CN106500766A - 一种水库安全在线自动监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水库安全在线自动监测系统，它包括坝体渗流监测装置、水位监测装置、坝体深陷及平移监测装置、无线通信网络和后台管理系统，所述的坝体渗流监测装置、水位监测装置和坝体深陷及平移监测装置分别接入无线通信网络与后台管理系统相连并将现场监测数据发送给后台管理系统，所述后台管理系统根据现场监测数据进行预警判断，如果监测数据达到设定值则向发出预警信息。本发明通过对坝体渗流、水库水位以及坝体深陷及平移进行监测并将监测数据通过实时发送给后台管理系统相连，后台管理系统根据现场监测数据进行预警判断，如果监测数据达到设定值则向发出预警信息，从而实现了对水库的全面安全监测，为以后的水库建设提供实践依据。

Description

一种水库安全在线自动监测系统

技术领域

本发明涉及一种水库监测装置，具体地说是一种水库安全在线自动监测系统。

背景技术

水库大坝是水利工程建设中常见的工程项目，大坝失事时有发生，造成的巨大灾害引起了国际社会的高度重视。大坝的安全稳定对于确保群众的生命财产安全起着十分重要的作用，所以在水库运行过程中必须要确保大坝的安全稳定。影响水库大坝安全的主要因素是坝体变形、渗漏以及水位过高，实时监测这两个参数是确保大坝安全主要保障。

原始水库检测状况及自动化中出现的问题：在传统的水库运行管理中，大坝的检测全部是由人工检测的方式构成。我国早期的大坝自动化监测系统DAMS-1的系统可靠性低、危险性大，这种系统不能满足我国现代社会的技术要求，被逐渐淘汰。而大坝的内观项目比较复杂，人工检测的难度大，很难满足相关技术在检测上的要求。水库所建地多为偏远山区，在天气恶劣的情况下，比如大流量泄洪或者大暴雨等，加上系统设备老化，这样对于相关工作人员的安全会产生很大威胁，并且也大大降低了水库运行的效率。

经检索，目前国内外全使用自主研发的监测仪器组成的自动化监测系统几乎没有，均采用不同类别的传感器、仪器仪表组成自动化系统，该系统的结构繁琐，连线复杂，安装极不方便，成本较高。

现有的监测仪组成的自动监测系统，基本上是采用有线网络方式组成，系统线路复杂，仪器厂家众多，通讯协议繁琐，控制中心还需要不同数据接口模块；庞大的系统技术成本高，维护成本高，且，故障率很多，且，在旷野中，强弱电混合极容易受雷击。多数水库的控制中心都经受雷击的遭遇，造成不同程度的损失。

发明内容

针对上述不足，本发明提供了一种水库安全在线自动监测系统，其不仅能够有效监测水库坝体的渗流、深陷及平移情况，而且能够有效监测水库的水位情况。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：一种水库安全在线自动监测系统，其特征是，包括坝体渗流监测装置、水位监测装置、坝体深陷及平移监测装置、无线通信网络和后台管理系统，所述的坝体渗流监测装置、水位监测装置和坝体深陷及平移监测装置分别接入无线通信网络与后台管理系统相连，并将现场监测数据发送给后台管理系统，所述后台管理系统根据坝体渗流监测装置、水位监测装置和坝体深陷及平移监测装置的现场监测数据进行预警判断，如果监测数据达到设定值则向发出预警信息。

优选地，所述坝体渗流监测装置包括测压管、水位测量装置和数据采集终端，所述测压管包括若干个在水利工程中预先设置、用于对坝体进行监测用的测压管，所述水位测量装置设置在测压管内用以测量测压管内的水位，所述数据采集终端用以采集水位测量装置测量的水位数据并通过无线通信网络发送给后台管理系统，所述后台管理系统根据水位数据信息定性分析测压管水位的变化过程、位势过程，以及水库坝体渗漏量变化过程，并结合外界温度、气候情况对水库坝体进行安全警示；所述水位测量装置包括水位轮、测缆、浮子、卷扬轮、齿轮组、蜗杆、牙轮、字轮组和恒转矩电机，所述测缆缠绕于卷扬轮工作圆周的凹槽中，其引出端绕经水位轮的工作圆周后与位于水位轮下方的浮子相连接，所述卷扬轮与水位轮在同一垂直面上工作，所述恒转矩电机的输出轴与卷扬轮的驱动轮啮合连接，水位轮与齿轮组中相同周长的齿轮共轴，所述齿轮组与蜗杆啮合，蜗杆轴与牙轮轴连接，牙轮分别与字轮组中对应的字轮啮合；所述浮子随测压管内水位的变化而上下浮动，所述的水位轮、卷扬轮、齿轮组、蜗杆、牙轮、字轮组和恒转矩电机设置在测压管内上端，所述字轮组中每个字轮圆周表面指代0～9的十个弧段上分别设置有对应数值0～9的二维码标识。

优选地，所述水位测量装置还包括STM8L151单片机、电源控制电路、电机驱动电路和GPRS模块，所述STM8L151单片机分别与电源控制电路、电机驱动电路和GPRS模块相连，所述电源控制电路与数据采集终端相连，所述电机驱动电路与恒转矩电机的控制端相连，所述GPRS模块与后台管理系统相连。

优选地，所述数据采集终端包括摄像头、补光灯、STM32F407单片机、存储器和电源模块，所述摄像头正对字轮组设置，所述补光灯设置在摄像头附近且光线射向字轮组，所述STM32F407单片机分别与摄像头、补光灯、存储器和STM8L151单片机相连，所述电源模块分别与电源控制电路、摄像头和STM32F407单片机电连接。

优选地，所述二维码标识包括依次设置的数值上半部识别区、上半部间隔区、数值下半部识别区和下半部间隔区；所述数值上半部识别区和数值下半部识别区均包括二进制表示的定位信息、位数信息、数值半部位置信息和数值信息；每一个数值0～9的二维码标识所包含的数值上半部识别区和数值下半部识别区的位数信息和数值信息是相同的；所述定位信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区的左上角三组信息和右下角三组信息，所述位数信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区右上角的三组信息，所述数值半部位置信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区中心位置的一组信息，所述数值信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区左下角的四组信息10、根据权利要求9所述的一种水库坝体渗流安全在线自动监测系统，其特征是，；所述的定位信息、位数信息、数值半部位置信息和数值信息中的每组信息为NXN点阵，N为大于等于3的正整数。

优选地，所述水位监测装置包括水位尺和水位检测装置，所述水位尺设置在水库中，所述水位检测装置设置在水库坝体上用以采集水库水位数据；所述水位尺包括带刻度的标尺，标尺设置在底座上，在标尺上设置有沿标尺随水位升降而上下移动的浮标，所述浮标朝向水位检测装置的一侧面上设置有反光条，所述标尺的上端设置有球状防脱帽。

优选地，所述水位检测装置包括壳体以及设置在壳体内的摄像头、补光灯、STM32F407单片机、存储器、雨量传感器、25M有源晶振、STM8L151单片机、太阳能电池板、充电控制电路、锂电池、开关控制电路、稳压电路和GPRS模块，所述STM32F407单片机分别与摄像头、补光灯、存储器、25M有源晶振、STM8L151单片机和稳压电路连接，所述充电控制电路分别与太阳能电池板和锂电池电连接，所述锂电池分别与STM8L151单片机和开关控制电路连接，所述开关控制电路的控制端与STM8L151单片机连接，所述稳压电路分别与STM32F407单片机和摄像头连接，所述GPRS模块与STM8L151单片机连接；在壳体朝向水位尺的侧面上设置有通孔，所述摄像头正对通孔设置，在壳体通孔处的内侧壁上设置有通孔开关机构，用以遮挡通孔。

优选地，所述通孔开关机构包括固定在壳体内侧壁上的支架板，在支架板一端设置有与通孔相应大小的通光孔，支架板另一端设置有水平的轨道孔，轨道孔与通光孔联通，在支架板靠近壳体侧壁一侧设置有滑槽，在滑槽内设置有左右移动的遮挡板，所述遮挡板背面设置有在轨道孔左右移动的齿条，所述齿条与设置在旋转轴上的齿轮啮合，所述旋转轴的上端与固定在支架板上的步进电机的输出轴连接，旋转轴的下端设置在固定在支架板上的轴承座内，在支架板左右两端对应齿条移动行程的位置分别设置有一个限位开关；所述支架板上还设置有拉式电磁铁，当遮挡板遮挡通光孔和通孔时拉式电磁铁的挡头下落在齿条远离通光孔的一端；所述限位开关的输出端与STM32F407单片机连接，所述步进电机的控制端通过驱动电路与STM32F407单片机连接，所述拉式电磁铁的控制端与STM32F407单片机连接。

优选地，所述坝体深陷及平移监测装置包括包括基准点检测器和集中管理器，所述集中管理器设置在坝体的一端，在以集中管理器为端点的射线上设置若干个等间距的基准点，并在每个基准点处分别设置一个基准点检测器；

所述基准点检测器包括检测器壳体、图像检测装置、通孔开关机构和检测控制器，所述检测器壳体对应的两侧面分别设置有通孔，所述图像检测装置设置在检测器壳体内两个通孔之间，在检测器壳体通孔处的内侧壁上设置有通孔开关机构，所述检测控制器设置在检测器壳体内，所述检测控制器分别与图像检测装置和通孔开关机构相连；所述通孔开关机构包括固定在检测器壳体内侧壁上的支架板，在支架板一端设置有与通孔相应大小的通光孔，支架板另一端设置有水平的轨道孔，轨道孔与通光孔联通，在支架板靠近检测器壳体侧壁一侧设置有滑槽，在滑槽内设置有左右移动的遮挡板，所述遮挡板背面设置有在轨道孔左右移动的齿条，所述齿条与设置在旋转轴上的齿轮啮合，所述旋转轴的上端与固定在支架板上的步进电机的输出轴连接，旋转轴的下端设置在固定在支架板上的轴承座内，在支架板左右两端对应齿条移动行程的位置分别设置有一个限位开关；所述支架板上还设置有拉式电磁铁，当遮挡板遮挡通光孔和通孔时拉式电磁铁的挡头下落在齿条远离通光孔的一端；所述限位开关的输出端与检测控制器连接，所述步进电机的控制端与检测控制器连接，所述拉式电磁铁的控制端与检测控制器连接；

所述集中管理器包括管理器壳体、管理控制器、激光发射器和激光通孔开关机构，所述管理器壳体一侧面设置有激光通孔，所述激光发射器设置在管理器壳体内对应激光通孔的位置，在检管理器壳体激光通孔处的内侧壁上设置有激光通孔开关机构，所述管理控制器分别与激光发射器和激光通孔挡板机构相连；所述激光通孔开关机构包括固定在管理器壳体内侧壁上的支架板，在支架板一端设置有与激光通孔相应大小的通光孔，支架板另一端设置有水平的轨道孔，轨道孔与通光孔联通，在支架板靠近管理器壳体侧壁一侧设置有滑槽，在滑槽内设置有左右移动的遮挡板，所述遮挡板背面设置有在轨道孔左右移动的齿条，所述齿条与设置在旋转轴上的齿轮啮合，所述旋转轴的上端与固定在支架板上的步进电机的输出轴连接，旋转轴的下端设置在固定在支架板上的轴承座内，在支架板左右两端对应齿条移动行程的位置分别设置有一个限位开关；所述支架板上还设置有拉式电磁铁，当遮挡板遮挡通光孔和激光通孔时拉式电磁铁的挡头下落在齿条远离通光孔的一端；所述限位开关的输出端与管理控制器连接，所述步进电机的控制端与管理控制器连接，所述拉式电磁铁的控制端与管理控制器连接。

优选地，所述图像检测装置包括摄像箱体、反光钢条和摄像装置，所述摄像箱体上设置有对应检测器壳体上通孔的圆孔，所述的圆孔、通孔和透光孔的大小相同且它们的中心线在一条直线上；所述反光钢条竖直设置在摄像箱体内且与圆孔的中心线垂直；所述摄像装置设置在述摄像箱体内且与检测控制器连接；

所述检测控制器包括STM8L151单片机、图像检测电源控制电路、无线模块、无线模块电源控制电路、振动传感器、驱动电路和电源模块，所述STM8L151单片机通过UART通讯电路电路与图像检测装置连接，所述图像检测电源控制电路分别与STM8L151单片机和图像检测装置连接，所述无线模块与STM8L151单片机连接，所述无线模块电源控制电路分别与STM8L151单片机、无线模块和电源模块连接，所述振动传感器设置在检测器壳体且与STM8L151单片机连接，所述电源模块与STM8L151单片机连接；

所述管理控制器包括STM32F107单片机以及分别与STM32F107单片机连接的电源模块、GPRS模块、RS485电路、时钟电路、无线射频芯片、存储器、限位开关输入隔离电路、步进电机驱动电路、电磁铁控制电路和激光发射器电源控制电路；所述限位开关输入隔离电路与限位开关的输出端连接；所述步进电机驱动电路与步进电机的控制端连接，所述电磁铁控制电路与拉式电磁铁的控制端连接。

本发明的有益效果是：

本发明通过对坝体渗流、水库水位以及坝体深陷及平移进行监测并将监测数据通过实时发送给后台管理系统相连，后台管理系统根据现场监测数据进行预警判断，如果监测数据达到设定值则向发出预警信息，从而实现了对水库的全面安全监测，为以后的水库建设提供实践依据。

本发明坝体渗流监测装置的水位测量装置通过水位轮来驱动字轮，并采用二维码替代字轮上的数字，大大增加水位数据视觉的识别率；采用带刹车机构的恒转矩电机实现自收揽自平衡组织，采用低功率STM32单片机进行智能控制采集，采用GPRS实现设计远程传输，采用太阳能电池供电；该种水库坝体渗流安全在线自动监测系统极大降低成本、提高测量精度、可靠运行、安装方便、太阳电池供电实行低功耗模式、可远程联网；通过监测水库坝体的各测压管的水位和温度，并通过GPRS将该监测点的水位、温度上传给后台管理系统对大坝进行安全警示，有效地防止大坝失事情况发生。通过将字轮的数字改为及其容易识别的二维码将彻底克服了数字的识别率低和工作量大的不足，本发明采用二维码的识别技术对水位测量装置字轮图像进行黑白识别，并进行相似程度判断，采用廉价摄像头的像素点点阵就能确定水位读数，其不仅不受光线、灰尘、位置变动、字滚动等各种外界因素的影响，抗干扰能力极强，而且减低了成本，满足了识别要求。

本发明的水位监测装置通过在水位尺上加装带反光横条的浮标，浮标随水位变化而上下浮动，对浮标上的反光条进行拍摄，水位尺具有易识别和简单实用的优点，在水位尺上具有随时同水面一起起伏的浮标，而带反光横条浮标与水体具有较大的区别，极容易正确识别出水位线；摄像头对水位尺进行拍摄获取一维图像，由此图像求得所在图像区域的纵向位置，即可精度测量水位高度。水位检测装置密封在壳体内，通过控制通孔开关机构打开遮挡板进行摄像；该水位检测装置具有雨量传感器，可根据雨量情况智能监测水库水位情况，不受环境影响，昼夜均可工作。该装置软硬件成本低，功能强，测量精度高，误差小，便于产业化。

本发明的坝体深陷及平移监测装置能够对水库坝体进行沉陷与水平位移自动检测，不仅产品成本低、测量精度高、性能稳定，而且安装方便、受地理环境影响大、维护成本低、实用性强。通过设置通孔开关机构和激光通孔开关机构实现了检测器壳体和管理器壳体的通孔及激光通孔自动开启和关闭，通孔开关机构中遮挡板采用聚乙烯板加工制成，成本较低，耐用抗腐蚀，且不变型，检测控制器采用超低功耗的STM8L单片机构成，功耗较低，整个系统满足实际现场要求。当进行水库坝体检测时，本发明控制通孔开关机构自动将检测器壳体和管理器壳体的通孔及激光通孔打开，使激光穿过通光孔和通孔；当检测完成时，控制通孔开关机构自动关闭通光孔和通孔，防止灰尘、雨水等进入壳体内，不仅减少了人工参与，节约了成本，而且做到了随时检测的目的。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明所述坝体渗流监测装置的结构示意图；

图3为本发明所述水位测量装置的结构示意图；

图4为本发明所述字轮的结构示意图；

图5为本发明中水位测量装置和数据采集终端的电路原理图；

图6为本发明所述GPRS模块的电路原理图；

图7为传统字轮的图像示意图；

图8为本发明字轮水表采用二维码标识的字轮读数示意图；

图9为本发明所示二维码标识的数值上半部识别区和上半部间隔区的结构示意图(即图8中个位数值图像的上半部，且每组信息为3X3点阵方块的示意图)；

图10为对图9图像进行二值化处理后的图像信息示意图；

图11为本发明所述水位尺的结构示意图；

图12为本发明的水检测原理示意图；

图13为本发明所述水位检测装置的结构示意图；

图14为本发明所述通孔开关机构(支架板背离壳体侧壁一侧)的结构示意图；

图15为本发明所述通孔开关机构(支架板靠近壳体侧壁一侧)的结构示意图；

图16为本发明坝体深陷及平移监测装置的结构示意图；

图17为本发明所述检测器壳体的结构示意图；

图18为本发明所述检测器壳体的内部结构示意图；

图19为本发明所述图像检测装置的结构示意图；

图20为本发明所述管理器壳体的结构示意图；

图21为本发明所述管理器壳体的内部结构示意图；

图4中，4为字轮，5-0至5-9为二维码标识：5-0为数值0的二维码标识、5-1为数值1的二维码标识，5-2为数值2的二维码标识，5-3为数值3的二维码标识，5-4为数值4的二维码标识，5-5为数值5的二维码标识，5-6为数值6的二维码标识，5-7为数值7的二维码标识，5-8为数值8的二维码标识，5-9为数值9的二维码标识；图11中，11为带刻度的标尺，12为底座，13为浮标，14为反光条，15为球状防脱帽；图17和图18中，21为检测器壳体，22为通孔，23为图像检测装置，24为检测控制器，25为通孔开关机构；图19中，31摄像箱体，32为圆孔，33为反光钢条，34为摄像装置；图20和图21中，41为管理器壳体，42为激光通孔，43为激光发射器，44为管理控制器，45为激光通孔开关机构；图14和图15中，501为支架板、502为通光孔、503为轨道孔、504为滑槽、505为遮挡板、506为齿条、507为旋转轴、508为齿轮、509为步进电机、510为轴承座、511和512为限位开关、513为拉式电磁铁。

具体实施方式

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图1所示，本发明的一种水库安全在线自动监测系统，其特征是，包括坝体渗流监测装置、水位监测装置、坝体深陷及平移监测装置、无线通信网络和后台管理系统，所述的坝体渗流监测装置、水位监测装置和坝体深陷及平移监测装置分别接入无线通信网络与后台管理系统相连，并将现场监测数据发送给后台管理系统，所述后台管理系统根据坝体渗流监测装置、水位监测装置和坝体深陷及平移监测装置的现场监测数据进行预警判断，如果监测数据达到设定值则向发出预警信息。

如图2至图10所示，本发明所述坝体渗流监测装置包括测压管、水位测量装置和数据采集终端，所述测压管包括若干个在水利工程中预先设置、用于对坝体进行监测用的测压管，所述水位测量装置设置在测压管内用以测量测压管内的水位，所述数据采集终端用以采集水位测量装置测量的水位数据并通过无线通信网络发送给后台管理系统，所述后台管理系统根据水位数据信息定性分析测压管水位的变化过程、位势过程，以及水库坝体渗漏量变化过程，并结合外界温度、气候情况对水库坝体进行安全警示。如图3所示，所述水位测量装置包括水位轮、测缆、浮子、卷扬轮、齿轮组、蜗杆、牙轮、字轮组和恒转矩电机，所述测缆缠绕于卷扬轮工作圆周的凹槽中，其引出端绕经水位轮的工作圆周后与位于水位轮下方的浮子相连接，所述卷扬轮与水位轮在同一垂直面上工作，所述恒转矩电机的输出轴与卷扬轮的驱动轮啮合连接，水位轮与齿轮组中相同周长的齿轮共轴，所述齿轮组与蜗杆啮合，蜗杆轴与牙轮轴连接，牙轮分别与字轮组中对应的字轮啮合；所述浮子随测压管内水位的变化而上下浮动，所述的水位轮、卷扬轮、齿轮组、蜗杆、牙轮、字轮组和恒转矩电机设置在测压管内上端。如图4所示，所述字轮组中每个字轮圆周表面指代0～9的十个弧段上分别设置有对应数值0～9的二维码标识，即在每个字轮4圆周表面依次设置有数值0的二维码标识5-0、数值1的二维码标识5-1、数值2的二维码标识5-2、数值3的二维码标识5-3、数值4的二维码标识5-4、数值5的二维码标识5-5、数值6的二维码标识5-6、数值7的二维码标识5-7、数值8的二维码标识5-8和数值9的二维码标识5-9。

如图5所示，所述水位测量装置还包括STM8L151单片机、电源控制电路、电机驱动电路和GPRS模块，所述STM8L151单片机分别与电源控制电路、电机驱动电路和GPRS模块相连，所述电源控制电路与数据采集终端相连，所述电机驱动电路与恒转矩电机的控制端相连，所述GPRS模块与后台管理系统相连。所述数据采集终端包括摄像头、补光灯、STM32F407单片机U2、存储器和电源模块(U3和U5及其外围电路)，所述摄像头正对字轮组设置，所述补光灯设置在摄像头附近且光线射向字轮组，所述STM32F407单片机分别与摄像头、补光灯、存储器和STM8L151单片机相连，所述电源模块分别与电源控制电路(Q3等)、摄像头和STM32F407单片机电连接。

优选地，所述摄像头采用OV2640摄像头U1，所述摄像头连接有24M有源晶振Y1，所述存储器采用AT24C02存储芯片；所述TM32F407单片机还连接有供电电源、25M有源晶振Y3和温度传感器，所述温度传感器为DS18B20数字温度传感器。

优选地，所述供电电源包括太阳能电池板、充电控制电路和充电锂电池，所述充电控制电路分别与太阳能电池板、充电锂电池、STM8L151单片机和水位数据采集终端的电源模块电连接。

如图6所示，所述GPRS模块包括SIM800C模块、SIM卡和MIC29302芯片，所述SIM800C模块分别与STM8L151单片机和电源模块连接，所述SIM卡设置在SIM800C模块的卡槽内，所述MIC29302芯片的控制端与STM8L151单片机连接。

该水位监测系统工作原理：水位测量装置的监测频率可以通过后台管理系统进行调整，设置时间放在STM8L151单片机中。STM8L151单片机具有内部唤醒功能，当内部定时到退出休眠模式，进入工作状态。

通过GPRS获取后台管理系统的指令，为了节能可以设置每5秒钟STM8L151单片机唤醒一次，查看GPRS的状态是否有后台管理系统呼叫，有则给STM32F407单片机通电，进入监测状态，没指令，则STM8L151单片机再进入休眠状态。

工作时，单片机STM8L151从低功耗模式切换到正常工作模式(外部唤醒和内部定时唤醒)，给STM32F407单片机供电，使其处于工作状态；STM8L151单片机给恒转矩电机送电，这样刹车功能释放，卷缆轮和水位轮会在浮子作用下进行自平衡过程，当直达到平衡一段时间后，摄像模块开始拍摄，获取新的水位数值，同时通过温度传感器DS18B20获取外界温度，将两数值存入STM8L151单片机内部EEPROM中。STM8L151单片机关闭驱动恒转矩电机，STM8L151单片机通过关闭CMOS三极管关闭STM32F407单片机的所有电源。然后STM8L151单片机关闭GPRS模块后进入休眠模式。

如图8和图9所示，所述二维码标识包括依次设置的数值上半部识别区、上半部间隔区、数值下半部识别区和下半部间隔区；所述数值上半部识别区和数值下半部识别区均包括二进制表示的定位信息、位数信息、数值半部位置信息和数值信息；每一个数值0～9的二维码标识所包含的数值上半部识别区和数值下半部识别区的位数信息和数值信息是相同的。

图7是传统字轮图像示意图，它用摄像来识别的困难在于数字滚动过程中的识别，视觉识别技术来确定个位是“9”还是“8”需要用样本来训练。最难的是识别的是图7个位上的数值。如果要提高识别率，对不同的厂家，不同的字的位置、机械结构差异以及环境光线等都都需要训练样本，工作量很大，且有些样本只能在一定条件下进行。所以当如环境光线等条件变化，识别率就下降。本发明将字轮的字改为及其容易识别的二维码将彻底改变这些弱点，如图10所示。本发明识别原理：找到基准点，基于预期模型，进行黑白识别，进行相似程度判断，即使有较强的干扰-光线、灰尘、位置变动、字滚动等都基本没影响。

如图9所示，所述定位信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区的左上角三组信息(图9中A1标示区域)和右下角三组信息(图9中A2标示区域)，所述位数信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区右上角的三组信息(图9中B1、B2、B3标示区域)，所述数值半部位置信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区中心位置的一组信息(图9中C标示区域)，所述数值信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区左下角的四组信息(图9中D1、D2、D3、D4标示区域)

优选地，所述的定位信息、位数信息、数值半部位置信息和数值信息中的每组信息为NXN点阵，N为大于等于3的正整数。在具体实施例中，本发明以每组信息为3X3点阵为例，如图8至图10所示。

优选地，所述二维码标识粘贴或者印制在字轮圆周表面。

如图8和图9所示，本发明的二维码的点阵为15×15，它包含的信息：(1)定位信息，(2)位数信息，(3)数值半部位置信息，(4)水位的数值信息。每一个信息至少3×3点阵。在上述4种信息的基础上，本发明设计了一幅二维码的信息图片，点阵为15×15。而摄像头采集的每个字轮图像的点阵为36×15。这样为确保字轮数字在任何状态都能有该数字的信息，设计每一位数字上包含两幅信息，即数值上半部识别区和数值下半部识别区并采用上半部间隔区和下半部间隔区进行分开。假设字轮读数的个位数为“7”，在轮旋转过程中，二维码的“7”总是能完整显示出来，当“7”后面的“8”完整出现，“7”才消失。可以根据要求确定此时刻的真实值，且采用此二维码识别精度足以达到0.1。

如图11至图15所示，本发明所述的水位监测装置包括水位尺和水位检测装置，所述水位尺设置在水库中，所述水位检测装置设置在水库坝体上用以采集水库水位数据；所述水位尺包括带刻度的标尺11，标尺11设置在底座12上，在标尺11上设置有沿标尺随水位升降而上下移动的浮标13，所述浮标13朝向水位检测装置的一侧面上设置有反光条14；所述标尺11的上端设置有球状防脱帽15。带浮标的水位尺可在常规的水位尺加装上下移动的浮标，浮标正对摄像头的侧面带反光材料，常规水位尺的四面均带有刻度，此刻度仅作为人工目测使用，不作为拍摄识别符使用。水位尺的上段装饰球体防脱帽，用以装饰和限制浮标脱落，水位尺的下端用铸铁或水泥浇灌而成，放在水库中合适的位置，起牢固作用。

如图13所示，所述水位检测装置包括壳体以及设置在壳体内的摄像头、补光灯、STM32F407单片机、存储器、雨量传感器、25M有源晶振、STM8L151单片机、太阳能电池板、充电控制电路、锂电池、开关控制电路、稳压电路和GPRS模块，所述STM32F407单片机分别与摄像头、补光灯、存储器、25M有源晶振、STM8L151单片机和稳压电路连接，所述充电控制电路分别与太阳能电池板和锂电池电连接，所述锂电池分别与STM8L151单片机和开关控制电路连接，所述开关控制电路的控制端与STM8L151单片机连接，所述稳压电路分别与STM32F407单片机和摄像头连接，所述GPRS模块与STM8L151单片机连接；在壳体朝向水位尺的侧面上设置有通孔，所述摄像头正对通孔设置，在壳体通孔处的内侧壁上设置有通孔开关机构，用以遮挡通孔。

所述水位检测装置还包括雨量传感器，所述雨量传感器设置在壳体上方且雨量传感器的数据输出端与TM32F407单片机连接；所述摄像头采用OV2640摄像头，所述摄像头连接有24M有源晶振，所述存储器采用AT24C02存储芯片。

如图14和图15所示，所述通孔开关机构包括固定在壳体内侧壁上的支架板501，在支架板1一端设置有与通孔相应大小的通光孔502，支架板501另一端设置有水平且与通光孔502联通的轨道孔503，在支架板501靠近壳体侧壁一侧设置有滑槽504，在滑槽504内设置有左右移动的遮挡板505，所述遮挡板505背面设置有在轨道孔左右移动的齿条506，所述齿条506与设置在旋转轴507上的齿轮508啮合，所述旋转轴507的上端与固定在支架板上的步进电机509的输出轴连接，旋转轴的下端设置在固定在支架板上的轴承座510内，在支架板左右两端对应齿条移动行程的位置分别设置有一个限位开关511和512；所述支架板1上还设置有拉式电磁铁513，当遮挡板遮挡通光孔和通孔时拉式电磁铁的挡头下落在齿条506远离通光孔的一端；所述限位开关的输出端与STM32F407单片机连接，所述步进电机的控制端通过驱动电路与STM32F407单片机连接，所述拉式电磁铁的控制端与STM32F407单片机连接。

通孔开关机构的工作原理如下：步进电机的输出轴与旋转轴固定在一起，旋转轴跟齿轮固定一起，齿轮与齿条咬合一起，当电机工作时，旋转轴和齿轮旋转，带动齿条移动，齿条和遮挡板固定在一起上，从而带动遮挡板移动打开或关闭通光孔和通孔。当齿条移动到指定位置时会碰触限位开关，限位开关会给STM32F407单片机一个信号，STM32F407单片机停止驱动步进电机工作。当齿条移动碰触到开进通光孔处的限位开关时，遮挡板将通光孔关闭，此时给拉式电磁铁断电，拉式电磁铁的挡头会落下，挡住齿条，使齿条不能向远通光孔方向移动，防止外力将遮挡板打开，增强安全性。下次开启时，首先给拉式电磁铁上电，使挡头抬起。通孔开关机构通过STM32F407单片机的控制，驱动步进电机自动打开和关闭通光孔和通孔。当检测水库水位时，其自动将通光孔打开，使摄像头穿过通光孔和通孔拍摄水位尺；当检测完成时，自动关闭通光孔和通孔，防止灰尘、雨水等进入壳体内，不仅减少了人工参与，节约了成本，而且做到了随时检测的目的。

如图12所示，摄像头调整合适的焦距(拍摄距离设定范围)，通过对待浮标的水位尺进行拍摄，经过图像处理可以获得特征图像。图12(a)为初始图像，标定水库水位高度为H，当水位线下降后，获得图像如图12(c)，通过图像基准线可求得水面下降△h，此刻水库水面高度为H-△h；同理当水库水位上升，获得图像如图12(b)，此刻水库水位高度为H+△h。通过该水位尺求得水位的精度很高，测量精度基本上是图像的像素点的误差。

本发明水位监测装置的工作过程为：STM32F407单片机首先开启PA7管脚的AD转换，并根据转换结果判断此时是否下雨，若没有下雨则开始检测。STM32F407单片机驱动步进电机，带动通孔开关机构动作，打开壳体通孔，当检测到限位开关信号时，停止步进电机动作。STM32F407单片机置低PA5管脚，使摄像头切换到正常模式，并通过I2C接口与摄像头通信，开始拍摄水位尺照片，通过DCMI接口读取拍到的照片数据；然后识别出水位尺的真实水位读数。STM32F407单片机拉高PA5管脚，使摄像头工作在低功耗模式，然后STM32F407单片机切换到低功耗模式，完成水位检测。

如图14至图21所示，本发明所述的坝体深陷及平移监测装置包括基准点检测器和集中管理器，所述集中管理器设置在坝体的一端，在以集中管理器为端点的射线上设置若干个等间距的基准点，并在每个基准点处分别设置一个基准点检测器。

如图16和图17所示，所述基准点检测器包括检测器壳体21、图像检测装置23、通孔开关机构25和检测控制器24，所述检测器壳体21对应的两侧面分别设置有通孔22，所述图像检测装置23设置在检测器壳体内两个通孔22之间，在检测器壳体21通孔处的内侧壁上设置有通孔开关机构25，所述检测控制器24设置在检测器壳体21内，所述检测控制器24分别与图像检测装置23和通孔开关机构25相连。如图14和图15所示，所述通孔开关机构包括固定在检测器壳体内侧壁上的支架板501，在支架板501一端设置有与通孔相应大小的通光孔502，支架板另一端设置有水平的轨道孔503，轨道孔503与通光孔502联通，在支架板501靠近检测器壳体侧壁一侧设置有滑槽504，在滑槽504内设置有左右移动的遮挡板505，所述遮挡板505背面设置有在轨道孔左右移动的齿条506，所述齿条506与设置在旋转轴507上的齿轮508啮合，所述旋转轴507的上端与固定在支架板上的步进电机509的输出轴连接，旋转轴507的下端设置在固定在支架板上的轴承座510内，在支架板左右两端对应齿条移动行程的位置分别设置有一个限位开关511和512；所述支架板501上还设置有拉式电磁铁513，当遮挡板遮挡通光孔和通孔时拉式电磁铁513的挡头下落在齿条506远离通光孔的一端；所述限位开关511和512的输出端与检测控制器4连接，所述步进电机509的控制端与检测控制器4连接，所述拉式电磁铁513的控制端与检测控制器4连接。

所述遮挡板505背离支架板的一面紧靠在检测器壳体1内侧壁上；所述检测器壳体1为防水壳体；所述遮挡板505采用聚乙烯板。增加了检测器壳体的密封性和防水性。

如图19所示，所述图像检测装置包括摄像箱体31、反光钢条33和摄像装置34，所述摄像箱体31上设置有对应检测器壳体上通孔的圆孔32，所述的圆孔32、通孔和透光孔的大小相同且它们的中心线在一条直线上；所述反光钢条33竖直设置在摄像箱体31内且与圆孔32的中心线垂直；所述摄像装置34设置在述摄像箱体31内且与检测控制器连接。所述摄像装置优选采用OV2640摄像头。

所述检测控制器包括STM8L151单片机、图像检测电源控制电路、无线模块、无线模块电源控制电路、振动传感器、驱动电路和电源模块，所述STM8L151单片机通过UART通讯电路电路与图像检测装置连接，所述图像检测电源控制电路分别与STM8L151单片机和图像检测装置连接，所述无线模块与STM8L151单片机连接，所述无线模块电源控制电路分别与STM8L151单片机、无线模块和电源模块连接，所述振动传感器设置在检测器壳体且与STM8L151单片机连接，所述电源模块与STM8L151单片机连接。

基准点检测器还包括太阳能电池板、充电装置和锂电池，所述太阳能电池板设置在检测器壳体顶部，所述充电装置和锂电池设置在检测器壳体内，所述充电装置分别与太阳能电池板和锂电池连接，所述锂电池与电源模块连接。

如图20和图21所示，本发明所述集中管理器包括包括管理器壳体41、激光发射器43、管理控制器44和激光通孔开关机构45，所述管理器壳体41一侧面设置有激光通孔42，所述激光发射器43设置在管理器壳体内对应激光通孔42的位置，在检管理器壳体激光通孔处的内侧壁上设置有激光通孔开关机构45，所述管理控制器45分别与激光发射器43和激光通孔挡板机构45相连。如图14和图15所示，所述激光通孔开关机构包括固定在管理器壳体内侧壁上的支架板501，在支架板501一端设置有与激光通孔相应大小的通光孔502，支架板另一端设置有水平的轨道孔503，轨道孔503与通光孔502联通，在支架板501靠近管理器壳体侧壁一侧设置有滑槽504，在滑槽504内设置有左右移动的遮挡板505，所述遮挡板505背面设置有在轨道孔左右移动的齿条506，所述齿条506与设置在旋转轴507上的齿轮508啮合，所述旋转轴507的上端与固定在支架板上的步进电机509的输出轴连接，旋转轴507的下端设置在固定在支架板上的轴承座510内，在支架板左右两端对应齿条移动行程的位置分别设置有一个限位开关511和512；所述支架板501上还设置有拉式电磁铁513，当遮挡板遮挡通光孔和激光通孔时拉式电磁铁513的挡头下落在齿条506远离通光孔的一端；所述限位开关511和512的输出端与管理控制器44连接，所述步进电机509的控制端与管理控制器44连接，所述拉式电磁铁513的控制端与管理控制器4连接。

所述遮挡板505背离支架板的一面紧靠在管理器壳体41内侧壁上；所述管理器壳体41为防水壳体；所述遮挡板505采用聚乙烯板。增加了管理器壳体的密封性和防水性。

所述管理控制器包括STM32F107单片机以及分别与STM32F107单片机连接的电源模块、GPRS模块、RS485电路、时钟电路、无线射频芯片、存储器、限位开关输入隔离电路、步进电机驱动电路、电磁铁控制电路和激光发射器电源控制电路；所述限位开关输入隔离电路与限位开关的输出端连接；所述步进电机驱动电路与步进电机的控制端连接，所述电磁铁控制电路与拉式电磁铁的控制端连接。所述存储器采用AT24C02存储芯片。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (10)

1.一种水库安全在线自动监测系统，其特征是，包括坝体渗流监测装置、水位监测装置、坝体深陷及平移监测装置、无线通信网络和后台管理系统，所述的坝体渗流监测装置、水位监测装置和坝体深陷及平移监测装置分别接入无线通信网络与后台管理系统相连，并将现场监测数据发送给后台管理系统，所述后台管理系统根据坝体渗流监测装置、水位监测装置和坝体深陷及平移监测装置的现场监测数据进行预警判断，如果监测数据达到设定值则向发出预警信息。

2.根据权利要求1所述的一种水库安全在线自动监测系统，其特征是，所述坝体渗流监测装置包括测压管、水位测量装置和数据采集终端，所述测压管包括若干个在水利工程中预先设置、用于对坝体进行监测用的测压管，所述水位测量装置设置在测压管内用以测量测压管内的水位，所述数据采集终端用以采集水位测量装置测量的水位数据并通过无线通信网络发送给后台管理系统，所述后台管理系统根据水位数据信息定性分析测压管水位的变化过程、位势过程，以及水库坝体渗漏量变化过程，并结合外界温度、气候情况对水库坝体进行安全警示；所述水位测量装置包括水位轮、测缆、浮子、卷扬轮、齿轮组、蜗杆、牙轮、字轮组和恒转矩电机，所述测缆缠绕于卷扬轮工作圆周的凹槽中，其引出端绕经水位轮的工作圆周后与位于水位轮下方的浮子相连接，所述卷扬轮与水位轮在同一垂直面上工作，所述恒转矩电机的输出轴与卷扬轮的驱动轮啮合连接，水位轮与齿轮组中相同周长的齿轮共轴，所述齿轮组与蜗杆啮合，蜗杆轴与牙轮轴连接，牙轮分别与字轮组中对应的字轮啮合；所述浮子随测压管内水位的变化而上下浮动，所述的水位轮、卷扬轮、齿轮组、蜗杆、牙轮、字轮组和恒转矩电机设置在测压管内上端，所述字轮组中每个字轮圆周表面指代0～9的十个弧段上分别设置有对应数值0～9的二维码标识。

3.根据权利要求2所述的一种水库安全在线自动监测系统，所述水位测量装置还包括STM8L151单片机、电源控制电路、电机驱动电路和GPRS模块，所述STM8L151单片机分别与电源控制电路、电机驱动电路和GPRS模块相连，所述电源控制电路与数据采集终端相连，所述电机驱动电路与恒转矩电机的控制端相连，所述GPRS模块与后台管理系统相连。

4.根据权利要求3所述的一种水库安全在线自动监测系统，其特征是，所述数据采集终端包括摄像头、补光灯、STM32F407单片机、存储器和电源模块，所述摄像头正对字轮组设置，所述补光灯设置在摄像头附近且光线射向字轮组，所述STM32F407单片机分别与摄像头、补光灯、存储器和STM8L151单片机相连，所述电源模块分别与电源控制电路、摄像头和STM32F407单片机电连接。

5.根据权利要求4所述的一种水库安全在线自动监测系统，其特征是，所述二维码标识包括依次设置的数值上半部识别区、上半部间隔区、数值下半部识别区和下半部间隔区；所述数值上半部识别区和数值下半部识别区均包括二进制表示的定位信息、位数信息、数值半部位置信息和数值信息；每一个数值0～9的二维码标识所包含的数值上半部识别区和数值下半部识别区的位数信息和数值信息是相同的；所述定位信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区的左上角三组信息和右下角三组信息，所述位数信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区右上角的三组信息，所述数值半部位置信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区中心位置的一组信息，所述数值信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区左下角的四组信息10、根据权利要求9所述的一种水库坝体渗流安全在线自动监测系统，其特征是，；所述的定位信息、位数信息、数值半部位置信息和数值信息中的每组信息为NXN点阵，N为大于等于3的正整数。

6.根据权利要求1所述的一种水库安全在线自动监测系统，其特征是，所述水位监测装置包括水位尺和水位检测装置，所述水位尺设置在水库中，所述水位检测装置设置在水库坝体上用以采集水库水位数据；所述水位尺包括带刻度的标尺，标尺设置在底座上，在标尺上设置有沿标尺随水位升降而上下移动的浮标，所述浮标朝向水位检测装置的一侧面上设置有反光条，所述标尺的上端设置有球状防脱帽。

7.根据权利要求6所述的一种水库安全在线自动监测系统，其特征是，所述水位检测装置包括壳体以及设置在壳体内的摄像头、补光灯、STM32F407单片机、存储器、雨量传感器、25M有源晶振、STM8L151单片机、太阳能电池板、充电控制电路、锂电池、开关控制电路、稳压电路和GPRS模块，所述STM32F407单片机分别与摄像头、补光灯、存储器、25M有源晶振、STM8L151单片机和稳压电路连接，所述充电控制电路分别与太阳能电池板和锂电池电连接，所述锂电池分别与STM8L151单片机和开关控制电路连接，所述开关控制电路的控制端与STM8L151单片机连接，所述稳压电路分别与STM32F407单片机和摄像头连接，所述GPRS模块与STM8L151单片机连接；在壳体朝向水位尺的侧面上设置有通孔，所述摄像头正对通孔设置，在壳体通孔处的内侧壁上设置有通孔开关机构，用以遮挡通孔。

8.根据权利要求7所述的一种水库安全在线自动监测系统，其特征是，所述通孔开关机构包括固定在壳体内侧壁上的支架板，在支架板一端设置有与通孔相应大小的通光孔，支架板另一端设置有水平的轨道孔，轨道孔与通光孔联通，在支架板靠近壳体侧壁一侧设置有滑槽，在滑槽内设置有左右移动的遮挡板，所述遮挡板背面设置有在轨道孔左右移动的齿条，所述齿条与设置在旋转轴上的齿轮啮合，所述旋转轴的上端与固定在支架板上的步进电机的输出轴连接，旋转轴的下端设置在固定在支架板上的轴承座内，在支架板左右两端对应齿条移动行程的位置分别设置有一个限位开关；所述支架板上还设置有拉式电磁铁，当遮挡板遮挡通光孔和通孔时拉式电磁铁的挡头下落在齿条远离通光孔的一端；所述限位开关的输出端与STM32F407单片机连接，所述步进电机的控制端通过驱动电路与STM32F407单片机连接，所述拉式电磁铁的控制端与STM32F407单片机连接。

9.根据权利要求1所述的一种水库安全在线自动监测系统，其特征是，所述坝体深陷及平移监测装置包括包括基准点检测器和集中管理器，所述集中管理器设置在坝体的一端，在以集中管理器为端点的射线上设置若干个等间距的基准点，并在每个基准点处分别设置一个基准点检测器；

所述基准点检测器包括检测器壳体、图像检测装置、通孔开关机构和检测控制器，所述检测器壳体对应的两侧面分别设置有通孔，所述图像检测装置设置在检测器壳体内两个通孔之间，在检测器壳体通孔处的内侧壁上设置有通孔开关机构，所述检测控制器设置在检测器壳体内，所述检测控制器分别与图像检测装置和通孔开关机构相连；所述通孔开关机构包括固定在检测器壳体内侧壁上的支架板，在支架板一端设置有与通孔相应大小的通光孔，支架板另一端设置有水平的轨道孔，轨道孔与通光孔联通，在支架板靠近检测器壳体侧壁一侧设置有滑槽，在滑槽内设置有左右移动的遮挡板，所述遮挡板背面设置有在轨道孔左右移动的齿条，所述齿条与设置在旋转轴上的齿轮啮合，所述旋转轴的上端与固定在支架板上的步进电机的输出轴连接，旋转轴的下端设置在固定在支架板上的轴承座内，在支架板左右两端对应齿条移动行程的位置分别设置有一个限位开关；所述支架板上还设置有拉式电磁铁，当遮挡板遮挡通光孔和通孔时拉式电磁铁的挡头下落在齿条远离通光孔的一端；所述限位开关的输出端与检测控制器连接，所述步进电机的控制端与检测控制器连接，所述拉式电磁铁的控制端与检测控制器连接；

所述集中管理器包括管理器壳体、管理控制器、激光发射器和激光通孔开关机构，所述管理器壳体一侧面设置有激光通孔，所述激光发射器设置在管理器壳体内对应激光通孔的位置，在检管理器壳体激光通孔处的内侧壁上设置有激光通孔开关机构，所述管理控制器分别与激光发射器和激光通孔挡板机构相连；所述激光通孔开关机构包括固定在管理器壳体内侧壁上的支架板，在支架板一端设置有与激光通孔相应大小的通光孔，支架板另一端设置有水平的轨道孔，轨道孔与通光孔联通，在支架板靠近管理器壳体侧壁一侧设置有滑槽，在滑槽内设置有左右移动的遮挡板，所述遮挡板背面设置有在轨道孔左右移动的齿条，所述齿条与设置在旋转轴上的齿轮啮合，所述旋转轴的上端与固定在支架板上的步进电机的输出轴连接，旋转轴的下端设置在固定在支架板上的轴承座内，在支架板左右两端对应齿条移动行程的位置分别设置有一个限位开关；所述支架板上还设置有拉式电磁铁，当遮挡板遮挡通光孔和激光通孔时拉式电磁铁的挡头下落在齿条远离通光孔的一端；所述限位开关的输出端与管理控制器连接，所述步进电机的控制端与管理控制器连接，所述拉式电磁铁的控制端与管理控制器连接。

10.根据权利要求9所述的一种水库安全在线自动监测系统，其特征是，所述图像检测装置包括摄像箱体、反光钢条和摄像装置，所述摄像箱体上设置有对应检测器壳体上通孔的圆孔，所述的圆孔、通孔和透光孔的大小相同且它们的中心线在一条直线上；所述反光钢条竖直设置在摄像箱体内且与圆孔的中心线垂直；所述摄像装置设置在述摄像箱体内且与检测控制器连接；

所述检测控制器包括STM8L151单片机、图像检测电源控制电路、无线模块、无线模块电源控制电路、振动传感器、驱动电路和电源模块，所述STM8L151单片机通过UART通讯电路电路与图像检测装置连接，所述图像检测电源控制电路分别与STM8L151单片机和图像检测装置连接，所述无线模块与STM8L151单片机连接，所述无线模块电源控制电路分别与STM8L151单片机、无线模块和电源模块连接，所述振动传感器设置在检测器壳体且与STM8L151单片机连接，所述电源模块与STM8L151单片机连接；

所述管理控制器包括STM32F107单片机以及分别与STM32F107单片机连接的电源模块、GPRS模块、RS485电路、时钟电路、无线射频芯片、存储器、限位开关输入隔离电路、步进电机驱动电路、电磁铁控制电路和激光发射器电源控制电路；所述限位开关输入隔离电路与限位开关的输出端连接；所述步进电机驱动电路与步进电机的控制端连接，所述电磁铁控制电路与拉式电磁铁的控制端连接。