CN109448349B - 一种水文遥测设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了水位测试技术领域中的一种水文遥测设备，包括MCU及与MCU连接的水位检测模块、无线通信模块、定点检测上传数据模块，水位检测模块检测水文遥测设备到水位的距离，无线通信模块将水文遥测设备检测的水位距离值、温度、电量值传输到网关或对应网络，定点检测上传数据模块收到下行校时命令后，开启定时模块定时到最近的定点时间上传数据，之后每隔固定时间检测水位并上传数据。本发明解决了传统有线、市电方式布线和安装成本高的问题。直接将设备固定在待测试点即可，没有布电源线和信号线的问题。

Description

一种水文遥测设备
技术领域
本发明涉及水位测试技术领域，具体的说，是涉及一种水文遥测设备。
背景技术
目前在消防水池、水库，管井、水闸等场合需要对其水位进行检测。现有的水位测试方法都是采用传统的市电供电上的方式，这种方式对安装环境有比较高的要求，在一些野外的场所，根本无法安装，于是安装成本非常高昂。
另外，由于水位测试后需要将数据进行上传，在上传过程中采用有线或无线的传输方式。这种传输方式在一些偏远地区布线困难，或者无线信号检测不到，造成了测试数据上传困难；同时现有的水位测试完成后，在进行有线或无线传输时需要产生较多的通讯费用，这就造成了水位测试的相应成本。
上述缺陷，值得解决。
发明内容
为了克服现有的技术的不足，本发明提供一种水文遥测设备。
本发明技术方案如下所述：
一种水文遥测设备，其特征在于，包括MCU及与所述MCU连接的水位检测模块、无线通信模块、定点检测上传数据模块，
所述水位检测模块检测所述水文遥测设备到水位的距离；
所述无线通信模块将所述水文遥测设备检测的水位距离值、温度、电量值传输到网关或对应网络；
所述定点检测上传数据模块收到下行校时命令后，开启定时模块定时到最近的定点时间上传数据，之后每隔固定时间检测水位并上传数据。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述水位检测模块通过超声波传感器发送超声波，并通过计算从发送超声波到接收超声波时间换算水位距离值，所述超声波传感器通过MAX232接口芯片与所述MCU连接，所述超声波传感器为MB7060。
根据上述方案的本发明，其特征在于，还包括温度检测模块，所述温度检测模块通过温度传感器检测所述水文遥测设备的终端温度。
进一步的，所述温度传感器为LM75A芯片，其通过访问温度数据寄存器，实现温度测量和读取。
根据上述方案的本发明，其特征在于，还包括电量检测模块和超低功耗控制模块，所述电量检测模块检测所述水文遥测设备的供电电池剩余电量等级；所述超低功耗控制模块通过温度传感器连接电源，并控制无线通信模块进入睡眠模式、MCU进入RTC+Standby工作模式实现超低功耗。
进一步的，所述电量检测模块通过可编程电压探测器更改参考电压阀值，进而检测所述供电电池的电压范围，再根据所述供电电池的放电曲线换算成对应的剩余电量等级。
根据上述方案的本发明，其特征在于，所述无线通信模块包括LoRa无线模块、NB-IOT无线模块。
进一步的，所述LoRa无线模块将所述水文遥测设备检测到的数据发送至所述网关，并接收所述网关发送的下行数据帧和控制命令。
根据上述方案的本发明，其特征在于，在所述定点检测上传数据模块上传数据的过程中，具体包括以下步骤：
（1）初始化无线通信模块及其MAC地址；
（2）准备发送数据帧；
（3）对将要发送的数据帧加密；
（4）设置发送数据的信号、频率、功率，并将测得的数据写入到无线通信模块的数据缓冲区；
（5）发送编辑好的数据帧；
（6）数据帧上传后判断是否有下行数据，若无则跳转下一步，若有下行数据，则处理下行数据帧；
（7）设置发送下一帧数据的定时器；
（8）判断下一帧数据的定时器事件是否到来，若未到则等待定时器事件并重复判断下一帧数据的定时器事件是否到来，下一帧数据的定时器事件到来则准备发送下一数据帧，跳转步骤（2）；
（9）结束上传数据的过程。
进一步的，所述步骤（5）中，LoRa模式下，直接发送编辑好的数据帧；NB-IOT模式下，通过at指令发送编辑好的数据帧。
根据上述方案的本发明，其特征在于，还包括断网重传模块，所述断网重传模块通过开关控制电源开断和无线通信模块的数据传输模式，所述断网重传模块在断网时实时存储水位数据，并与未传输成功的数据建立索引，当网络状况恢复正常时重新上传水位数据。
进一步的，在所述断网重传模块中，将数据存储器分为三个区，其中第一分区存放原始数据存贮位置指针orginal_save_addr、丢失数据存贮位置指针current_save_addr及丢失数据重传位置指针current_send_addr，第二分区存放每次测量的数据，第三分区存放丢失数据存贮位置指针current_save_addr及丢失数据重传位置指针current_send_addr。
更进一步的，在所述断网重传模块实现的过程中，其在休眠间隔内进行重传，当休眠间隔的普通数据包发送后判断是否收到下行ACK，若收到下行ACK，则进行丢失数据的补传过程，休眠间隔时间到达前结束补传数据，等待下一次休眠间隔时间再进行补传过程，重传成功后，第一分区的丢失数据重传位置指针current_send_addr加2；
若没有收到下行ACK，则将第一分区内原始数据存贮位置指针orginal_save_addr-8并存放到第三分区的丢失数据存贮位置指针current_save_addr，同时更新丢失数据存贮位置指针current_save_addr加2；关闭外设电源，MCU进入STOP模式，结束补传过程。
更进一步的，数据补传的具体过程为：
（1）开始补传过程，判断休眠间隔的普通数据是否到来，若没有则重复判断过程，若检测到普通数据，则进行下一步；
（2）读取水位值及对应的时间，并将其存放到原始数据存贮位置指针orginal_save_addr所指的位置，原始数据存贮位置指针orginal_save_addr加8；
（3）启动无线通信模块，进行数据的上传；
（4）判断否收到下行ACK，若跳转步骤（10），若收到下行ACK，则进行下一步；
（5）根据丢失数据存贮位置指针current_save_addr和丢失数据重传位置指针current_send_addr的差值，计算需要补传的数据的组数；
（6）读取第三分区内丢失数据重传位置指针current_send_addr所指向的地址值，根据该地址值依次取出原始数据的8个字节的数据，打包形成一组数据；
（7）启动无线通信模块进行数据的传输，并判断数据是否传输成功，若成功则丢失数据重传位置指针current_send_addr加2，并更新第一分区内的丢失数据重传位置指针current_send_addr并进入下一步，若不成功，则直接进入下一步；
（8）启动下一次丢失数据补传过程；
（9）判断休眠间隔时间是否即将到达，若是，则进入下一步，若不是，则启动数据补传过程并跳转到步骤（5）；
（10）结束补传，关闭外设电源，MCU进入STOP，结束数据补传过程。
根据上述方案的本发明，其有益效果在于：本发明采用免费的无线数据频段，用lora协议实现远距离的低功耗数据传输服务；Lora技术在水文上的应用，完全可是替代传统有线的方案，而且成本更低，可以在任意有lora信号的地方布点，解决了偏远地区数据检测不到的问题；在lora信号弱或是lora网关布线成本太高的情况下，选择用NB-iot做数据传输，在不同的场合直接通过播码开关通信模式进行选择，使得产口的应用场景更灵活。
附图说明
图1为本发明的数据处理框图。
图2为本发明水位检测模块中处理芯片的连接电路图。
图3为本发明水位检测模块中收发器的连接电路图。
图4为本发明中温度检测模块的电路图。
图5为本发明中无线通信模块的电路图。
图6为本发明中断网重传模块的电路图。
图7为本发明中断网重传的流程图。
图8为本发明中断网重传过程中数据地址分配示意图。
图9为本发明中断网重传过程中数据传输的示意图。
图10为本发明中丢失数据补传的流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述：
如图1所示，一种水文遥测设备，包括MCU及与MCU连接的水位检测模块、温度检测模块、电量检测模块、无线通信模块、超低功耗控制模块、定点检测上传数据模块及断网重传模块。
1、水位检测模块
如图2-3所示，水位检测模块是水文遥测设备终端重要的组成部分，其通过超声波传感器发送超声波，并通过计算从发送超声波到接收超声波时间换算水位距离值。
在本实施例中，水位检测模块采用MB7060的超声波传感器，其通过MAX232接口芯片与MCU后级连接，将TTL电平转换成RS232电平。
2、温度检测模块
如图4所示，温度检测模块通过温度传感器检测水文遥测设备的终端温度。
温度传感器为LM75A芯片，其A0、A1、A2接地，设置温度传感器LM75A的访问地址为0x90，通过发送相关命令到该地址访问相关寄存器，实现温度测量和读取。
3、电量检测模块
电量检测模块检测水文遥测设备的供电电池剩余电量等级。
电量检测模块通过可编程电压探测器（PVD）更改参考电压阀值，进而检测供电电池的电压范围，再根据供电电池的放电曲线换算成对应的剩余电量等级。根据各种电池的放电曲线可知，3.1V以上电量为100%，2.5V~2.7V电量为50%左右，2.2V以下电量为0%左右。因此得到电池的剩余电量等级为：
0等级：Vbat<1.9V
1等级：1.9v<Vbat<2.1v
2等级：2.1v<Vbat<2.3v
3等级：2.3v<Vbat<2.5v
4等级：2.5v<Vbat<2.7v
5等级：2.7v<Vbat<2.9v
6等级：2.9v<Vbat<3.1v
7等级：Vbat>3.1V
4、无线通信模块
无线通信模块将水文遥测设备检测的水位距离值、温度、电量值传输到网关或对应网络。无线通信模块包括LoRa无线模块、NB-IOT无线模块。在本实施例中，NB-IOT无线模块中，处理芯片采用华为海思NB芯片，模组采用移远bc28全网通模组；LoRa无线模块中，处理芯片采用sentech的sx1276 lora调制解调芯片+stm32l151低功耗mcu。
如图5所示，LoRa无线模块将水文遥测设备检测到的数据发送至网关，并接收网关发送的下行数据帧和控制命令。通过SPI接口和DIO0中断来控制对LoRa模块的寄存器的读写，设置频率、信道、功率等参数来实现数据的无线收发。
如图6所示，目前并不是所有场合都可以任意布lora网关，在一些特殊场合，直接使用NB-IOT网络会更有效。
设备在安装上面只须把设备放在待测试的点固定即可。Lora无线数据传输在国内采用的无线频段是CN470～510MHZ，不会产生任何费用，采用lora技术实现了数据的无线传输并设备本身带有电池，可连续工作2年以上，大大节省了安装和布线成本。
在产品上集成NB-IOT和LORA两种技术，在不同的场合直接通过播码开关通信模式进行选择，使得产口的应用场景更灵活。
5、超低功耗控制模块
超低功耗控制模块通过温度传感器连接电源，并控制无线通信模块进入睡眠模式、MCU进入RTC+Standby工作模式实现超低功耗。
6、定点检测上传数据模块
如图7所示，定点检测上传数据模块收到下行校时命令后，开启定时模块定时到最近的定点时间上传数据，之后每隔固定时间检测水位并上传数据。
本实施例中定点时间为每一个整5分钟，例如1点05分、1点10分、1点15分等等。定点检测上传数据模块上传数据的过程中，具体包括以下步骤：
（1）初始化无线通信模块及其MAC地址；
（2）准备发送数据帧；
（3）对将要发送的数据帧加密；
（4）设置发送数据的信号、频率、功率，并将测得的数据写入到无线通信模块的数据缓冲区；
（5）发送编辑好的数据帧，其中，LoRa模式下直接发送编辑好的数据帧，NB-IOT模式下通过at指令发送编辑好的数据帧；
（6）数据帧上传后判断是否有下行数据，若无则跳转下一步，若有下行数据，则处理下行数据帧；
（7）设置发送下一帧数据的定时器；
（8）判断下一帧数据的定时器事件是否到来，若未到则等待定时器事件并重复判断下一帧数据的定时器事件是否到来，下一帧数据的定时器事件到来则准备发送下一数据帧，跳转步骤（2）；
（9）结束上传数据的过程。
7、断网重传模块
断网重传模块通过开关控制电源开断和无线通信模块的数据传输模式，断网重传模块在断网时实时存储水位数据，并与未传输成功的数据建立索引，当网络状况恢复正常时重新上传水位数据。
如图8所示，在断网重传模块中，将512Kbit的数据存储器EEPROM分为三个区，其中第一分区存放原始数据存贮位置指针orginal_save_addr、丢失数据存贮位置指针current_save_addr及丢失数据重传位置指针current_send_addr，第二分区存放每次测量的数据，第三分区存放丢失数据存贮位置指针current_save_addr及丢失数据重传位置指针current_send_addr。
如图9所示，断网重传模块在休眠间隔（优选为5分钟）内进行重传，当休眠间隔的普通数据包发送后判断是否收到下行ACK，若收到下行ACK，则进行丢失数据的补传过程，休眠间隔时间到达前结束补传数据，等待下一次休眠间隔时间再进行补传过程，重传成功后，第一分区的丢失数据重传位置指针current_send_addr加2；
若没有收到下行ACK，则将第一分区内原始数据存贮位置指针orginal_save_addr-8并存放到第三分区的丢失数据存贮位置指针current_save_addr，同时更新丢失数据存贮位置指针current_save_addr加2；关闭外设电源，MCU进入STOP模式，结束补传过程。
如图10所示，数据补传的具体过程为：
（1）开始补传过程，判断休眠间隔的普通数据是否到来，若没有则重复判断过程，若检测到普通数据，则进行下一步；
（2）读取水位值及对应的时间，并将其存放到原始数据存贮位置指针orginal_save_addr所指的位置，原始数据存贮位置指针orginal_save_addr加8；
（3）启动无线通信模块，进行数据的上传；
（4）判断否收到下行ACK，若跳转步骤（10），若收到下行ACK，则进行下一步；
（5）根据丢失数据存贮位置指针current_save_addr和丢失数据重传位置指针current_send_addr的差值，计算需要补传的数据的组数；
（6）读取第三分区内丢失数据重传位置指针current_send_addr所指向的地址值，根据该地址值依次取出原始数据的8个字节的数据，打包形成一组数据；
（7）启动无线通信模块进行数据的传输，并判断数据是否传输成功，若成功则丢失数据重传位置指针current_send_addr加2，并更新第一分区内的丢失数据重传位置指针current_send_addr并进入下一步，若不成功，则直接进入下一步；
（8）启动下一次丢失数据补传过程；
（9）判断休眠间隔时间是否即将到达，若是，则进入下一步，若不是，则启动数据补传过程并跳转到步骤（5）；
（10）结束补传，关闭外设电源，MCU进入STOP，结束数据补传过程。
本发明采用lora通信技术和超声波测距的方式，实现水位的采集和数据的传输，同时解决了传统有线方式，布线和安装成本高的问题，其直接将设备固定在待测试点即可，没有布电源线和信号线的问题。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
上面结合附图对本发明专利进行了示例性的描述，显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种水文遥测设备，其特征在于，包括MCU及与所述MCU连接的水位检测模块、无线通信模块、定点检测上传数据模块、电量检测模块、超低功耗控制模块、断网重传模块，
所述水位检测模块检测所述水文遥测设备到水位的距离；
所述无线通信模块将所述水文遥测设备检测的水位距离值、温度、电量值传输到网关或对应网络，无线通信模块包括LoRa无线模块、NB-IOT无线模块，LoRa无线模块将水文遥测设备检测到的数据发送至网关，并接收网关发送的下行数据帧和控制命令，通过SPI接口和DIO0中断来控制对LoRa模块的寄存器的读写，设置频率、信道、功率等参数来实现数据的无线收发，NB-IOT无线模块中，处理芯片采用华为海思NB芯片，模组采用移远bc28全网通模组；
所述定点检测上传数据模块收到下行校时命令后，开启定时模块定时到最近的定点时间上传数据，之后每隔固定时间检测水位并上传数据；
所述电量检测模块检测所述水文遥测设备的供电电池剩余电量等级，所述电量检测模块通过可编程电压探测器更改参考电压阀值，进而检测所述供电电池的电压范围，再根据所述供电电池的放电曲线换算成对应的剩余电量等级；
超低功耗控制模块通过温度传感器连接电源，并控制无线通信模块进入睡眠模式、MCU进入RTC+Standby工作模式实现超低功耗；
断网重传模块通过开关控制电源开断和无线通信模块的数据传输模式，断网重传模块在断网时实时存储水位数据，并与未传输成功的数据建立索引，当网络状况恢复正常时重新上传水位数据，
在断网重传模块中，将512Kbit的数据存储器EEPROM分为三个区，其中第一分区存放原始数据存贮位置指针orginal_save_addr、丢失数据存贮位置指针current_save_addr及丢失数据重传位置指针current_send_addr，第二分区存放每次测量的数据，第三分区存放丢失数据存贮位置指针current_save_addr及丢失数据重传位置指针current_send_addr，
断网重传模块在休眠间隔内进行重传，数据补传的具体过程为：
（1）开始补传过程，判断休眠间隔的普通数据是否到来，若没有则重复判断过程，若检测到普通数据，则进行下一步；
（2）读取水位值及对应的时间，并将其存放到原始数据存贮位置指针orginal_save_addr所指的位置，原始数据存贮位置指针orginal_save_addr加8；
（3）启动无线通信模块，进行数据的上传；
（4）判断是否收到下行ACK，
若否，则将第一分区的原始数据存贮位置指针orginal_save_addr-8，并存放到第三分区的丢失数据存贮位置指针current_save_addr，并更新第一分区的丢失数据存贮位置current_save_addr加2，并跳转步骤（10），
若收到下行ACK，则进行下一步；
（5）根据丢失数据存贮位置指针current_save_addr和丢失数据重传位置指针current_send_addr的差值，计算需要补传的数据的组数；
（6）读取第三分区内丢失数据重传位置指针current_send_addr所指向的地址值，根据该地址值依次取出原始数据的8个字节的数据，打包形成一组数据；
（7）启动无线通信模块进行数据的传输，并判断数据是否传输成功，若成功则丢失数据重传位置指针current_send_addr加2，并更新第一分区内的丢失数据重传位置指针current_send_addr并进入下一步，若不成功，则直接进入下一步；
（8）启动下一次丢失数据补传过程；
（9）判断休眠间隔时间是否即将到达，若是，则进入下一步，若不是，则启动数据补传过程并跳转到步骤（5）；
（10）休眠间隔时间到达前结束补传数据，等待下一次休眠间隔时间再进行补传过程，关闭外设电源，MCU进入STOP。
2.根据权利要求1所述的水文遥测设备，其特征在于，所述水位检测模块通过超声波传感器发送超声波，并通过计算从发送超声波到接收超声波时间换算水位距离值。
3.根据权利要求1所述的水文遥测设备，其特征在于，还包括温度检测模块，所述温度检测模块通过温度传感器检测所述水文遥测设备的终端温度。
4.根据权利要求1所述的水文遥测设备，其特征在于，在所述定点检测上传数据模块上传数据的过程中，具体包括以下步骤：
（1）初始化无线通信模块及其MAC地址；
（2）准备发送数据帧；
（3）对将要发送的数据帧加密；
（4）设置发送数据的信号、频率、功率，并将测得的数据写入到无线通信模块的数据缓冲区；
（5）发送编辑好的数据帧；
（6）数据帧上传后判断是否有下行数据，若无则跳转下一步，若有下行数据，则处理下行数据帧；
（7）设置发送下一帧数据的定时器；
（8）判断下一帧数据的定时器事件是否到来，若未到则等待定时器事件并重复判断下一帧数据的定时器事件是否到来，下一帧数据的定时器事件到来则准备发送下一数据帧，跳转步骤（2）；
（9）结束上传数据的过程。
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