CN110161507A - 一种淤泥沉积在线监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种淤泥沉积在线监测系统，包括若干个监测模块和远程数据处理器；每个所述监测模块包括信息采集模块、电源模块、控制器和无线传输模块，信息采集模块包括立杆、第一子传感器和第二子传感器，第一子传感器和第二子传感器均固定在立杆上，二者垂直方向间距固定；第一子传感器和第二子传感器均与控制器数据相连；电源模块为信息采集模块、控制器、无线传输模块供电，控制器通过无线传输模块与远程数据处理器相连。本发明还公开了基于上述在线监测系统的检测方法。本发明可以对淤泥的沉积进行全天候、不间断、全自动、无人值守、远程无线传输的监测，最大限度地保证了野外复杂环境下流域淤泥沉积采集和分析的质量。

Description

一种淤泥沉积在线监测系统及方法

技术领域

本发明属于淤泥监测领域，特别涉及一种可全天候工作的浸入式、介质不影响测量结果的淤泥沉积在线监测系统及方法。

背景技术

淤泥是静水或缓慢的流水环境中沉积、经生物化学作用形成、天然含水量大于液限、天然孔隙比大于或等于1.5的粘性土。在有微生物参与作用的条件下形成近代沉积物，富含有机物，通常呈灰黑色；力学强度低，压缩性强，其抗震性能很差。在强烈地震作用下，易引起建筑物地基沉陷。

在水土保持的科学研究中需要监测在流域中淤泥沉积的形成模型，以研究各大流域各个季节、天气变化下的流域淤泥沉积过程。目前此领域方法主要有：测杆法、静力触探法、超声波探测法、放射线探测法等。目前此类装置受周围影响较大，且需人工去到野外环境现场操作，存在效率低、精度差、安全性差等问题。

因此，需要提供一种全天候、全自动、测量精度高的淤泥沉积在线监测系统及方法。

发明内容

本发明的一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种淤泥沉积在线监测系统，可以对淤泥的沉积进行全天候、不间断、全自动、无人值守、远程无线传输的监测，最大限度地保证了野外复杂环境下流域淤泥沉积采集和分析的质量。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述淤泥沉积在线监测系统的方法，通过无线通讯方式接收监测指令，并将采集到的实时沉积量数据传递到远程数据处理器，可以对淤泥的沉积进行全天候、全自动的监测。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种淤泥沉积在线监测系统，包括若干个监测模块和远程数据处理器；每个所述监测模块包括信息采集模块、电源模块、控制器和无线传输模块，信息采集模块包括立杆、第一子传感器和第二子传感器，第一子传感器和第二子传感器均固定在立杆上，二者垂直方向间距固定；第一子传感器和第二子传感器均与控制器数据相连；电源模块为信息采集模块、控制器、无线传输模块供电，控制器通过无线传输模块与远程数据处理器相连。通过在野外不同区域设置一个监测模块，即可实现该区域的淤泥沉积自动采集，通过发送到远程数据处理器，即可实现分析等功能，实现全天候、全自动的监测。

优选的，在所述立杆上设有若干个固定安装孔，每个固定安装孔之间的距离已知，通过上述固定安装孔，第一子传感器和第二子传感器在立杆上的位置可调。从而可根据淤泥的厚度对第一子传感器的位置进行调整。

优选的，所述第一子传感器采用超声波传感器，密闭封装在第一壳体内，在第一壳体底面设有信号发射接收口；超声波传感器通过有线方式与控制器数据连接。

优选的，所述第二子传感器为一超声信号接收模块，密闭封装在第二壳体内，在第二壳体底面设有信号接收口；超声信号接收模块通过有线方式与控制器数据连接。

优选的，所述立杆上方设有垂直度检测仪。通过该检测仪，可以调整立杆的方向，使其尽量保持垂直，避免出现计算错误。

优选的，所述电源模块包括互补控制器、主电源和蓄电池，主电源包括太阳能板及风能发电机，互补控制器控制太阳能板及风能发电机进行互补发电；主电源向监测系统供电，并向备用蓄电池充电。根据野外实际环境，采用太阳能板及风能发电机进行自主供电，无需额外提供电源，同时将蓄电池作为备用电池，可进一步提高电源供电的稳定性。

优选的，所述监测系统还包括用于监测温度、湿度、风速、风向、气压、蒸发等环境参数的基本气象监测模块。

一种基于上述淤泥沉积在线监测系统的方法，包括步骤：

对每一个信息采集模块中第一子传感器和第二子传感器的距离D_a进行标定；

将标定好的监测模块布置在待监测区域内，对于每一个监测模块，立杆插入到淤泥底部，第一子传感器在第二子传感器下方，水位的高度高于第二子传感器，

第一子传感器向淤泥底部发射超声波信号，记录第一子传感器和第二子传感器分别收到回波信号的时间T_a、T_b；

计算得到当前监测模块中淤泥表面至第一子传感器的距离为：

将上述距离信息通过无线方式发送到远程数据处理器。

优选的，对每一个信息采集模块中第一子传感器和第二子传感器的距离D_a进行标定，步骤是：

S1、先将第一子传感器及第二子传感器固定好后，将整个立杆放在一个架子上，手工测量出第一子传感器离地面的距离D_e1；

S2、将第一子传感器的高度数据D_e1输入到控制器；

S3、控制器控制第一子传感器向架子底部发射超声波信号，并同时采集第一子传感器收到回波信号的时间数据T_e1及第二子传感器收到回波信号的时间数据T_e2；

S4、根据下述公式即可算出第一子传感器与第二子传感器之间的距离D_a：

D_a＝(T_e2-T_e1)*D_e1/(T_e1/2)。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明可实现全天候、不间断、全自动、无人值守、远程无线传输的淤泥沉积监测，无需人工去到野外环境现场操作，具有效率高、精度高、安全性高、用工成本低等优点。

(2)由于声音信号在不同的介质及不同温度下的传输时间是不一样的，所以一般的传感器很难精确测量出这种复杂情况下的距离数据，本发明在测量时，立杆底部插入到淤泥内部，第一子传感器在第二子传感器下方，水位的高度高于第二子传感器，从而使第一子传感器和第二子传感器均处在同一介质内，通过对两个传感器信号接收时间的计算就能够有效避免不同介质及不同温度下的混水(泥水)中传输声音信号的速度问题，实现准确的测量。

(3)本发明采集的数据可通过无线方式传递到控制器，由控制器自动运行，无需人工操作，保证了操作的安全性。同时设备简单，维护允许简单，提高了工作效率。

(4)由于本发明采用的是差值比较算术计算法得出的高度数据，所以安装不需要严格的标定，不需要保持绝对的垂直，可以完美解决在安装过程带来的误差。

附图说明

图1是本实施例淤泥沉积在线监测系统的结构示意图。

图2是本实施例淤泥沉积在线监测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例一种淤泥沉积在线监测系统，包括若干个监测模块和远程数据处理器，监测模块在标定后放置在野外环境中，远程数据处理器放置在监控端，每一个监测模块都分别通过无线方式与远程数据处理器连接。监测模块可以定时发送采集数据到远程数据处理器，也可以在收到远程数据处理器发送过来的采集指令后再开始采集工作，具体根据实际情况进行具体设定。

参见图1，每个监测模块包括信息采集模块、电源模块、控制器、无线传输模块和基本气象监测模块。电源模块为监测模块中各个部件进行供电，信息采集模块用于采集数据的执行，控制器用于将信息采集模块采集的数据、基本气象监测模块监测的数据等通过无线传输模块发送到远程数据处理器。

具体的，所述信息采集模块包括立杆、第一子传感器和第二子传感器，第一子传感器和第二子传感器均固定在立杆上，固定方式可为螺纹固定、卡扣固定、嵌入式固定等多种方式。

所示立柱优选为一根垂直的不锈钢或者硬质塑料管。当第一子传感器和第二子传感器通过螺纹方式固定时，可在立柱上面设有固定安装孔，每个固定安装孔之间的距离已知，然后通过螺柱将子传感器和固定安装孔进行固定。当然，也可以在立柱上设置若干个固定位置的凸起，子传感器通过卡扣固定在立柱上，这里不再赘述。为了调整立杆的方向，可在立杆上方设置垂直度检测仪。

在实际应用中，第一子传感器和第二子传感器可与控制器有线连接，控制器接收到的数据通过无线传输模块发送到远程的数据终端。具体的：第一子传感器采用超声波传感器，现有的任意超声波传感器均可。密闭封装在第一壳体内，在第一壳体底面设有信号发射接收口。第一子传感器采集的信号通过有线传输子模块发送到控制器。第二子传感器为一超声信号接收模块，现有的可实现超声信号接收功能的模块均可。密闭封装在第二壳体内，在第二壳体底面设有信号接收口；子传感器采集的信号通过有线传输子模块发送到控制器。

所述电源模块可以采用蓄电池供电。不过为了延长系统的使用寿命，避免工作人员来回更换电池，提出采用自动发电供电的方式，即设置了主电源和蓄电池，主电源包括太阳能板及风能发电机，互补控制器控制太阳能板及风能发电机进行互补发电。主电源不仅向监测系统供电，并向备用蓄电池充电。在正常工作时由主电源供电，当发生意外，或者周围环境不足以再向系统供电时，启动蓄电池供电。

所述基本气象监测模块可设置在立杆的顶端，用于监测温度、湿度、风速、风向、气压、蒸发等环境参数，各个参数的监测可采用现有的传感器实现。

参见图2，本实施例中一种基于上述淤泥沉积在线监测系统的方法，包括步骤：

一、对每一个信息采集模块中第一子传感器和第二子传感器的距离D_a进行标定。

一般来说，第一子传感器及第二子传感器的位置需要在安装前需要固定好，并且需要精确标定好后，将精确标定好后的二个子传感器的距离数据记录下来用于后面的计算。标定有两种方法：

一种方法是，将第一子传感器及第二子传感器固定好后，将整个系统放在一个架子上，保持立杆平衡，用尺子测量出二个子传感器的距离。这种属于手工测量，精度较低。

另一种方法是自动标定，步骤如下：

S1、先将第一子传感器及第二子传感器固定好后，将整个立杆放在一个架子上，手工测量出第一子传感器离地面的距离D_e1；

S2、用电脑串口连接传感器系统的串口，并通过电脑串口向传感器发送标定命令，同时将第一子传感器的高度数据D_e1发送给控制器；

S3、控制器控制第一子传感器向架子底部发射超声波信号，并同时采集第一子传感器收到回波信号的时间数据T_e1及第二子传感器收到回波信号的时间数据T_e2；

S4、根据下述公式即可算出第一子传感器与第二子传感器之间的距离D_a：

D_a＝(T_e2-T_e1)*D_e1/(T_e1/2)。

自动保存此距离数据，用于后面淤泥沉积的测定。

二、将标定好的监测模块布置在待监测区域内，对于每一个监测模块，立杆插入到淤泥底部，第一子传感器在第二子传感器下方，水位的高度高于第二子传感器。

三、在收到监测信号，或者到达指定的时间后，第一子传感器向淤泥底部发射超声波信号，记录第一子传感器和第二子传感器分别收到回波信号的时间T_a、T_b。

四、计算得到当前监测模块中淤泥表面至第一子传感器的距离为：

五、将上述距离信息通过无线方式发送到远程数据处理器。远程数据处理器根据采集的信息进行分析，判断当前淤泥沉积情况。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种淤泥沉积在线监测系统，其特征在于，包括若干个监测模块和远程数据处理器；每个所述监测模块包括信息采集模块、电源模块、控制器和无线传输模块，信息采集模块包括立杆、第一子传感器和第二子传感器，第一子传感器和第二子传感器均固定在立杆上，二者垂直方向间距固定；第一子传感器和第二子传感器均与控制器数据相连；电源模块为信息采集模块、控制器、无线传输模块供电，控制器通过无线传输模块与远程数据处理器相连。

2.根据权利要求1所述的淤泥沉积在线监测系统，其特征在于，在所述立杆上设有若干个固定安装孔，每个固定安装孔之间的距离已知，通过上述固定安装孔，第一子传感器和第二子传感器在立杆上的位置可调。

3.根据权利要求1所述的淤泥沉积在线监测系统，其特征在于，所述第一子传感器采用超声波传感器，密闭封装在第一壳体内，在第一壳体底面设有信号发射接收口；超声波传感器通过有线方式与控制器数据连接。

4.根据权利要求1所述的淤泥沉积在线监测系统，其特征在于，所述第二子传感器为一超声信号接收模块，密闭封装在第二壳体内，在第二壳体底面设有信号接收口；超声信号接收模块通过有线方式与控制器数据连接。

5.根据权利要求1所述的淤泥沉积在线监测系统，其特征在于，所述立杆上方设有垂直度检测仪。

6.根据权利要求1所述的淤泥沉积在线监测系统，其特征在于，所述电源模块包括互补控制器、主电源和蓄电池，主电源包括太阳能板及风能发电机，互补控制器控制太阳能板及风能发电机进行互补发电；主电源向监测系统供电，并向备用蓄电池充电。

7.根据权利要求1所述的淤泥沉积在线监测系统，其特征在于，所述监测系统还包括基本气象监测模块。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述淤泥沉积在线监测系统的监测方法，其特征在于，包括步骤：

对每一个信息采集模块中第一子传感器和第二子传感器的距离D_a进行标定；

将标定好的监测模块布置在待监测区域内，对于每一个监测模块，立杆插入到淤泥底部，第一子传感器在第二子传感器下方，水位的高度高于第二子传感器，

第一子传感器向淤泥底部发射超声波信号，记录第一子传感器和第二子传感器分别收到回波信号的时间T_a、T_b；

计算得到当前监测模块中淤泥表面至第一子传感器的距离为：

将上述距离信息通过无线方式发送到远程数据处理器。

9.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于，对每一个信息采集模块中第一子传感器和第二子传感器的距离D_a进行标定，步骤是：

S1、先将第一子传感器及第二子传感器固定好后，将整个立杆放在一个架子上，手工测量出第一子传感器离地面的距离D_e1；

S2、将第一子传感器的高度数据D_e1输入到控制器；

S3、控制器控制第一子传感器向架子底部发射超声波信号，并同时采集第一子传感器收到回波信号的时间数据T_e1及第二子传感器收到回波信号的时间数据T_e2；

S4、根据下述公式即可算出第一子传感器与第二子传感器之间的距离D_a：

D_a＝(T_e2-T_e1)*D_e1/(T_e1/2)。