CN112558190A - 用于城市暴雨洪涝的水位雨量一体监控系统 - Google Patents

用于城市暴雨洪涝的水位雨量一体监控系统 Download PDF

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CN112558190A CN202011495635.5A CN202011495635A CN112558190A CN 112558190 A CN112558190 A CN 112558190A CN 202011495635 A CN202011495635 A CN 202011495635A CN 112558190 A CN112558190 A CN 112558190A
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Abstract

本发明提供一种用于城市暴雨洪涝的水位雨量一体监控系统包括后台服务器和若干个水位雨量采集装置；所述若干个水位雨量采集装置包括N1个分布在当前城市对应的河流区域内的第一水位雨量采集装置、N2个分布在当前城市对应的易涝区域内的第二水位雨量采集装置和N3个分布在前述易涝区域对应的排水管道内的第三水位雨量采集装置。本发明将城市对应的待监控区域划分为河流区域和易涝区域两类，根据不同区域的特性布设不同种类的水位雨量采集装置，并结合实际情况动态调整数据采集周期和数据发送周期，尽可能地减少采集装置的电量损耗。

Description

用于城市暴雨洪涝的水位雨量一体监控系统
技术领域
本发明涉及城市洪涝监控领域，具体而言涉及一种用于城市暴雨洪涝的水位雨量一体监控系统。
背景技术
水情监测时水文行业最为基础也是最为重要的一项工作，目前有大量水情采集装置散落分布在户外，重点用于对水位和雨量进行实时监测，并且通过无线通讯系统发送回监测中心。
近年来，城市化发展带来了建筑物和人流的密集，除了有利于社会发展之外也带来了一些弊端，例如当暴雨降临时，城市的局部区域很容易出现内涝积水，给城市居民的生活带来了极大的不便。有研究人员提出，在城市内布设大量水情监测设备，实现对城市内水位和雨量的有效监控。然而这一技术方案在实际运行时遭遇了以下问题：
传统的监测装置分为：供电模块(铅酸电池+太阳能板辅充)+传感器+RTU+DTU。传统的监测设备采用12V供电，系统正常休眠功耗在2MA左右，系统可通过设置采用5分钟或者小时报的方式发送采集的数据。外置的DTU功耗为140MA，按照发送数据平均上电时间1分钟来计算，常规的电池只能连续15天阴雨，只能通过太阳能辅充的方式完成电量的供给。也就是说，当城市遭遇连绵暴雨时，布设在城市内的水情监测设备很容易因为电量耗尽导致监控失败，因为分布点场景各不相同且包含排水管道等不易维护的场景，每年消耗在这些水情设备上的维护成本也相当可观。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于城市暴雨洪涝的水位雨量一体监控系统，将城市对应的待监控区域划分为河流区域和易涝区域两类，根据不同区域的特性布设不同种类的水位雨量采集装置，并结合实际情况动态调整数据采集周期和数据发送周期，尽可能地减少采集装置的电量损耗；另外，提出一种具有全新工作原理的小型化控制主板，在确保数据上传效率的前提下，大幅降低整个采集装置的耗电量，使小容量蓄电池或轻便型充电电池也能够适配于本采集装置，继而大幅降低了整个采集装置的体积。
为达成上述目的，本发明提出一种用于城市暴雨洪涝的水位雨量一体监控系统，其特征在于，所述监控系统包括后台服务器和若干个水位雨量采集装置；
所述若干个水位雨量采集装置包括N1个分布在当前城市对应的河流区域内的第一水位雨量采集装置、N2个分布在当前城市对应的易涝区域内的第二水位雨量采集装置和N3个分布在前述易涝区域对应的排水管道内的第三水位雨量采集装置；所述N1、N2和N3为大于等于1的正整数；
所述N1个第一水位雨量采集装置用于按照第一采集周期采集河流区域的水位数据和雨量数据，将采集结果按照第一发送周期传输至后台服务器，所述第一水位雨量采集装置采用太阳能充电锂电池或非充电锂电池进行供电；所述N2个第二水位雨量采集装置用于按照第二采集周期采集易涝区域的水位数据和雨量数据，将采集结果按照第二发送周期传输至后台服务器，所述第一水位雨量采集装置采用太阳能充电锂电池进行供电；所述N3个第三水位雨量采集装置用于按照第三采集周期采集排水管道的水位数据，将采集结果按照第一发送周期传输至后台服务器，所述第一水位雨量采集装置采用非充电锂电池进行供电；
所述后台服务器周期性获取所有水位雨量采集装置发送的水位数据和雨量数据，计算得到各个区域的暴雨洪涝等级，并且以持续收到每个河流区域和每个易涝区域的实时水位为约束条件，以最佳匹配实际发送周期和对应区域的暴雨洪涝等级为优化目标，结合剩余降雨时长和第一水位雨量采集装置的剩余电量，动态调整第一发送周期，结合剩余排涝时长、第二水位雨量采集装置和第三水位雨量采集装置的剩余电量，动态调整第二发送周期和第三发送周期；
所述持续收到每个河流区域和每个易涝区域的实时水位是指，每个区域的水位数据的实际发送间隔时长不超过对应区域的预设间隔时长阈值。
进一步地，所述水位雨量采集装置包括电池组件、电压转换电路、升压电路、降压电路、第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关、第四电子开关、MCU组件、雨量计控制电路、数据存储器、参数存储器、水位压力传感器的控制电路、水位压力传感器的通讯电路、蓝牙通讯模块和4G通讯模块；
所述电池组件通过电压转换电路与MCU组件、雨量计控制电路分别连接，电压转换电路用于将电池组件输出的第一工作电压转换成第二工作电压，提供给MCU组件和雨量计控制电路；
所述电池组件通过第一电子开关与蓝牙通讯模块连接，第一电子开关根据MUC组件下发的控制指令切换通断状态；
所述电池组件通过第二电子开关分别与数据存储器、参数存储器和水位压力传感器通讯电路连接，第二电子开关根据MUC组件下发的控制指令切换通断状态；所述参数存储器用于存储监控中心经蓝牙通讯模块发送的采集装置相关的各项运行参数；所述数据存储器中包括历史数据库、当前周期数据库和补发送数据库；所述历史数据库用于存储已发送数据，补发送数据库用于存储发送失败的数据；
所述电池组件依次通过第三电子开关、升压电路与水位压力传感器的控制电路连接，第三电子开关根据MUC组件下发的控制指令切换通断状态，升压电路用于将电池组件输出的第一工作电压转换成第三工作电压提供给水位压力传感器的控制电路；
所述电池组件依次通过第四电子开关、降压电路与4G通讯模块连接，第四电子开关根据MUC组件下发的控制指令切换通断状态，降压电路用于将电池组件输出的第一工作电压转换成第四工作电压提供给4G通讯模块；
所述MCU组件根据参数存储器中存储的各项运行参数进行参数设置，其中，MCU组件的初始状态为休眠状态；在参数设置完成后，所述MCU组件根据预设唤醒周期分别下发包括数据采集、数据存储在内的控制指令集合，控制雨量计和水位压力传感器分别进行雨量数据和水位数据的采集，将采集结果存储至数据存储器的当前周期数据库，以及在电池组件剩余电量满足预设电量阈值时，按照预设发送周期将当前周期数据库和补发送数据库中的采集结果经由4G通讯模块发送至后台服务器，并根据发送结果将数据存入历史数据库或补发送数据库；
其中，MCU组件和雨量计控制电路在对应控制指令完成后立即进入休眠状态，第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关和第四电子开关在与其连接的功能组件完成对应控制指令后立刻恢复切断状态。
进一步地，所述MCU组件处于休眠状态，周期性唤醒以分别下发包括参数设置、数据采集、数据存储和数据发送在内的控制指令集合是指：
(1)当控制指令集合为水位数据采集时：MCU组件连通第三电子开关，使电池组件提供水位压力传感器的控制电路正常工作所需第三工作电压，MCU组件下发水位采集指令至水位压力传感器的控制电路，驱使水位压力传感器对水位数据进行采集；并且根据预设采集周期连通第二电子开关，通过水位压力传感器的通讯电路获取采集到的水位数据采集结果；
(2)当控制指令集合为雨量数据采集时：MCU组件下发雨量采集指令至雨量计控制电路，驱使雨量计对雨量数据进行采集，实时获取雨量数据采集结果；
(3)当控制指令集合为数据存储时：MCU组件连通第二电子开关，将接收到的水位数据采集结果或雨量数据采集结果发送至数据存储器；
(4)当控制指令集合为数据发送时：MCU组件连通第四电子开关，通过4G通讯模块将数据存储器中存储的雨量数据或水位数据发送至监控中心；
(5)当控制指令集合为参数设置时：MCU组件连通第二电子开关，读取参数存储器中存储的采集装置相关的各项运行参数，进行参数设置。
进一步地，所述降压电路包括分压单元、关断和逻辑控制单元、MOS管驱动单元、第一MOS管、第二MOS管、比较器和输出电压采样单元；
所述输出电压采样单元包括相互串联的第三电阻和第四电阻，第四电阻不与第三电阻连接的一段接地，第三电阻不与第四电阻连接的一端通过第一MOS管连接至电池组件的输出端；所述第三电阻与第四电阻的连接端输出信号被定义成输出电压采样信号；
所述输出电压采样信号和参考电压信号分别连接至比较器的两个输入端，比较器的输出端通过MOS管驱动单元连接至第一MOS管的栅极，比较器对输出电压采样信号和参考电压信号进行比较，根据比较结果采用MOS管驱动单元不断切换第一MOS管的通断状态，结合并联在负载端的保持电容使输出电压维持在设定输出值；
所述分压单元包括相互串联的第一电阻和第二电阻，第一电阻远离第二电阻的一端连接至电池组件，第二电阻远离第一电阻的一端接地，分压单元用于对电池组件的输出电压进行分压，得到使能电压，将使能电压输入至关断和逻辑控制单元；
所述关断和逻辑控制单元将使能电压与参考电压进行比对，如果使能电压大于参考电压，则输出低电平信号至第二MOS管的栅极，使第二MOS管处于导通状态，拉低输出电压至0v；否则，输出高电平信号值第二MOS管的栅极，使第二MOS管处于切断状态，使输出电压维持在设定输出值。
进一步地，所述后台服务器结合剩余降雨时长和第一水位雨量采集装置的剩余电量，动态调整第一发送周期的过程包括以下步骤：
S01，获取第一水位雨量采集装置发送的水位数据和雨量数据，计算得到对应河流区域的暴雨洪涝等级，所述河流区域的暴雨洪涝等级包括该河流区域的实时水位风险等级Ct、实时雨量等级Mt和预估剩余降雨持续时长Lt；
S02，对于非充电锂电池，根据下述公式计算得到第一水位雨量采集装置的第一采集周期
Figure BDA0002842074480000041
和第一发送周期
Figure BDA0002842074480000042
Figure BDA0002842074480000043
Figure BDA0002842074480000044
式中，T1是非充电锂电池对应的河流区域正常唤醒周期，S1是非充电锂电池对应的河流区域正常发送周期，
Figure BDA0002842074480000045
是水位风险等级Ct对应的河流区域唤醒周期调整因子，
Figure BDA0002842074480000046
是水位风险等级Ct对应的河流区域发送周期调整因子，ΔA是单次发送所需耗电量，A剩是最后一次数据发送周期显示的剩余电量，A1是非充电锂电池对应的电量阈值；
对于充电锂电池，根据下述公式计算得到第一水位雨量采集装置的第一采集周期
Figure BDA0002842074480000047
和第一发送周期
Figure BDA0002842074480000048
Figure BDA0002842074480000049
如果Ct<C0和Mt<M0均成立，
Figure BDA00028420744800000410
否则，
Figure BDA00028420744800000411
式中，T2是充电锂电池对应的河流区域正常唤醒周期，S2是充电锂电池对应的河流区域正常发送周期，
Figure BDA00028420744800000412
是水位风险等级Ct对应的河流区域唤醒周期调整因子，
Figure BDA00028420744800000413
是雨量风险等级Mt对应的河流区域唤醒周期调整因子，f(Ct,Mt)是水位风险等级Ct和雨量风险等级Mt对应的河流区域发送周期调整函数，A2是充电锂电池对应的电量阈值，At是第t时刻的预估充电量；k是河流区域允许的连续补报次数限值，受对应河流区域的预设间隔时长阈值影响；L0是河流区域对应的预设剩余降雨时长阈值，C0是河流区域对应的预设水位风险阈值，M0是河流区域对应的预设雨量等级阈值。
进一步地，所述后台服务器结合剩余排涝时长、第二水位雨量采集装置和第三水位雨量采集装置的剩余电量，动态调整第二发送周期和第三发送周期的过程包括以下步骤：
S11，获取第二水位雨量采集装置发送的水位数据和雨量数据，计算得到对应易涝区域的洪涝水位Xt、该易涝区域的洪涝面积Yt、实时雨量等级Mt；
S12，结合第三水位雨量采集装置发送的排水管道的水位数据，计算得到对应易涝区域的管道风险δt和剩余排涝时长
Figure BDA0002842074480000051
S13，根据下述公式计算得到第三水位雨量采集装置的预设唤醒周期
Figure BDA0002842074480000052
和预设发送周期
Figure BDA0002842074480000053
Figure BDA0002842074480000054
Figure BDA0002842074480000055
式中，T3是第三水位雨量采集周期对应的排水管道的正常唤醒周期，S3是第三水位雨量采集周期对应的排水管道的正常发送周期，
Figure BDA0002842074480000056
是管道风险δt对应的唤醒周期调整因子，
Figure BDA0002842074480000057
是管道风险δt对应的发送周期调整因子，ΔA是单次发送所需耗电量，A剩是最后一次数据发送周期显示的剩余电量，A1是非充电锂电池对应的电量阈值；
S14，根据下述公式计算得到对应易涝区域的内涝风险等级θ(t)：
Figure BDA0002842074480000058
式中，Q1、Q2和Q3分别是洪涝水位Xt、洪涝面积Yt和实时积水量对应的内涝风险等级因子；q(σt)是第τ时刻排水管道水位为στ时对应的该易涝区域的单位时间排水量；p(Mt)是第τ时刻的雨量等级Mτ对应的该易涝区域的单位时间积水量；
Figure BDA0002842074480000059
大于等于0，如果计算结果小于0，则取值0；
S15，根据下述公式计算得到第二水位雨量采集装置的预设唤醒周期
Figure BDA00028420744800000510
和预设发送周期
Figure BDA00028420744800000511
Figure BDA00028420744800000512
如果θ(t)<θ1和Mt<M1均成立，
Figure BDA00028420744800000513
否则，
Figure BDA0002842074480000061
式中，L1是易涝区域对应的剩余排涝时长阈值，θ1是易涝区域对应的内涝风险阈值，M1是易涝区域对应的雨量等级阈值；u是易涝区域允许的连续补报次数限值，受对应易涝区域的预设间隔时长阈值影响；T2是易涝区域的正常唤醒周期，S2是易涝区域的正常发送周期，εθ(t)是内涝风险等级θ(t)对应的易涝区域的唤醒周期调整因子，
Figure BDA0002842074480000062
是雨量风险等级Mt对应的易涝区域的唤醒周期调整因子，f*(θ(t),Mt)是内涝风险等级θ(t)和雨量风险等级Mt对应的易涝区域的发送周期调整函数，A2是充电锂电池对应的电量阈值，At是第t时刻的预估充电量。
以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：
(1)将城市对应的待监控区域划分为河流区域和易涝区域两类，根据不同区域的特性布设不同种类的水位雨量采集装置，并结合实际情况动态调整数据采集周期和数据发送周期，尽可能地减少采集装置的电量损耗。
(2)另外，提出一种具有全新工作原理的小型化控制主板，在确保数据上传效率的前提下，大幅降低整个采集装置的耗电量，使小容量蓄电池或轻便型充电电池也能够适配于本采集装置，继而大幅降低了整个采集装置的体积。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明的用于城市暴雨洪涝的水位雨量一体监控系统的结构示意图。
图2是本发明的水位雨量采集装置的结构示意图。
图3是本发明的电源管理程序的具体实现方式示意图。
图4是降压电路结构示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图1，本发明提及一种用于城市暴雨洪涝的水位雨量一体监控系统，所述监控系统包括后台服务器和若干个水位雨量采集装置。
所述若干个水位雨量采集装置包括N1个分布在当前城市对应的河流区域内的第一水位雨量采集装置、N2个分布在当前城市对应的易涝区域内的第二水位雨量采集装置和N3个分布在前述易涝区域对应的排水管道内的第三水位雨量采集装置；所述N1、N2和N3为大于等于1的正整数。
所述N1个第一水位雨量采集装置用于按照第一采集周期采集河流区域的水位数据和雨量数据，将采集结果按照第一发送周期传输至后台服务器，所述第一水位雨量采集装置采用太阳能充电锂电池或非充电锂电池进行供电；所述N2个第二水位雨量采集装置用于按照第二采集周期采集易涝区域的水位数据和雨量数据，将采集结果按照第二发送周期传输至后台服务器，所述第一水位雨量采集装置采用太阳能充电锂电池进行供电；所述N3个第三水位雨量采集装置用于按照第三采集周期采集排水管道的水位数据，将采集结果按照第一发送周期传输至后台服务器，所述第一水位雨量采集装置采用非充电锂电池进行供电。
所述后台服务器周期性获取所有水位雨量采集装置发送的水位数据和雨量数据，计算得到各个区域的暴雨洪涝等级，并且以持续收到每个河流区域和每个易涝区域的实时水位为约束条件，以最佳匹配实际发送周期和对应区域的暴雨洪涝等级为优化目标，结合剩余降雨时长和第一水位雨量采集装置的剩余电量，动态调整第一发送周期，结合剩余排涝时长、第二水位雨量采集装置和第三水位雨量采集装置的剩余电量，动态调整第二发送周期和第三发送周期。
所述持续收到每个河流区域和每个易涝区域的实时水位是指，每个区域的水位数据的实际发送间隔时长不超过对应区域的预设间隔时长阈值。
1、水位雨量采集装置的结构和工作原理
结合图2，本发明提及一种小型化低功耗水位雨量采集装置，所述采集装置包括电池组件、电压转换电路、升压电路、降压电路、第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关、第四电子开关、MCU组件、雨量计控制电路、数据存储器、参数存储器、水位压力传感器的控制电路、水位压力传感器的通讯电路、蓝牙通讯模块和4G通讯模块。
所述电池组件通过电压转换电路与MCU组件、雨量计控制电路分别连接，电压转换电路用于将电池组件输出的第一工作电压转换成第二工作电压，提供给MCU组件和雨量计控制电路。
所述电池组件通过第一电子开关与蓝牙通讯模块连接，第一电子开关根据MUC组件下发的控制指令切换通断状态。
所述电池组件通过第二电子开关分别与数据存储器、参数存储器和水位压力传感器通讯电路连接，第二电子开关根据MUC组件下发的控制指令切换通断状态；所述参数存储器用于存储监控中心经蓝牙通讯模块发送的采集装置相关的各项运行参数；所述数据存储器中包括历史数据库、当前周期数据库和补发送数据库；所述历史数据库用于存储已发送数据，补发送数据库用于存储发送失败的数据。
所述电池组件依次通过第三电子开关、升压电路与水位压力传感器的控制电路连接，第三电子开关根据MUC组件下发的控制指令切换通断状态，升压电路用于将电池组件输出的第一工作电压转换成第三工作电压提供给水位压力传感器的控制电路。
所述电池组件依次通过第四电子开关、降压电路与4G通讯模块连接，第四电子开关根据MUC组件下发的控制指令切换通断状态，降压电路用于将电池组件输出的第一工作电压转换成第四工作电压提供给4G通讯模块。
所述MCU组件根据参数存储器中存储的各项运行参数进行参数设置，其中，MCU组件的初始状态为休眠状态；在参数设置完成后，所述MCU组件根据预设唤醒周期分别下发包括数据采集、数据存储在内的控制指令集合，控制雨量计和水位压力传感器分别进行雨量数据和水位数据的采集，将采集结果存储至数据存储器的当前周期数据库，以及在电池组件剩余电量满足预设电量阈值时，按照预设发送周期将当前周期数据库和补发送数据库中的采集结果经由4G通讯模块发送至监控中心，并根据发送结果将数据存入历史数据库或补发送数据库。
其中，MCU组件和雨量计控制电路在对应控制指令完成后立即进入休眠状态，第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关和第四电子开关在与其连接的功能组件完成对应控制指令后立刻恢复切断状态。
在水情检测过程中，采集频次对应采集数据的完整性，并影响着最终的数据采集效果和数据分析效果，单次采集耗电量虽然不大，但若是采用高频次采集设定，整体耗电量依然非常可观；发送频次对应数据分析的及时性，同时也是占用耗电量最多的工序。本发明从减少单次采集耗电量和自适应调整发送频次来降低采集装置的整体耗电量。
在蓄电池电量满足需求的前提下，本发明的持续工作器件为MCU组件，除了MCU组件之外，其他所有元器件根据实际采集需求分别安装在四条由电子开关控制通断的线路末端，在未使用时，这些元器件均未和蓄电池通电，相对于现有水情控制装置中持续维持待机状态的各个部件，本发明实现了大部分元部件真正的零功耗。另外，MCU组件长时间处于休眠状态，通过时钟芯片间歇唤醒，以进一步减少MCU组件的耗电量。
1.1、整体结构说明
在此总体思路的基础上，我们对水位和雨量的采集需求进行了详细解析，提出了前述五条线路的划分方式，下面以蓄电池理论输出电压为7.2V为例，对整个系统的工作原理和具体耗电量节约原理进行说明：
线路一：由第一电子开关(3.3V控7.2V)控制，线路末端连接主要用于现场参数设置或现场数据提取的蓝牙通讯模块。
线路二：由第二电子开关(3.3V控7.2V)控制，线路末端连接存储器和水位压力传感器的通讯电路。
线路三：由第三电子开关(3.3V控12V)控制，线路末端依次连接7.2V转12V升压电路和水位压力传感器的控制电路。
线路四：由第四电子开关(3.3V控12V)控制，线路末端依次连接7.2V转5V降压电路和用于传输采集数据回监控中心的4G通讯模块。
线路五：由7.2V转3.3V降压电路分别与MCU组件和雨量计连接，将蓄电池输出的电压转换成MCU组件和雨量计需要的3.3V工作电压。
本发明采用的是使用通讯芯片焊接在RTU上，替代原来DTU的模块，从而实现DTU内置的技术效果。此种方式除了可以减少设备的组成部分，减少体积，减少接线，还可以更好地根据网络环境的变化，减少通讯部分工作时间，减少DTU的功耗。
优选的，所述MCU组件包括MCU电路、时钟电路和看门狗电路。单片机与时钟电路采用IIC通讯，通过单片机来设置时钟的初始时间和中断触发时间间隔。例如，设置为1分钟产生一次中断信号，用来唤醒单片机。单片机与看门狗通过IO口连接。看门狗电路用来防止野外环境下单片机程序跑飞，单片机定时给看门狗喂食信号。如果程序跑飞，看门狗超过一定时间段没有接收到单片机的喂狗信号，则看门狗重启单片机，重启时所需参数存储在参数存储器中。
本发明通过升压和降压电路和控电电路，来实现不同的部件的电压供给。除了必须MCU、时钟模块和看门狗模块长供电的模块之外，其他电路均分为工作状态和非工作状态。在非工作状态，均采用零功耗电子开关断开电路，使得不工作的时候电流为零。在电子开关的选择上，除了要求断路零功耗，还选择体积很小的贴片芯片，从而控制板子的体积。
1.2、功耗分析
(1)雨量计和MCU组件所在常通线路的功耗
本发明采用的雨量计的控制电路，采用双D触发器集成电路和隔离芯片构成，使用可控制光电耦合器进行隔离。当雨量计工作时候，光耦的K脚产生低电平信号，将电信号送入光耦合器输入侧的发光器件，发光器件将电信号转化成光信号，由输出端的受光器件(光电器件)接收并再转换成电信号，从而起到输入、输出、隔离、防雷的作用，并且跟随MCU组件长时间处于休眠状态，只有雨量采集时才会被唤醒，功耗近乎为0。而MCU组件由于长期处于休眠状态，休眠功耗约为0.3ua。
(2)防反接电路(可选)
本发明还包括防反接电路，连接在蓄电池的输出端，用于防止电路反接烧毁电路。本发明利用了MOS管的开关特性，控制电路的导通和断开来设计防反接保护电路，由于功率MOS管的内阻很小，现在MOSFET Rds(on)(漏源通态电阻)已经能够做到毫欧级，解决了现有采用二极管电源防反接方案存在的压降和功耗过大的问题。其中C0起到电源输出大电流时滤波的作用。极性反接保护将保护用场效应管与被保护电路串联连接。而采用的NMOS场效应管，其栅极和源极分别连接被保护电路的电源端和接地端，其漏极连接被保护电路中NMOS元件的衬底。一旦被保护电路的电源极性反接，保护用场效应管会形成断路，防止电流烧毁电路中的场效应管元件，从而保护整体电路。
(3)第一电子开关～第四电子开关对应的常断线路功耗
在一些例子中，所述MCU组件从休眠状态周期性唤醒以分别下发包括参数设置、数据采集、数据存储和数据发送在内的控制指令集合是指：
(1)当控制指令集合为水位数据采集时：MCU组件连通第三电子开关，使电池组件提供水位压力传感器的控制电路正常工作所需第三工作电压，MCU组件下发水位采集指令至水位压力传感器的控制电路，驱使水位压力传感器对水位数据进行采集；并且根据预设采集周期连通第二电子开关，通过水位压力传感器的通讯电路获取采集到的水位数据采集结果。
(2)当控制指令集合为雨量数据采集时：MCU组件下发雨量采集指令至雨量计控制电路，驱使雨量计对雨量数据进行采集，实时获取雨量数据采集结果。
(3)当控制指令集合为数据存储时：MCU组件连通第二电子开关，将接收到的水位数据采集结果或雨量数据采集结果发送至数据存储器。
(4)当控制指令集合为数据发送时：MCU组件连通第四电子开关，通过4G通讯模块将数据存储器中存储的雨量数据或水位数据发送至监控中心。
(5)当控制指令集合为参数设置时：MCU组件连通第二电子开关，读取参数存储器中存储的采集装置相关的各项运行参数，进行参数设置。
由前述可知，在本发明中，只有对应线路上的元器件需要被调用时，才会开启线路所属的电子开关。例如，在蓄电池电量供应正常时，可以采用以下工作方法：
S1，启动MCU组件，读取参数存储器中的采集装置相关的运行参数，对采集装置各功能组件进行参数设置，MCU组件的初始状态为休眠状态，第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关和第四电子开关的初始状态为切断状态。
S2，根据预设唤醒周期唤醒MCU组件，使其下发数据采集控制指令集合，对雨量数据和水位数据进行采集，所述数据采集控制指令集合包括下发给雨量计使雨量计对雨量数据进行采集的雨量采集指令、发送至第三电子开关使第三电子开关维持连通状态第一预设时长的连通指令、发送至水位压力传感器的控制电路使水位压力传感器在第一预设时长范围内对水位数据进行采集的水位采集指令；其中，在第一预设时长后，第三电子开关恢复切断状态。一般而言，单次采集持续时长约为6秒左右，对应升压电路及水位计压力传感器的控制电路的单次采集功耗约为2ma，切断状态时，该部分功耗为零。
S3，驱使MCU组件下发数据存储控制指令集合，将采集到的雨量数据和水位数据存储至数据存储器；所述数据存储控制指令集合包括发送至第二电子开关使第二电子开关维持连通状态第二预设时长的连通指令、发送至水位压力传感器的通讯电路使水位压力传感器在第二预设时长范围内将采集到的水位数据存储至数据存储器的水位存储指令，以及发送至雨量计使雨量计将采集到的雨量数据存储至数据存储器的雨量存储指令；其中，在第二预设时长后，第二电子开关恢复切断状态。
S4，根据预设发送周期唤醒MCU组件，使其下发数据发送控制指令集合，从数据存储器中的水位数据和雨量数据经由4G通讯模块发送或者补发送至监控中心；所述数据发送控制指令集合包括分别发送至第二电子开关和第四电子开关使第二电子开关和第四电子开关维持连通状态第三预设时长的连通指令，当发送失败时，将发送失败的数据放入数据存储器中的补发送数据库。一般而言，单次数据发送持续时长约为1分钟左右，对应降压电路的功耗及4G通讯模块发送一次数据的功耗约为200ma左右。切断状态时，该部分功耗为零。
而每个电子开关的平均功耗约为2.7UA。
优选的，在MCU内部嵌有专用的电源控制软件，通过协调每个模块供电的时间以实现对前述各元器件的有效控制和运用。
图3是电源管理程序的具体实现方式：在对各个模块通讯及工作状态监控的基础上，调用对应的管理程序，控制对应的电子开关，实现对不同模块电源的调度，完成对整个电路耗电量的精准控制。
由前述功耗分析可知，数据通讯在系统耗能中占据大部分电能消耗，因此数据通讯的电源管理软件非常重要。应该在报讯需求的前提下最大程度节省数据传输的次数和传输时间。
数据采集完成之后，首先完成对数据的存储，将数据存储在存储芯片中。一般情况下，系统根据预设的发送时间间隔，对数据进行打包发送。可一天发送一次，也可以几天发送一次。
1.3、降压电路
在传统监控设备中，即使存在动态周期调节的设定，也多是通过软件实现，这其中不可避免的需要涉及多个元器件的功耗损失和通讯时间，响应时间长。为了进一步减少系统功耗和提高响应速度，本发明提出了一种全新的降压电路，通过硬件的方式来实现对降压电路的通断控制，即通过分压的方式，实现对输入电压进行锁定保护。当电压低于一定值，切断对4G通讯线路的供电，以保存电池的电量，供应给RTU系统中其他模块的正常工作。等到电源补充到足够的时候，再启动对4G通讯线路的供电，进行数据补发。这样有效地保护电池的电量和系统的正常运行。
如图4所示，降压电路包括分压单元、关断和逻辑控制单元、MOS管驱动单元、第一MOS管、第二MOS管、比较器和输出电压采样单元。
输出电压采样单元包括相互串联的第三电阻R3和第四电阻R4，第四电阻R4不与第三电阻R3连接的一段接地，第三电阻R3不与第四电阻R4连接的一端通过第一MOS管连接至电池组件的输出端；所述第三电阻R3与第四电阻R4的连接端输出信号被定义成输出电压采样信号。例如，设定4G通讯线路的标准工作电压为5V，参考电压设置成2.45V，通过设置R3和R4的阻值调整输出电压采样信号与输出电压的比例值。
输出电压采样信号和参考电压信号分别连接至比较器的两个输入端，比较器的输出端通过MOS管驱动单元连接至第一MOS管的栅极，比较器对输出电压采样信号和参考电压信号进行比较，根据比较结果采用MOS管驱动单元不断切换第一MOS管的通断状态，结合并联在负载端的保持电容使输出电压维持在设定输出值。通过调整参考电压来调整输出电压Vout。
所述分压单元包括相互串联的第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1远离第二电阻R2的一端连接至电池组件，第二电阻R2远离第一电阻R1的一端接地，分压单元用于对电池组件的输出电压进行分压，得到使能电压，将使能电压输入至关断和逻辑控制单元.
所述关断和逻辑控制单元将使能电压与参考电压进行比对，如果使能电压大于参考电压，则输出低电平信号至第二MOS管的栅极，使第二MOS管处于导通状态，拉低输出电压至0v；否则，输出高电平信号值第二MOS管的栅极，使第二MOS管处于切断状态，使输出电压维持在设定输出值。
例如，当使用8.4V可充电锂电池供电。根据电池的放电属性，当锂电池小于6.47V，这时已经处于欠压状态，不能继续提供大功率5V供电设备(4G发送模块)供电。这时我们采用分压电阻的方式，通过R1和R2的设置，当锂电池电压小于6,47V，通过分压，EN使能端电压输入小于参考电压2.45V，这时第二MOS管常通，输出电压直接被拉至0v，降压模块部分不再正常工作，不能提供大功率5V供电设备(4G通讯模块)供电，从而起到省电的作用。
优选的，系统给5V设备(4G发送模块)供电后，采用实时采集4G上线情况的方法。具体方法，在一定时间内，通过循环采集上线状态(DCD)查询的高低电平，当探测到DCD电平发生转换时，则表示4G从未找到网络状态跳转到找到网络状态，RTU发送数据至中心站，完成与中心站的交互后，关机，继续进入低功耗状态。经过测试，在网络好的情况下，一般30-40秒就能找到网络，1-2秒交互后，即可进入睡眠状态。较传统固定上电60秒，然后上电，如果没有收到回执，继续上电40S，二次发送数据的方法，节省1/3电量以上。而在本系统中，4G模块占用电量为整个系统占用电量的90％以上。因此采用查询DCD状态的方法，节省整个系统功耗。
2、水位雨量采集装置的采集周期(唤醒周期)和发送周期设置
在本发明中，由于可以选择采用可充电锂电池或者不可充电锂电池，发送周期还可以取决于应用场景特性和电池组件类型。
2.1、河流场景
城市所属的河流场景大多数为城市内河，还包括一部分地下水，对应的通常是户外场景，而一般宜居城市的太阳能能源也较为丰富，因此，除了地下水和建筑物阴影长期覆盖区域采用不可充电锂电池之外，大部分区域采用可充电锂电池进行供电。在此情形下，后台服务器在设置唤醒周期和发送周期时，主要考虑的是河流水位、降雨等级、剩余降雨持续时长和电池的可用电量。
具体的，所述后台服务器可以结合剩余降雨时长和第一水位雨量采集装置的剩余电量动态调整第一发送周期。
首先，获取第一水位雨量采集装置发送的水位数据和雨量数据，计算得到对应河流区域的暴雨洪涝等级，所述河流区域的暴雨洪涝等级包括该河流区域的实时水位风险等级Ct、实时雨量等级Mt和预估剩余降雨持续时长Lt。
实时水位风险等级与水位高度和水位高度上涨幅度相关，即除了实时水位高度外，还和实时雨量等级或者上游水位输入量相关。理论上，实时水位风险等级越高，实时雨量等级越高，采集频次和发送频次也越高，但同时耗电量也越大。而预估剩余降雨持续时长影响着采集装置的长期工作特性，这是因为，在实际应用中，非必要情况下，在水位高涨雨量很大的情况下，是不建议工作人员冒险去更换电池的，而一旦预估剩余降雨持续时长较长，蓄电池难以维持后期数据报送，导致完全失去对数据的有效监控，现在这是更加无法接受的。因此，有必要结合实际情况，依据实时水位风险等级Ct、实时雨量等级Mt、预估剩余降雨持续时长Lt和蓄电池的剩余电量合理规划预设唤醒周期和预设发送周期，在确保监测近乎持续有效的前提下，尽可能地提高监测效果。
对于非充电锂电池，根据下述公式计算得到采集装置的预设唤醒周期
Figure BDA0002842074480000121
Figure BDA0002842074480000122
式中，T1是非充电锂电池对应的正常唤醒周期，
Figure BDA0002842074480000131
是水位风险等级Ct对应的唤醒周期调整因子。
对于充电锂电池，根据下述公式计算得到采集装置的预设唤醒周期
Figure BDA0002842074480000132
Figure BDA0002842074480000133
式中，T2是充电锂电池对应的正常唤醒周期，
Figure BDA0002842074480000134
是水位风险等级Ct对应的唤醒周期调整因子，
Figure BDA0002842074480000135
是雨量风险等级Mt对应的唤醒周期调整因子。
由于采集过程单次耗电量很少，但非充电锂电池的续航能力几乎为0，且当采集次数增加过多时，采集步骤占用的功耗也不容小觑，并且由于水位风险等级也受到雨量等级的影响，因此，本发明设定，只采用更为重要的水位风险等级对基础唤醒周期进行调整。而当采用充电锂电池时，即使预估剩余降雨持续时长仍然较长，但每天仍有部分充电量，可充电锂电池是处于一个持续的充电量在动态变化的情形下的，因此可以同时结合水位风险等级和雨量等级，对基础唤醒周期进行调整，以获得更加完整的水位数据和雨量数据。在本发明中，
Figure BDA0002842074480000136
Figure BDA0002842074480000137
和
Figure BDA0002842074480000138
均是小于1的正数，以满足风险越高，采集频次越高的需求。
但是对于发送来说，单次发送需要占用200ma左右的功耗，一旦发送频次增加，蓄电池的持续使用寿命将会急剧下降。本发明以维持采集装置持续工作至降雨结束为约束条件，尽可能趋近当前风险条件下的最大发送频次为优化目标，在确保持续监测的前提下，尽可能地提高发送效率。
考虑到不可充电锂电池和其常规应用场景的特性，本发明设定了如下预设发送周期
Figure BDA0002842074480000139
调整公式：
Figure BDA00028420744800001310
式中，S1是非充电锂电池对应的正常发送周期，
Figure BDA00028420744800001311
是水位风险等级Ct对应的发送周期调整因子，ΔA是单次发送所需耗电量，A剩是最后一次数据发送周期显示的剩余电量，A1是非充电锂电池对应的电量阈值。
当剩余电量足够供应至降雨结束时，根据水位风险等级动态调整基础发送周期，发送周期调整因子
Figure BDA00028420744800001312
为小于1的正整数，满足风险越高，发送频次越高的需求。当剩余电量不足以供应至降雨结束时，则以预估剩余降雨时长和剩余电量为决定因子，对预设发送周期进行调整。监控中心可以将预估剩余降雨时长随消息反馈信息发送给MCU组件进行计算，也可以计算好预设发送周期后，将计算结果随消息反馈信息发送给MCU组件。对应的，监控中心也可以根据发送周期的改变调整数据分析策略。
而可充电锂电池由于其具备的充电性能，剩余电量能够反馈充电量，同样可以采用类似非充电锂电池的特性。但前述方法是一种已知结果下的调整策略，对于可充电锂电池来说，无法达到最优调整结果，必然会造成过程中电量的浪费。为此，本发明设定：
对于可充电锂电池，根据下述公式计算得到采集装置的预设发送周期
Figure BDA0002842074480000141
如果Ct<C0和Mt<M0均成立，
Figure BDA0002842074480000142
否则，
Figure BDA0002842074480000143
式中，S2是充电锂电池对应的正常发送周期，f(Ct,Mt)是水位风险等级Ct和雨量风险等级Mt对应的发送周期调整函数，A2是充电锂电池对应的电量阈值，At是第t时刻的预估充电量，k是允许的连续补报次数限值。
当水位风险等级和雨量等级都较小时，类似于不可充电锂电池，如果剩余降雨时间较短，根据等级大小调整发送周期，等级越大，发送周期越小，f(Ct,Mt)的取值小于1大于0；如果剩余降雨时间较长，则以蓄电池的持续发送为基准进行调整。
不同于不可充电锂电池，当水位风险等级或雨量等级较大，且预估剩余降雨时长仍较大时，我们可以利用可充电锂电池的充电性能，以牺牲限定次数(k次)发送周期为基准，尽可能最大化发送次数，以提高监控效果。这是由于，在实际应用中，针对水位风险高或者雨量等级大的河流区域，通常会布设不止一个采集装置，这一河流区域范围内的采集装置的数据是具有互补性的，在此前提下，可以允许牺牲一定次数的发送周期，采集数据以补报的形式在下一次发送周期进行上传。不同于非充电锂电池以蓄电池剩余电量为决定因子，可充电锂电池是以蓄电池供电极限为基准，最大化利用蓄电池的电量，从而尽可能提高危险情形下的监测效率。当水位风险等级下降、雨量风险下降或停止降雨时，还可以通过蓄电池的可充电性，恢复正常供电。
2.2、易涝场景
易涝场景的特点在于其对人员生活的影响更加直接、场景更加多变、间歇发生，且除了地面积水之外还必须结合排水管道进行分析。例如，不同于河流区域的水位一直需要监控，易涝区域只有在长时间降雨或雨量等级较大时才会出现内涝，需要对水位进行频繁测量。因此，我们可以在易涝区域布设太阳能充电的可充电锂电池，利用内涝的长间隙时长进行续航，减少维护次数。又例如，当降雨停止时，只有水位对城市人员生活还存在一定的潜在威胁，不会影响人员生活。而同样场景下，由于排水管道压力存在，部分易涝区域的积水却有可能继续增长并且直接影响人员的生活。因此，在本发明中，我们选择结合雨量等级、内涝风险、剩余排涝时长和剩余电量来设置采集装置的唤醒周期和发送周期。
所述后台服务器结合剩余排涝时长、第二水位雨量采集装置和第三水位雨量采集装置的剩余电量，动态调整第二发送周期和第三发送周期的过程包括以下步骤：
S11，获取第二水位雨量采集装置发送的水位数据和雨量数据，计算得到对应易涝区域的洪涝水位Xt、该易涝区域的洪涝面积Yt、实时雨量等级Mt。
S12，结合第三水位雨量采集装置发送的排水管道的水位数据，计算得到对应易涝区域的管道风险δt和剩余排涝时长
Figure BDA0002842074480000151
S13，根据下述公式计算得到第三水位雨量采集装置的预设唤醒周期
Figure BDA0002842074480000152
和预设发送周期
Figure BDA0002842074480000153
Figure BDA0002842074480000154
Figure BDA0002842074480000155
式中，T3是第三水位雨量采集周期对应的排水管道的正常唤醒周期，S3是第三水位雨量采集周期对应的排水管道的正常发送周期，
Figure BDA0002842074480000156
是管道风险δt对应的唤醒周期调整因子，
Figure BDA0002842074480000157
是管道风险δt对应的发送周期调整因子，ΔA是单次发送所需耗电量，A剩是最后一次数据发送周期显示的剩余电量，A1是非充电锂电池对应的电量阈值。
排水管道由于埋设在地下，只能采用非充电锂电池进行供电，为了尽可能地延长其监控时长，在此只考虑排水管道水位增高带来的直接管道风险。至于雨量对排水管道造成的间接风险，实际上最终仍是体现在地表内涝上，因此暂且不做考虑。
S14，根据下述公式计算得到对应易涝区域的内涝风险等级θ(t)：
Figure BDA0002842074480000158
式中，Q1、Q2和Q3分别是最深处的洪涝水位Xt、第t时刻的洪涝面积Yt和实时积水量对应的内涝风险等级因子；q(σt)是第τ时刻排水管道水位为στ时对应的该易涝区域的单位时间排水量；p(Mt)是第τ时刻的雨量等级Mτ对应的该易涝区域的单位时间积水量。最深处的洪涝水位Xt可由采集装置直接测量得到；洪涝面积Yt通过一个积水区域对应的最外围的采集装置的安装位置和对应的测量水位推算得到；实时积水量由于一直在积水和排水，为一动态数值，可以结合降雨等级和排水速度计算得到。
为了全方位监控，本发明会在一个易涝场景(如某低洼小区或者低洼道路)设置多个采集装置，每个采集装置对应一个一部分易涝区域(如该低洼小区的单个楼栋或者低洼道路的某个路段)，同一个易涝场景下的所有易涝区域的面积总和等于该易涝场景的总面积。而通常一个易涝场景会对应多个排水管道，一个排队管道也会对应多个易涝区域，为了简化模型，我们按照排水管道的排水量以及排水口与易涝区域的距离，计算得到每个排水管道对应于每个易涝区域的排水量比例。
由前述可知，城市内涝多发生在雨季，且并不如河流区域一般需要时时频繁测量，当雨量较小时，由于产生内涝的几率很小，发送频率较低，蓄电池内的电量足够供应，当雨季来临，且雨量较大时，产生内涝的几率变大，此时蓄电池内的电量在较长时间的太阳能充电前提下，经常是以满电量进行监控，并且过程中还可以借由间歇出现的晴天断续补充电能。因此，类似于河流区域的以蓄电池的满负荷工作设定，对于第二水位雨量采集装置，我们也以蓄电池的极限供电为前提，进行发送周期的设定。但不同于河流区域，对于易涝区域，更关注的是剩余排涝时长，同时需要重新计算内涝风险数值。
因此，我们提出，根据下述公式计算得到第二水位雨量采集装置的预设唤醒周期
Figure BDA0002842074480000161
和预设发送周期
Figure BDA0002842074480000162
Figure BDA0002842074480000163
如果θ(t)<θ1和Mt<M1均成立，
Figure BDA0002842074480000164
否则，
Figure BDA0002842074480000165
式中，L1是易涝区域对应的剩余排涝时长阈值，θ1是易涝区域对应的内涝风险阈值，M1是易涝区域对应的雨量等级阈值；u是易涝区域允许的连续补报次数限值，受对应易涝区域的预设间隔时长阈值影响；T2是易涝区域的正常唤醒周期，S2是易涝区域的正常发送周期，εθ(t)是内涝风险等级θ(t)对应的易涝区域的唤醒周期调整因子，
Figure BDA0002842074480000166
是雨量风险等级Mt对应的易涝区域的唤醒周期调整因子，f*(θ(t),Mt)是内涝风险等级θ(t)和雨量风险等级Mt对应的易涝区域的发送周期调整函数，A2是充电锂电池对应的电量阈值，At是第t时刻的预估充电量。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (5)

1.一种用于城市暴雨洪涝的水位雨量一体监控系统，其特征在于，所述监控系统包括后台服务器和若干个水位雨量采集装置；
所述若干个水位雨量采集装置包括N1个分布在当前城市对应的河流区域内的第一水位雨量采集装置、N2个分布在当前城市对应的易涝区域内的第二水位雨量采集装置和N3个分布在前述易涝区域对应的排水管道内的第三水位雨量采集装置；所述N1、N2和N3为大于等于1的正整数；
所述N1个第一水位雨量采集装置用于按照第一采集周期采集河流区域的水位数据和雨量数据，将采集结果按照第一发送周期传输至后台服务器，所述第一水位雨量采集装置采用太阳能充电锂电池或非充电锂电池进行供电；所述N2个第二水位雨量采集装置用于按照第二采集周期采集易涝区域的水位数据和雨量数据，将采集结果按照第二发送周期传输至后台服务器，所述第一水位雨量采集装置采用太阳能充电锂电池进行供电；所述N3个第三水位雨量采集装置用于按照第三采集周期采集排水管道的水位数据，将采集结果按照第一发送周期传输至后台服务器，所述第一水位雨量采集装置采用非充电锂电池进行供电；
所述后台服务器周期性获取所有水位雨量采集装置发送的水位数据和雨量数据，计算得到各个区域的暴雨洪涝等级，并且以持续收到每个河流区域和每个易涝区域的实时水位为约束条件，以最佳匹配实际发送周期和对应区域的暴雨洪涝等级为优化目标，结合剩余降雨时长和第一水位雨量采集装置的剩余电量，动态调整第一发送周期，结合剩余排涝时长、第二水位雨量采集装置和第三水位雨量采集装置的剩余电量，动态调整第二发送周期和第三发送周期；
所述持续收到每个河流区域和每个易涝区域的实时水位是指，每个区域的水位数据的实际发送间隔时长不超过对应区域的预设间隔时长阈值。
2.根据权利要求1所述的用于城市暴雨洪涝的水位雨量一体监控系统，其特征在于，所述水位雨量采集装置包括电池组件、电压转换电路、升压电路、降压电路、第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关、第四电子开关、MCU组件、雨量计控制电路、数据存储器、参数存储器、水位压力传感器的控制电路、水位压力传感器的通讯电路、蓝牙通讯模块和4G通讯模块；
所述电池组件通过电压转换电路与MCU组件、雨量计控制电路分别连接，电压转换电路用于将电池组件输出的第一工作电压转换成第二工作电压，提供给MCU组件和雨量计控制电路；
所述电池组件分别通过第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关、第四电子开关与四条支路连接，对四条支路进行独立控制；
所述四条支路包括：(1)蓝牙通讯模块组成的第一支路；(2)数据存储器、参数存储器和水位压力传感器通讯电路并联后构成的第二支路；(3)升压电路与水位压力传感器的控制电路串联后构成的第三支路；(3)降压电路与4G通讯模块串联后构成的第四支路；
所述MCU组件的初始状态为休眠状态；所述MCU组件根据预设唤醒周期分别下发包括数据采集、数据存储在内的控制指令集合，控制雨量计和水位压力传感器分别进行雨量数据和水位数据的采集，将采集结果存储至数据存储器的当前周期数据库，以及在电池组件剩余电量满足预设电量阈值时，按照预设发送周期将当前周期数据库和补发送数据库中的采集结果经由4G通讯模块发送至后台服务器，并根据发送结果将数据存入历史数据库或补发送数据库；
其中，MCU组件和雨量计控制电路在对应控制指令完成后立即进入休眠状态，第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关和第四电子开关在与其连接的功能组件完成对应控制指令后立刻恢复切断状态。
3.根据权利要求2所述的用于城市暴雨洪涝的水位雨量一体监控系统，其特征在于，
所述降压电路包括分压单元、关断和逻辑控制单元、MOS管驱动单元、第一MOS管、第二MOS管、比较器和输出电压采样单元；
所述输出电压采样单元包括相互串联的第三电阻和第四电阻，第四电阻不与第三电阻连接的一段接地，第三电阻不与第四电阻连接的一端通过第一MOS管连接至电池组件的输出端；所述第三电阻与第四电阻的连接端输出信号被定义成输出电压采样信号；
所述输出电压采样信号和参考电压信号分别连接至比较器的两个输入端，比较器的输出端通过MOS管驱动单元连接至第一MOS管的栅极，比较器对输出电压采样信号和参考电压信号进行比较，根据比较结果采用MOS管驱动单元不断切换第一MOS管的通断状态，结合并联在负载端的保持电容使输出电压维持在设定输出值；
所述分压单元包括相互串联的第一电阻和第二电阻，第一电阻远离第二电阻的一端连接至电池组件，第二电阻远离第一电阻的一端接地，分压单元用于对电池组件的输出电压进行分压，得到使能电压，将使能电压输入至关断和逻辑控制单元；
所述关断和逻辑控制单元将使能电压与参考电压进行比对，如果使能电压大于参考电压，则输出低电平信号至第二MOS管的栅极，使第二MOS管处于导通状态，拉低输出电压至0v；否则，输出高电平信号值第二MOS管的栅极，使第二MOS管处于切断状态，使输出电压维持在设定输出值。
4.根据权利要求1或者2所述的用于城市暴雨洪涝的水位雨量一体监控系统，其特征在于，所述后台服务器结合剩余降雨时长和第一水位雨量采集装置的剩余电量，动态调整第一发送周期的过程包括以下步骤：
S01，获取第一水位雨量采集装置发送的水位数据和雨量数据，计算得到对应河流区域的暴雨洪涝等级，所述河流区域的暴雨洪涝等级包括该河流区域的实时水位风险等级Ct、实时雨量等级Mt和预估剩余降雨持续时长Lt；
S02，对于非充电锂电池，根据下述公式计算得到第一水位雨量采集装置的第一采集周期
Figure FDA0002842074470000021
和第一发送周期
Figure FDA0002842074470000022
Figure FDA0002842074470000023
Figure FDA0002842074470000031
式中，T1是非充电锂电池对应的河流区域正常唤醒周期，S1是非充电锂电池对应的河流区域正常发送周期，
Figure FDA0002842074470000032
是水位风险等级Ct对应的河流区域唤醒周期调整因子，
Figure FDA0002842074470000033
是水位风险等级Ct对应的河流区域发送周期调整因子，ΔA是单次发送所需耗电量，A剩是最后一次数据发送周期显示的剩余电量，A1是非充电锂电池对应的电量阈值；
对于充电锂电池，根据下述公式计算得到第一水位雨量采集装置的第一采集周期
Figure FDA0002842074470000034
和第一发送周期
Figure FDA0002842074470000035
Figure FDA0002842074470000036
如果Ct＜C0和Mt＜M0均成立，
Figure FDA0002842074470000037
否则，
Figure FDA0002842074470000038
式中，T2是充电锂电池对应的河流区域正常唤醒周期，S2是充电锂电池对应的河流区域正常发送周期，
Figure FDA0002842074470000039
是水位风险等级Ct对应的河流区域唤醒周期调整因子，
Figure FDA00028420744700000310
是雨量风险等级Mt对应的河流区域唤醒周期调整因子，f(Ct，Mt)是水位风险等级Ct和雨量风险等级Mt对应的河流区域发送周期调整函数，A2是充电锂电池对应的电量阈值，At是第t时刻的预估充电量；k是河流区域允许的连续补报次数限值，受对应河流区域的预设间隔时长阈值影响；L0是河流区域对应的预设剩余降雨时长阈值，C0是河流区域对应的预设水位风险阈值，M0是河流区域对应的预设雨量等级阈值。
5.根据权利要求1或者2所述的用于城市暴雨洪涝的水位雨量一体监控系统，其特征在于，所述后台服务器结合剩余排涝时长、第二水位雨量采集装置和第三水位雨量采集装置的剩余电量，动态调整第二发送周期和第三发送周期的过程包括以下步骤：
S11，获取第二水位雨量采集装置发送的水位数据和雨量数据，计算得到对应易涝区域的洪涝水位Xt、该易涝区域的洪涝面积Yt、实时雨量等级Mt；
S12，结合第三水位雨量采集装置发送的排水管道的水位数据，计算得到对应易涝区域的管道风险δt和剩余排涝时长
Figure FDA0002842074470000041
S13，根据下述公式计算得到第三水位雨量采集装置的预设唤醒周期
Figure FDA0002842074470000042
和预设发送周期
Figure FDA0002842074470000043
Figure FDA0002842074470000044
Figure FDA0002842074470000045
式中，T3是第三水位雨量采集周期对应的排水管道的正常唤醒周期，S3是第三水位雨量采集周期对应的排水管道的正常发送周期，
Figure FDA0002842074470000046
是管道风险δt对应的唤醒周期调整因子，
Figure FDA0002842074470000047
是管道风险δt对应的发送周期调整因子，ΔA是单次发送所需耗电量，A剩是最后一次数据发送周期显示的剩余电量，A1是非充电锂电池对应的电量阈值；
S14，根据下述公式计算得到对应易涝区域的内涝风险等级θ(t)：
Figure FDA0002842074470000048
式中，Q1、Q2和Q3分别是洪涝水位Xt、洪涝面积Yt和实时积水量对应的内涝风险等级因子；q(σt)是第τ时刻排水管道水位为στ时对应的该易涝区域的单位时间排水量；p(Mt)是第τ时刻的雨量等级Mτ对应的该易涝区域的单位时间积水量；
Figure FDA0002842074470000049
大于等于0，如果计算结果小于0，则取值0；
S15，根据下述公式计算得到第二水位雨量采集装置的预设唤醒周期
Figure FDA00028420744700000410
和预设发送周期
Figure FDA00028420744700000411
Figure FDA00028420744700000412
如果θ(t)＜θ1和Mt＜M1均成立，
Figure FDA00028420744700000413
否则，
Figure FDA00028420744700000414
式中，L1是易涝区域对应的剩余排涝时长阈值，θ1是易涝区域对应的内涝风险阈值，M1是易涝区域对应的雨量等级阈值；u是易涝区域允许的连续补报次数限值，受对应易涝区域的预设间隔时长阈值影响；T2是易涝区域的正常唤醒周期，S2是易涝区域的正常发送周期，
Figure FDA00028420744700000415
是内涝风险等级θ(t)对应的易涝区域的唤醒周期调整因子，
Figure FDA0002842074470000051
是雨量风险等级Mt对应的易涝区域的唤醒周期调整因子，f*(θ(t)，Mt)是内涝风险等级θ(t)和雨量风险等级Mt对应的易涝区域的发送周期调整函数，A2是充电锂电池对应的电量阈值，At是第t时刻的预估充电量。
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