置包含了无线收发芯片nRF9E5、集成增强型微处理器和4个通道的10位ADC（即模拟数字转换器，采样速率为80ksps），内含1.22V电压基准、电源管理、PWM输出、UART异步串口、SPI通讯接口、逻辑接口电路、看门够电路、多通道可编程唤醒，以及CRC检验和多点通信控制，高频电感和滤波器等已经全部内置，外围元件很少，芯片的一致性能好、稳定且不易受干扰。图中选用的芯片充分利用了各器件的低功耗特点，在无线传输装置中使用3.6V锂电池，不仅能延长电池的使用寿命，而且使无线数据传输更加方便灵活。
图3是本发明中信号处理装置的电路图。其中：
　如图4所示，信号放大模块的电路图由电阻R1、R2、R3、R4和三极管Q1组成，R1、R2、R3组成一个偏置电路，使三极管Q1处于放大状态，测量的信号通过A1接入，经信号放大模块对采集的信号进行放大后，将变成具有一定幅值的方波信号，该方波的输出端A2，直接接到下一个光电隔离模块的输入端A4。
如图5所示，光电隔离模块由三极管Q2，光电耦合器VD（由发光二极管和一个光学上耦合的NPN光敏三极管构成）、电阻R5、R6、R7、R8、R9组成，当Q1输出端A2一个高电平时，其中Q1和Q2可以构成两级直接耦合放大电路，将流速仪的干簧管信号经A1后送入由Q1、Q2构成的前置放大器，前置放大器是将微弱的直流电信号放大，由于Q1输出端A2和A4是直接连在一起的，相当于Q2的基极输入一个高电平，通过三极管的放大原理可知，此时Q2的集电极和发射极处于短路状态，相当于开关的闭合状态，也就是说电源都加到光电耦合器VD的发光二极管上面，此时发光二极管开启发光，通过光的作用，光电耦合器VD里面的NPN光敏三极管接收，相当于给光电耦合器中的光敏三极管加一定偏压，便可将VD发射过来的光信号变换为电信号并放大，从而可以很好输入和本专利的主电路隔离起来，起到一个抗干扰和防雷的作用。最后通过A5端口输出到信号整形模块的A7端口。
如图6所示，信号整形模块由三极管Q3、电阻R10、R11和R12组成，光电隔离模块输出端A5直接接到信号整形模块输入端A7，经三极管Q3再次放大，整形输出到后面单片机的AIN0端口。光电隔离模块的输出端A6和信号整形模块输入端A8相连构成一个负反馈电路，对信号起到整形的作用由此可看出，该电路不仅起到了信号级间隔离的作用，还起到放大信号的作用，且信号在进行传输放大时，无损耗，也不会引起流速信号失真，保证测量计算可靠。
信号计数模块由无线传输芯片内置的单片机8051构成。
如图7所示，本发明还提出了带无线传输的水文测量方法，主要包括以下步骤：
步骤1.采集水文信号数据；
步骤2.对采集的水文信号数据进行放大处理；
步骤3.对采集的水文信号数据进行光电隔离处理；
步骤4.对采集的水文信号数据进行整形处理；
步骤5.对采集的信号进行信号处理计数的步骤。
步骤6.将步骤5处理后的数据通过无线传输装置发送至检测中心。在本发明的一个实施例中，水文测量装置是测量水流速的旋桨式流速仪。信号处理装置和无线传输装置嵌入在旋桨式流速仪的前端，粘结在轴套槽中的磁钢上，随桨叶受水流冲击而绕着装在旋桨轴中心的干簧管转动，使干簧管的激励磁场产生周期性的变化，桨叶每旋转一圈，干簧管导通一次，达到接通一次流速采集的操作。
在本发明的另一个实施例中，水文测量装置是旋桨式流向仪，所述的信号处理装置嵌入在旋桨式流速仪双尾翼的中部。该旋桨式流向仪内有一个磁性浮子，漂浮在密封在传感器中的油液中，旋转阻力很小；在地磁场的作用下，磁性浮子的南北极能自动转动，一直定位在地磁北南方向。磁浮子的磁力矩带动一光电码盘转动，使光电码盘的基准线也定位在地磁南北方向；流速流向仪正对流向时，就可以从光电码盘上得到流向的数字量输出。采集无线传输系统将定时自动采集该流向的数字量，经判断是正确，进行现地储存，随流速信号通过流速流向无线传输系统发送出去，从而达到流速流向无线传递的目的。
本发明能使流速传输装置、流向传输装置单独使用，也可以同时使用，能够完成现场采集的信号同时无线传输的任务，并能适应恶劣环境。

Claims (6)

1.一种带无线传输的水文测量系统，其特征在于包括：电源、水文测量装置、嵌入在水文测量装置上的信号处理装置和与检测中心通讯的无线传输装置，所述的信号处理装置包括：
信号放大模块，用于对水文测量装置采集的信号进行放大处理；
光电隔离模块，通过光电耦合器使无线传输装置的主芯片的数字系统与输入信号隔离，提高系统硬件的抗干扰能力；
信号整形模块，用于将放大的信号进行削波、滤波处理，使其变成幅度基本不变的稳定波形，再用电压比较电路将具有正负幅值的方波变成只有正幅值的方波信号；
所述的水文测量装置采用旋桨式流速仪，所述的信号处理装置和所述的无线传输装置嵌入在旋桨式流速仪的前端，并绕着装在旋桨轴中心的干簧管转动；和/或，
所述的水文测量装置采用旋桨式流向仪，所述的信号处理装置嵌入在旋桨式流速仪双尾翼的中部。
2.如权利要求1所述的水文测量系统，其特征在于：所述的信号放大模块由电阻R1、R2、R3、R4和三极管Q1组成，电阻R1、R2、R3组成一个偏置电路，使三极管Q1处于放大状态，采集的信号经放大后，变成具有一定幅值的方波信号，该方波信号的输出端为A2，电阻R4连接在三极管Q1的集电极与电源Vc之间。
3.如权利要求2所述的水文测量系统，其特征在于：所述的光电隔离模块由三极管Q2、光电耦合器VD和电阻R5、R6、R7、R8、R9组成，其中R5、R6是上拉电阻，一端接电源Vc,另一端分别连接光电耦合器VD，电阻R8、R9是连接光电耦合器VD中三极管基极的偏置电路，光电隔离模块的输入端A4与信号放大模块的输出端A2连接，当输出端A2输出一个高电平时，三极管Q2的基极输入一个高电平，此时光电耦合器VD中的发光二极管开启发光，通过光的作用，三极管Q2闭合，输出端A5的电平变高。
4.如权利要求1所述的水文测量系统，其特征在于：所述的信号整形模块由三极管Q3、电阻R10、R11和R12组成，光电隔离模块输出端A5直接与信号整形模块输入端A7连接，经三极管Q3再次放大，整形输出至无线传输装置，光电隔离模块的输出端A6和信号整形模块输入端A8相连构成一个负反馈电路，对信号起到整形的作用；
所述电阻R10连接在三极管Q3的集电极和电源Vc之间，三极管Q3的发射极经电阻R11和电阻R12后接地。
5.如权利要求1所述的水文测量系统，其特征在于：所述的无线传输装置采用nRF9E5芯片。
6.如权利要求5所述的水文测量系统，其特征在于：还包括信号计数模块，该模块由nRF9E5芯片内置的单片机的内部计数器构成，用于对采集的水文信号数据进行计数。
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