CN111947726A - 一种低功耗多功能雷达流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗多功能雷达流量计，包括控制器、电连接于所述控制器的流速雷达测量电路、通讯模块、存储模块及储能电池，还包括电连接于控制器的电源信息采集电路、发电模块及实时时钟，所述实时时钟用于计时发出唤醒信号或休眠信号，对应地使得所述低功耗多功能雷达流量计处于唤醒状态或休眠状态。本发明通过设置发电模块、储能电池及实时时钟，平常用发电模块提供电能，发电模块电能不足时，用储能电池提供电能，解决了功耗多功能雷达流量计的电能的来源问题，不需要经常性的更换电池或人工补充电能。并且通过实时时钟在规定的时间发出唤醒信号或休眠信号以唤醒或休眠相关功能模块，进一步的节省了功耗多功能雷达流量计电能的消耗。

Description

一种低功耗多功能雷达流量计

技术领域

本发明涉及水流量监测技术领域，特别是涉及一种低功耗多功能雷达流量计。

背景技术

在对水资源监控管理的过程中，对河道、明渠、灌渠、地下排水管、防汛预警等场合的水况的水位、流速、流量的监测数据是决策的重要依据。流量计是用监测水位、流速、流量等水况信息的仪器，流量计工作于室外，室外工作环境复杂多变，供电环境不稳定。而流量计本身处于常耗能状态，因此需要定期的流量计的电量进行检查和补充电能，使用起来非常不便，而且耗费人力物力和能源。

因此，如何设计一种节能的流量计以解决现有流量计需要经常检查和补充电能的问题是业界亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述现有技术中低功耗多功能雷达流量计需要经常检查和补充电能的技术问题，本发明提出一种低功耗多功能雷达流量计。

本发明提出一种低功耗多功能雷达流量计，包括控制器、电连接于所述控制器的流速雷达测量电路、通讯模块、存储模块及储能电池，还包括电连接于控制器的电源信息采集电路、发电模块及实时时钟，所述实时时钟用于计时发出唤醒信号或休眠信号，对应地使得所述低功耗多功能雷达流量计处于唤醒状态或休眠状态。

在一实施方式中，所述发电模块包括水力发电模块及/或太阳能发电模块。

在一实施方式中，优先使用所述发电模块提供电能，当所述发电模块提供的电能不足时，由所述储能电池提供电能；当所述储能电池存储的电量不足时，由所述发电模块给所述储能电池充电。

在一实施方式中，所述发电模块及储能电池通过电源开关电连接于所述流速雷达测量电路及通信模块，所述控制器控制所述电源开关在规定的时间闭合或断开。

在一实施方式中，所述流速雷达测量电路包括流速雷达天线，还包括电连接于所述控制器的用于矫正所述流速雷达天线发出的雷达波的方向的方向矫正电路。

在一实施方式中，还包括电连接于所述控制器的倾斜角测量电路，其用于测量所述流速雷达天线与水面的倾斜角。

在一实施方式中，还包括外壳及用于支撑所述外壳的支撑杆。

在一实施方式中，所述太阳能发电模块包括太阳能电池板，其安装于所述支撑杆上。

在一实施方式中，所述太阳能电池板可收缩或展开。

在一实施方式中，还包括电连接于所述控制器的用于检测环境风力信息的风力检测器，所述太阳能电池板根据所述风力信息收缩或展开。

与现有技术比较，本发明具有如下优点。

首先，本发明通过设置发电模块及实时时钟，平常用发电模块提供电能，发电模块电能不足时，用储能电池提供电能，解决了电能的来源问题，不需要经常性的更换电池或人工补充电能。并且通过实时时钟在规定的时间发出唤醒信号或休眠信号以唤醒或休眠相关功能模块，进一步的节省了电能的消耗。

其次，通过在低功耗多功能雷达流量计中设置方向矫正电路，以矫正实际安装过程中产生的安装偏差，对测量速度进行补偿，提升了低功耗多功能雷达流量计的测量精度。

最后，通过设置可收缩或展开的太阳能电池板以及设置风力检测器根据环境风力信息决定太阳能电池板是收缩或展开，在风力较大时，收缩太阳能电池板，使得风力对太阳能电池板吹动所产生的波动摇晃减轻。从而提升了低功耗多功能雷达流量计测量流速、流量等水况信息的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以如这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中低功耗多功能雷达流量计的功能模块结构示意简图；

图2为本发明另一实施例中低功耗多功能雷达流量计的功能模块结构示意简图；

图3为本发明实施例中低功耗多功能雷达流量计应用于场景中的结构示意简图。

附图标记说明：1、低功耗多功能雷达流量计；11、流速雷达天线；12、水位雷达天线。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由此，本说明书中所指出的一个特征将用于说明本发明的一个实施方式的其中一个特征，而不是暗示本发明的每个实施方式必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的系统设计，但是这些特征也可用于其他的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。

请参阅图1，本发明提出一种低功耗多功能雷达流量计，包括控制器、电连接于所述控制器的流速雷达测量电路、水位雷达测量电路、通讯模块、存储模块及储能电池，还包括电连接于控制器的电源信息采集电路、发电模块及实时时钟，所述实时时钟用于计时发出唤醒信号或休眠信号，对应地使得所述低功耗多功能雷达流量计处于唤醒状态或休眠状态。流速雷达测量电路用于测量水流的流速，水位雷达测量电路用于测量水流的水位。本发明通过设置发电模块、储能电池及实时时钟，平常用发电模块提供电能，发电模块电能不足时，用储能电池提供电能，解决了功耗多功能雷达流量计的电能的来源问题，不需要经常性的更换电池或人工补充电能。并且通过实时时钟在规定的时间发出唤醒信号或休眠信号以唤醒或休眠相关功能模块，进一步的节省了功耗多功能雷达流量计电能的消耗。

下面结合附图以及实施例对本发明的原理及结构进行详细说明。

请参阅图3，流速雷达测量电路电连接于控制器，优选地，流速雷达测量电路中采用相参脉冲雷达。流速雷达测量电路用于测量水流的流速并将其传递给控制器。具体地，流速雷达测量电路包括流速雷达天线11，在实际安装过程中，流速雷达天线11相对水面呈一钝角或锐角，使得流速雷达天线11发出的流速雷达波传播方向与水面呈一钝角或锐角，而不是直角。流速雷达波在水平方向和竖直方向形成分向量以对应水流的水平方向流速分量和竖直方向的流速分量。流速雷达波经水面反射后被流速雷达天线接收。流速雷达波经过水面反射后产生开普勒效应，根据开普勒效应即可测得水流在流速雷达波方向上的速度。再根据流速雷达波与水面的角度，即可计算出水流的水平方向的流速。

在优选的实施例中，低功耗多功能雷达流量计还包括有电连接于控制器的用于测量流速雷达天线11与水面的倾斜角的倾斜角测量电路以及用于矫正流速雷达天线11发出的雷达波的方向的方向矫正电路。由于在实际安装应用低功耗多功能雷达流量计的过程中，存在不可避免的安装误差，导致流速雷达天线11与水面的倾斜角不符合理想的角度，进一步导致流速雷达天线11发出的流速雷达波的方向与水面方向所成的倾斜角出现误差，从而进一步的会导致后续的测量计算误差。因此低功耗多功能雷达流量计还包括设于倾斜角测量电路及方向矫正电路，分别连接于控制器。倾斜角测量电路用于测量流速雷达天线11与水面的倾斜角，方向矫正电路用于矫正流速雷达天线11发出的流速雷达波的方向。通过测量流速雷达天线11与水面的倾斜角，以使得流速雷达波与水面的倾斜角调制为预设的倾斜角，从而提升测量精度。

请继续参阅图3，水位雷达测量电路电连接于控制器，水位雷达测量电路用于测量水流的水位并将其传递给控制器。具体地，水位雷达测量电路包括水位雷达天线12，在实际安装使用过程中，水位雷达天线12的方向为水平面方向，因此其方向与流速雷达天线11方向呈一钝角或锐角。水位雷达天线12发出水位雷达波，水位雷达波经过水面反射后被低功耗多功能雷达流量计接收，并通过控制器计算出低功耗多功能雷达流量计到水面的距离h。低功耗多功能雷达流量计预先存储有低功耗多功能雷达流量计到水底的距离H，控制器计算该两个距离之差即得出水底到水面的距离c，即水位信息。

进一步地，控制器根据水流的流速信息及水流的水位信息计算水流的瞬时流量以及某一时间段的累计流量。具体地，预先测得河道、暗渠等中水流的截面积并储存在存储模块中，控制器以水流水平方向的流速乘以截面积即得到瞬时流量。控制器通过计算瞬时流量在某一时间段上的积分，即得到某一时间段的累计流量。在河道、暗渠等的截面为近似矩形的情况下，只需预先测得河道、暗渠的宽度储存与存储模块中。控制器根据水位雷达测量电路测得的该处的水位信息，计算出该处水流的截面面积，然后计算出流过该截面的瞬时流量、累计流量；在河道、暗渠等的截面为近似梯形的情况下，只需预先测得河道、暗渠的水底处的宽度以及斜边的斜率，并储存与存储模块中。控制器根据水位雷达测量电路测得的该处的水位信息，计算出该处水流的截面面积，然后基于截面面积以及水流水平方向的流速计算出流过该截面的瞬时流量、累计流量；同理，在河道、暗渠等的截面为近似半圆形、椭圆形、三角形等的情况下，根据几何规则，预先测得相应的量存储于存储模块中，然后根据水位信息计算出该处水流的截面面积，然后基于截面面积以及水流水平方向的流速计算出流过该截面的瞬时流量、累计流量。在优化的实施例中，由于水流的同一截面上不同位置的流速不一致，因此先通过实验求得水流的上表面的流速与水流中部、底部流速的经验公式，然后根据该经验公式计算流过水流该截面处的瞬时流量计累计流量。

请参阅图2，摄像头电连接于控制器，用于采集水流的监控画面，并将监控画面数据采集传递给控制器。通过设置摄像头，能够远程实时直观的监视水位情况。或者在雷达位移采集电路检测到流速、流量及水位信息或发出报警信息时，通过摄像头进一步的确认水位情况，了解水流及河岸等实情。

通信模块包括无线通信模块和有线通信模块，其中无线通模块无需布线，特别是远距离通信的情况下节省电缆资源，使用便捷方便。无线通讯模块包括NB-Iot通信电路及/或蓝牙通信电路及/或4G通信电路及/或Lora通信电路。用于将水流的流速信息、水位信息、流量信息、监控画面数据发送到云端服务器及/或终端设备。有线通讯模块包括USB通信电路，其用于本地在线通信，可进行程序下载升级。

低功耗多功能雷达流量计还设有连接于控制器的声音指示电路及音频播放器，用于根据水位信息、流速信息、流量信息发出声音提示信号，音波具有绕过障碍物的特性，便于工作人员接收低功耗多功能雷达流量计发出的各种提示信息。

电源信息采集电路电连接于储能电池、发电模块以及控制器。电源信息采集电路用于采集储能电池及发电模块的电压值和/或电流值和/或剩余电量值等电源信息，并将电源信息传递给控制器以及通过无线通信模块发送到终端设备。终端设备用于检测电源信息是否符合预设条件，具体地，当储能电池及发电模块的电压值和/或电流值和/或剩余电量值在预设的时间长度持续的低于预设值时，说明储能电池及发电模块出现故障，通过终端发出警报提示工作人员前往检修维护。

请继续参阅图2，发电模块包括水力发电模块及/或太阳能发电模块。水力发电模块电连接于控制器，相比于现有技术中的电池作为电源或市电作为电源，水力发电模块可以就近将水流的能量转换为电能，适应于低功耗多功能雷达流量计的应用场景。在一些实施例中，还包括太阳能发电模块，太阳能发电模块电连接于控制器。太阳能发电模块可以应用于水流量小，水能不足的地方。

在另一优选的实施例中，低功耗多功能的流量计包括外壳及支撑杆，外壳用于装设控制器、流速雷达测量电路、水位雷达测量电路、通讯模块、存储模块、储能电池、电源信息采集电路、发电模块及实时时钟等。太阳能发电模块为太阳能电池板，支撑杆用于支撑外壳和太阳能电池板。设置支撑杆以适用于水流周围没有用于安装低功耗多功能的流量计的条件的环境中。在使用时，直接将支撑杆固定在水流周围的土地中，此时低功耗多功能的流量计位于水面的上方，即可实现水位、水速、流量的测量。将太阳能电池板设置于支撑杆上，远离地面或水面，避免尘土对太阳能电池板的污染，避免降低太阳能电池板的光电转换率，以及避免水流上涨后侵泡到太阳能电池板对太阳能电池板造成的损伤。

在进一步优选实施例中，低功耗多功能的流量计还包括太阳能电池板安装架、电机、传动机构、以及风力检测器。太阳能电池板可收缩或展开，具体地，太阳能电池板根据风力检测的环境风力信息收缩或展开。多块太阳电池板相互平行重叠设置于太阳能安装架中，安装架上设有滑槽，太阳能电池板上对应于滑槽设有滑轮。传动机构的一端连接于电机，另一端连接于太阳能电池板。电机及风力检测器电连接于控制器，风力检测器检测环境风力大小信息，并将风力大小信息传递给控制器，控制器根据风力大小信息发出命令控制电机的转动方向。当风力大于预设的风力值时，控制器发出收缩命令给电机，电机旋转通过传动机构带动太阳能电池板在太阳能安装架上滑动至相互平行重叠状态，此时太阳能电池板收缩。当风力小于等于预设的风力值时，控制器发出展开命令给电机，电机旋转通过传动机构带动太阳能电池板在太阳能安装架上滑动至多块太阳能电池板相互并列的状态，此时太阳能电池板展开。通过上述设置实，在风力较大时，收缩太阳能电池板，太阳能电池板受到风吹动的面积减少，太阳电池板收到风力的影响减轻，使得风力对太阳能电池板吹动所产生的波动摇晃减轻。从而使得支撑杆的摇动减弱，外壳以及外壳中的控制器、流速雷达测量电路、水位雷达测量电路、通讯模块、存储模块、储能电池、电源信息采集电路、发电模块及实时时钟等的摆动摇晃减弱，提升了水位雷达测量电路及流速雷达测量电路测量水位、流速、流量的准确性。

在可选实施例中，当太阳能电池板收缩时，选择储能电池供电。以保障在风力较大的恶劣天气中，低功耗多功能的流量计能够继续使用。而风力大的恶劣天气通常也是风雨交加的天气，降雨量较多，水流水位的变化幅度较大，尤其需要水位、水速、流量信息。此实施例保障了在风力较大的天气的情况下，低功耗多功能雷达流量计依然能够使用，提升了稳定性和安全性。

储能电池与控制器及发电模块电连接，储能电池用于在发电模块供电不足时或出现故障时备用。当储能电池中的电量不足时，通过发电模块给储能电池充电。在优选的实施例中，水力发电模块主要用于给低功耗多功能雷达流量计中的控制器、流速雷达测量电路、水位雷达测量电路、摄像头、通讯模块、存储模块提供电能。当水力发电模块出现故障等情况不足以提供所需电能时，启动太阳能发电模块给控制器、流速雷达测量电路、水位雷达测量电路、摄像头、通讯模块、存储模块提供电能。当水力发电模块出现故障且处于阴天或夜晚时，启动储能电池给控制器、流速雷达测量电路、水位雷达测量电路、摄像头、通讯模块、存储模块提供电能。当储能电池中的电量不足时，通过太阳能发电模块给储能电池充电，以保障水力发电模块给控制器、流速雷达测量电路、水位雷达测量电路、摄像头、通讯模块、存储模块提供电能的稳定性。

发电模块及储能电池通过电源开关分别与流速雷达测量电路、水位雷达测量电路、摄像头、通讯模块电连接。电源开关的受控端电连接于控制器，控制器发出指令控制电源开关的通断。具体地，在一实施例中，发电模块及储能电池电连接于一个电源开关后分别电连接于流速雷达测量电路、水位雷达测量电路、摄像头、通讯模块。以使得流速雷达测量电路、水位雷达测量电路、摄像头、通讯模块能够同步的通电或断电。在另一实施例中，发电模块及储能电池分别电连接多个开关，多个开关分别对应地电连接流速雷达测量电路、水位雷达测量电路、摄像头、通讯模块。以使得根据实际需要，分别控制流速雷达测量电路、水位雷达测量电路、摄像头、通讯模块中的一个或多个通电或断电，达到根据实际需要，有选择的节省电能的目的。

低功耗多功能雷达流量计的实时时钟为电连接于控制器的RTC时钟电路，其用于计时并传递给控制器。控制器中设有与低功耗多功能雷达流量计各种状态对应的预设时间，当计时满足各预设时间时，控制器启动对应各种状态的操作。具体地，低功耗多功能雷达流量计各种状态对应的预设时间可以包括：对应休眠/唤醒状态的休眠/唤醒预设时间、对应发出声音提示信息的声音提示信息预设时间、对应定期将水流的流速信息、水位信息、流量信息、监控画面数据通过无线通信模块发送到云端服务器或终端设备的信息发送预设时间等。

在一优选实施例中，通过RTC时钟电路预设时间以周期性的通过通讯模块发送水位信息、流速信息、流量信息到云端服务器及后台终端。当水位达到预警水位时或流速达到预警流速时或流量达到预设流量时，发出预警信息，且同步开启摄像头，上传监控画面数据至云端服务器及后台终端，以便及时通过视频查看了解情况。此实施例中，由于不需要时时同步开启摄像头和时时上传监控画面数据，因此在保障安全的同时节省了能耗。

存储模块用于存储预设参数、水流的流速信息、水流的水位信息、水流的流量信息、监控画面数据等。通讯模块用于将流速信息、水位信息、流量信息、监控画面数据等传递给云端服务器、终端设备等。通过流速雷达测量电路和水位雷达测量电路测量水流的流速和水位，克服传统技术中通过接触式的方法测量流速和水位易受风、温度、雾霾、泥沙、漂浮物等影响的缺陷，提升了测量精准性。

与现有技术比较，本发明具有如下优点。

首先，本发明通过设置发电模块及实时时钟，平常用发电模块提供电能，发电模块电能不足时，用储能电池提供电能，解决了电能的来源问题，不需要经常性的更换电池或人工补充电能。并且通过实时时钟在规定的时间发出唤醒信号或休眠信号以唤醒或休眠相关功能模块，进一步的节省了电能的消耗。

其次，通过在低功耗多功能雷达流量计中设置方向矫正电路，以矫正实际安装过程中产生的安装偏差，对测量速度进行补偿，提升了低功耗多功能雷达流量计的测量精度。

其次，通过设置水位雷达测量电路，实现了用同一低功耗多功能雷达流量计测量流速、水位、流量等多方面的水流信息。

再其次，通过设置NB-Iot通信电路及/或蓝牙通信电路及/或4G通信电路及/或Lora通信电路，无需布线，便于远程监管维护。

最后，通过设置可收缩或展开的太阳能电池板以及设置风力检测器根据环境风力信息决定太阳能电池板是收缩或展开，在风力较大时，收缩太阳能电池板，使得风力对太阳能电池板吹动所产生的波动摇晃减轻。从而提升了低功耗多功能雷达流量计测量流速、流量等水况信息的准确性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低功耗多功能雷达流量计，包括控制器、电连接于所述控制器的流速雷达测量电路、通讯模块、存储模块及储能电池，其特征是，还包括电连接于控制器的电源信息采集电路、发电模块及实时时钟，所述实时时钟用于计时发出唤醒信号或休眠信号，对应地使得所述低功耗多功能雷达流量计处于唤醒状态或休眠状态。

2.如权利要求1所述的低功耗多功能雷达流量计，其特征是，所述发电模块包括水力发电模块及/或太阳能发电模块。

3.如权利要求2所述的低功耗多功能雷达流量计，其特征是，优先使用所述发电模块提供电能，当所述发电模块提供的电能不足时，由所述储能电池提供电能；当所述储能电池存储的电量不足时，由所述发电模块给所述储能电池充电。

4.如权利要求1所述的低功耗多功能雷达流量计，其特征是，所述发电模块及储能电池通过电源开关电连接于所述流速雷达测量电路及通信模块，所述控制器控制所述电源开关在规定的时间闭合或断开。

5.如权利要求1所述的低功耗多功能雷达流量计，其特征是，所述流速雷达测量电路包括流速雷达天线，还包括电连接于所述控制器的用于矫正所述流速雷达天线发出的雷达波的方向的方向矫正电路。

6.如权利要求5所述的低功耗多功能雷达流量计，其特征是，还包括电连接于所述控制器的倾斜角测量电路，其用于测量所述流速雷达天线与水面的倾斜角。

7.如权利要求2所述的低功耗多功能雷达流量计，其特征是，还包括外壳及用于支撑所述外壳的支撑杆。

8.如权利要求7所述的低功耗多功能雷达流量计，其特征是，所述太阳能发电模块包括太阳能电池板，其安装于所述支撑杆上。

9.如权利要求8所述的低功耗多功能雷达流量计，其特征是，所述太阳能电池板可收缩或展开。

10.如权利要求9所述的低功耗多功能雷达流量计，其特征是，还包括电连接于所述控制器的用于检测环境风力信息的风力检测器，所述太阳能电池板根据所述风力信息收缩或展开。

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