CN104897245A - 基于Zigbee的多点采集自校正水位检测仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于Zigbee的多点采集自校正水位检测仪及检测方法，包括一个MCU控制单元和三个数据采集单元；所述的MCU控制单元包括第一电源、第一单片机最小系统、时钟模块、警戒水位设置模块、液晶显示模块、报警模块、第一Zigbee模块和第一主控芯片；本发明克服了现有技术的不足之处，稳定性好，准确性高，设备简单、具有预报预警功能，经济实用。

Description

基于Zigbee的多点采集自校正水位检测仪及测量方法

技术领域

本发明属于水位测量领域，具体涉及一种基于Zigbee的多点采集自校正水位检测仪。

背景技术

我国水资源总量丰富，但人均占有量匮乏，是联合国认定的“水资源紧缺”国家，且水资源分布严重不均。为了能够合理有效地利用现有水资源，积极有效地推动水利信息化建设成为当前刻不容缓的任务。水文信息的自动采集、存储、处理是水利信息化的基础，水位信息作为水库蓄水、大坝安全、水利排灌调度、泄洪的重要参数之一，成为水利信息化建设中不可或缺的因素。基于这种情况需要设计一个安全稳定，测量技术精确，适用范围广泛，无线传输的仪器来完成这个任务。

近年来，科技工作者在水位测量方面做了大量的工作，探讨了多种接触式和非接触式测量方法，诸如接触式的压力式、浮子式，非接触式的超声波式、光学式、雷达式等。这些测量方法各有优缺点，比如浮子式的结构比较简单,但水流较大时准确度较低；压力式大都是投入型,测量环境要求较高；雷达式测量精度高，但价格昂贵；超声波式是比较理想的水位测量的设备,测量精度较高，但其结果也会受到温度湿度等环境因素的影响。且这些水位仪大多为手持式，人工记录结果，无法适应目前的水利信息化建设；目前已研发出具有自动存储传输的水位仪，但均未有线传输，且由于传输过程的不同干扰以及电子器件的易损性，导致输出出错率和漏报率较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于Zigbee的多点采集自校正水位检测仪，克服了现有技术的不足之处，稳定性好，准确性高，设备简单、具有预报预警功能，经济实用。

本发明采用的技术方案为：一种基于Zigbee的多点采集自校正水位检测仪，包括一个MCU控制单元和三个数据采集单元；所述的MCU控制单元包括第一电源、第一单片机最小系统、时钟模块、警戒水位设置模块、液晶显示模块、报警模块、第一Zigbee模块和第一主控芯片；所述的数据采集单元包括第二电源、第二单片机最小系统、水位传感器、温湿度采集模块、第二Zigbee模块和第二主控芯片；数据采集单元通过水位传感器和温湿度采集模块将获取的实时水位和温湿度数据发送到单片机最小系统中进行数据处理，由第二Zigbee模块传送至MCU控制单元；MCU控制单元对接收的数据进行分析、处理、显示，并将最终数据发送至服务器。

进一步，所述的MCU控制单元中的第一主控芯片采用STC89C55单片机，数据采集单元中的第二主控芯片采用STC89C51单片机。

进一步，所述的温湿度传感器的型号为SHT11。

进一步，所述的水位传感器为超声波传感器。

本发明还包括一种基于Zigbee的多点采集自校正水位自动测量方法，包括如下步骤：

S1，通过水位传感器和温湿度传感器对水位信息进行测量；

S2，将得到的水位和温湿度值进行自动校正得到多点水位值；

S3，三个数据采集单元将各点水位值数据发送至MCU控制单元；

S4，MCU控制单元将得到的多点水位值使用数据融合的方法得到最终的水位值。

S5，将最终水位值发送至服务器。

进一步，所述温湿度传感器测量过程如下：

第二单片机最小系统控制温湿度传感器采集温湿度信号，温湿度传感器为串行数据输出，第二单片机最小系统根据其数据格式将串行数据转换为对应的温度值和湿度值；由温湿度值对声速值进行修正，计算公式如下所示：

V＝V₀+k₁T+k₂RH％

其中V₀＝331.5m/s，为零度干燥环境下的声速；T为测的温度值；RH％为测得的湿度值；k₁,k₂分别为温度值和湿度值偏斜率系数，可通过测量标定而得到。

进一步，所述超声波传感器测量过程如下：

当第二单片机最小系统控制超声波发射器发出超声波信号时，第二单片机最小系统同时触发内部定时器，开始计时；当超声波接受器接收到反射波时，关闭定时器；根据定时器记录的时间间隔即可得到水位值，计算公式如下所示：

$H=\frac{1}{2}{T}_{0}V$

其中T₀为定时器的计时结果；V为超声波的修正后的波速。

进一步，所述的MCU控制单元接收三组数据，需要通过数据融合的方法对数据进行简单处理，其处理过程如下：

S1，获取三组数据的平均值，计算公式如下：

$\stackrel{\‾}{H}=\frac{1}{3}(H_1+H_2+H_3)$

其中，为水位平均值，H₁、H₂、H₃分别为获取的三个水位值。

S2，剔除异常值，具体判断过程如下：如果则舍弃H₁；同理，如果则舍弃H₂；如果则舍弃H₃。

S3，重新计算平均值，即将未舍弃的数据计算平均值；若所有数据均在第二步中舍弃，则此组数据全部舍弃。

本发明产生的有益效果为：

1、本发明考虑电子器件的易损性和数据传输的出错率，采用多点采集，自组网实现数据的自我校正，不仅具有较高的精确度、实时性，且能够实现数据的自动存储和传输。

2、本发明具有较高的实时性，数据采集单元按照1次/分钟的采样频率将数据自动发送至MCU控制单元。

3、本发明具有较高的精确度，通过采集的温湿度值对声波波速进行自动修正，使最终结果的精确度较高。

4、本发明具有较好的交互性，不仅能够在显示器上动态实时的显示水位，以及周围的温湿度信息，还可以设置水位的警戒值并实现自动报警。

5、本发明适合测量水库、渠道等开放性场合的水位，产品便于维护及技术升级，而不用对硬件及软件做出太大的修改，降低了维护升级的成本。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的MCU控制单元的结构示意图；

图3为本发明的数据采集单元的结构示意图；

图4为本发明中电源模块的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明中的多采集自校正水位监测系统包括一个MCU控制单元1和三个数据采集单元2，各单元中均含有Zigbee模块，实现数据的自动传输。如图2所示，MCU控制单元包括第一电源4、第一单片机最小系统5、警戒水位设置模块7、液晶显示模块8、报警模块9、时钟模块6、第一主控芯片3和第一Zigbee模块10，第一主控芯片3分别与各个模块连接。如图3所示，数据采集单元2包括第二电源12、第二单片机最小系统13、水位传感器14、温湿度采集模块15、第二主控芯片11和第二Zigbee模块16，其中的各个模块均与第二主控芯片11相连。数据采集单元2的水位传感器14采用超声波传感器，温湿度传感器15采用SHT11数字温度传感器。

在MCU控制单元1中，第一主控芯片3采用STC89C55芯片，第一单片机最小系统5包括晶振电路和复位电路，液晶显示模块8采用LCD12864液晶显示器，时钟模块6采用DS1302，警戒水位设置通过按键调整，报警模块9采用声光报警。第一Zigbee模块10采用F8913嵌入式Zigbee模块，它是一种工业级芯片，适合于户外使用。

在数据采集模块2中，第二主控芯片11采用STC89C51芯片，第二单片机最小系统13包括晶振电路和复位电路，第二Zigbee模块16采用F8913嵌入式Zigbee模块。超声波传感器采用KS103模块，它是一种高性价比的超声波传感器，长期稳定性好，超高精度，超高灵敏度，并且带有温度补偿，测距最大可达8m，盲区最小1cm，测量精度最高可达1mm。超声波传感器能够自动数字量输出，根据不同测量指令直接输出毫米级距离值或微秒级时间值传送给第二主控芯片11，最后通过液晶显示模块8显示出准确的位移值和计时时间，达到对水位的精确测量。温湿度采集模块15采用SHT11温湿度传感器，它是一种性价比较高的工业级数字温湿度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。

如图4所示，MCU主控单元1和数据采集单元2中的第一和第二电源模块主要包括电源变压器TR1、整流电路BR1、滤波电路U1和电容C1和C2组成的稳压电路，用变压器把220V/50Hz的市网交流电压降压，得到5V的直流电压，因为还有交流成分存在，在经过整流使它变为单相直流电压，在经过滤波电路滤掉交流成分，由于出来的电压不稳定，还要再加一个稳压电路，最后输出所需的电压值。

在采用该装置进行水位测量时，采用如下方法：

首先，检测仪通过水位传感器和温湿度传感器对水位信息进行测量；

温湿度传感器测量过程如下：

第二单片机最小系统13控制温湿度传感器采集温湿度信号，温湿度传感器为串行数据输出，第二单片机最小系统13根据其数据格式将串行数据转换为对应的温度值和湿度值；由温湿度值对声速值进行修正，计算公式如下所示：

V＝V₀+k₁T+k₂RH％

其中V₀＝331.5m/s，为零度干燥环境下的声速；T为测的温度值；RH％为测得的湿度值；k₁,k₂分别为温度值和湿度值偏斜率系数，可通过测量标定而得到。

超声波传感器同时采集水位信息，超声波传感器测量过程如下：

当第二单片机最小系统13控制超声波发射器发出超声波信号时，第二单片机最小系统13同时触发内部定时器，开始计时；当超声波接受器接收到反射波时，关闭定时器。根据定时器记录的时间间隔即可得到水位值，计算公式如下所示：

$H=\frac{1}{2}{T}_{0}V$

其中T₀为定时器的计时结果；V为超声波的修正后的波速。

随后检测仪将收集到的水位信息和温室度数据进行自动数据校正，数据校正时采用的计算公式如下所示：

V＝V₀+k₁T+k₂RH％

在数据校正后，三个数据采集单元3将校正后的数据发送至MCU控制单元1，MCU控制单元1将得到的多点水位值使用数据融合的方法得到最终的水位值，其处理过程如下：

第一步，获取三组数据的平均值，计算公式如下：

$\stackrel{\‾}{H}=\frac{1}{3}(H_1+H_2+H_3)$

其中，为水位平均值，H₁、H₂、H₃分别为获取的三个水位值。

第二步，剔除异常值，具体判断过程如下：如果则舍弃H₁；同理，如果则舍弃H₂；如果则舍弃H₃。

第三步，重新计算平均值，即将未舍弃的数据计算平均值；若所有数据均在第二步中舍弃，则此组数据全部舍弃。

数据融合后，将最终水位值发送至服务器。

Claims (8)

1.一种基于Zigbee的多点采集自校正水位检测仪，包括一个MCU控制单元和三个数据采集单元；所述的MCU控制单元包括第一电源、第一单片机最小系统、时钟模块、警戒水位设置模块、液晶显示模块、报警模块、第一Zigbee模块和第一主控芯片；所述的数据采集单元包括第二电源、第二单片机最小系统、水位传感器、温湿度采集模块、第二Zigbee模块和第二主控芯片；数据采集单元通过水位传感器和温湿度采集模块将获取的实时水位和温湿度数据发送到单片机最小系统中进行数据处理，由第二Zigbee模块传送至MCU控制单元；MCU控制单元对接收的数据进行分析、处理、显示，并将最终数据发送至服务器。

2.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee的多点采集自校正水位检测仪，其特征在于：所述的MCU控制单元中的第一主控芯片采用STC89C55单片机，数据采集单元中的第二主控芯片采用STC89C51单片机。

3.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee的多点采集自校正水位检测仪，其特征在于：所述的温湿度传感器的型号为SHT11。

4.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee的多点采集自校正水位检测仪，其特征在于：所述的水位传感器为超声波传感器。

5.本发明还包括一种基于Zigbee的多点采集自校正水位自动测量方法，包括如下步骤：

S1，通过水位传感器和温湿度传感器对水位信息进行测量；

S2，将得到的水位和温湿度值进行自动校正得到多点水位值；

S3，三个数据采集单元将多点水位值数据发送至MCU控制单元；

S4，MCU控制单元将得到的多点水位值使用数据融合的方法得到最终的水位值。

S5，将最终水位值发送至服务器。

6.根据权利要求5所述的一种基于Zigbee的多点采集自校正水位自动测量方法，其特征在于：所述温湿度传感器测量过程如下：

第二单片机最小系统控制温湿度传感器采集温湿度信号，温湿度传感器为串行数据输出，第二单片机最小系统根据其数据格式将串行数据转换为对应的温度值和湿度值；由温湿度值对声速值进行修正，计算公式如下所示：

V＝V₀+k₁T+k₂RH％

其中V₀＝331.5m/s，为零度干燥环境下的声速；T为测的温度值；RH％为测得的湿度值；k₁,k₂分别为温度值和湿度值偏斜率系数，可通过测量标定而得到。

7.根据权利要求5所述的一种基于Zigbee的多点采集自校正水位自动测量方法，其特征在于：所述超声波传感器测量过程如下：

当第二单片机最小系统控制超声波发射器发出超声波信号时，第二单片机最小系统同时触发内部定时器，开始计时；当超声波接受器接收到反射波时，关闭定时器；根据定时器记录的时间间隔即可得到水位值，计算公式如下所示：

$H=\frac{1}{2}{T}_{0}V$

其中T₀为定时器的计时结果；V为超声波的修正后的波速。

8.根据权利要求5所述的一种基于Zigbee的多点采集自校正水位自动测量方法，其特征在于：所述的MCU控制单元接收三组数据，需要通过数据融合的方法对数据进行简单处理，其处理过程如下：

S1，获取三组数据的平均值，计算公式如下：

$\stackrel{\‾}{H}=\frac{1}{3}(H_1+H_2+H_3)$

其中，为水位平均值，H₁、H₂、H₃分别为获取的三个水位值。

S2，剔除异常值，具体判断过程如下：如果则舍弃H₁；同理，如果则舍弃H₂；如果则舍弃H₃。

S3，重新计算平均值，即将未舍弃的数据计算平均值；若所有数据均在第二步中舍弃，则此组数据全部舍弃。