CN112637706B - 小型化低功耗水位雨量采集装置和工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小型化低功耗水位雨量采集装置，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。本发明能够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。

Description

小型化低功耗水位雨量采集装置和工作方法

技术领域

本发明涉及水位雨量采集技术领域，具体而言涉及一种小型化低功耗水位雨量采集装置。

背景技术

水雨情监测时水文行业最为基础也是最为重要的一项工作，目前有大量水雨情采集装置散落分布在野外，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。

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30天阴雨，只能通过太阳能辅充的方式完成电量的供给。

有部分研究人员提出，可以将DTU的功能集成在RTU中，结合选用同类性质的小型化芯片，除可节省成本外，还可以缩小控制主板的体积，然而此种改进方式对于采集装置整体结构的缩小影响不大。这是因为，采集装置整体体积过大的原因，除了受限于DTU和RTU分离，以及选用的各项部件体积过大之外，最重要的是为了适配户外应用，经常需要选用大容量大体积的蓄电池或者充电电池，如大体积的蓄电池组等。即使如此，目前采用的一体化监控装置的蓄电池的容量仍然只能维持在只能支撑连续15天阴雨左右，无法支持长期阴雨天正常使用，而长期的亏电，又会导致电池寿命急剧降低，从而带来维护成本的增加。

发明内容

本发明目的在于提供一种小型化低功耗水位雨量采集装置，构建了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。

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MCU组件包括MCU电路、时钟电路和看门狗电路；

所述MCU电路通过IIC通讯模块与时钟电路连接，根据时钟电路发送的中断触发信号进行唤醒操作；

所述MCU电路通过I/O接口与看门狗电路连接，定期发送确认信号至看门狗电路，所述看门狗电路响应于预设时长内未接收到MCU电路发送的确认信号，重启MCU电路。

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，所述雨量计包括光电耦合器构成的隔离电路；

当雨量计工作时候，光电耦合器的K脚产生一低电平信号，并且将该低电平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后，由输出端的受光器件接收并再转换成电信号。

进一步地，所述电池组件包括以下两种类型：(1)依次连接的充电锂电池、太阳能充电控制器和太阳能板，(2)非充电锂电池，所述非充电锂电池的电容量大于充电锂电池。

基于前述小型化低功耗水位雨量采集装置，本发明还提及一种小型化低功耗水位雨量采集装置的工作方法，所述工作方法包括以下步骤：

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；

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；

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；

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。

进一步地，所述工作方法还包括：

根据应用场景对应的平均日充电量A_均选择对应的电池组件类型：如果平均日充电量A_均小于日充电量阈值A₀，采集装置选择不可充电锂电池，否则，选择非充电锂电池；

结合应用场景特性和电池组件类型，动态调整采集装置的预设唤醒周期和预设发送周期：

获取应用场景实时特性，所述应用场景实时特性包括实时水位风险等级C_t、实时雨量等级M_t和预估剩余降雨持续时长L_t；

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

和预设发送周期

式中，T₁是非充电锂电池对应的正常唤醒周期，S₁是非充电锂电池对应的正常发送周期，

是水位风险等级C_t对应的唤醒周期调整因子，

是水位风险等级C_t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；

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

和预设发送周期

如果C_t<C₀和M_t<M₀均成立，

否则，

式中，T₂是充电锂电池对应的正常唤醒周期，S₂是充电锂电池对应的正常发送周期，

是水位风险等级C_t对应的唤醒周期调整因子，

是雨量风险等级M_t对应的唤醒周期调整因子，f(C_t,M_t)是水位风险等级C_t和雨量风险等级M_t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，A_t是第t时刻的预估充电量，k是允许的连续补报次数限值。

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)结合实际需求，采用诸多小型化低功耗元器件搭建具有全新工作原理的控制回路，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。

(2)采用专门涉及的降压电路对蓄电池的剩余电量进行评估，根据评估结果中止当前数据传输任务或转换电压后进行数据发送，减少MCU单元的运算量和通讯量，进一步减少耗电量。

(3)结合应用场景特性和电池组件类型，动态调整采集装置的预设唤醒周期和预设发送周期，确保数据上传效率，对蓄电池的耗电量进行有效管控。

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是本发明的小型化低功耗水位雨量采集装置的结构示意图。

图2是本发明采用的雨量计的控制电路示意图。

图3是本发明防反接电路的结构示意图。

图4是本发明采用的其中一个电子开关的结构示意图。

图5是电源管理程序的工作原理示意图。

图6是其中一种发送时间间隔设置方法流程图。

图7是本发明的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。

一、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。

二、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如图2所示，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)

图3是本发明防反接电路的结构示意图，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

图4是本发明采用的其中一个电子开关的结构示意图。电子开关的功耗和本控制电路的采集策略息息相关。

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。

电压转换电路(假设长供电3.3V)功耗为1.7ua，MCU功耗为1ua，时钟芯片功耗为0.3ua，看门狗功耗功耗为6ua，也就是说，当系统处于非工作状态时，静态总功耗为9ua。

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。

表1是采用7.2v非充电锂电池情况下本发明的水位雨量采集装置各器件的功耗表。

表1

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5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。

下面介绍两种发送时间间隔设置方法。

方法一：

结合图6，假设时间间隔具有基本影响因子K1。根据报讯需求，系统读取的数据值与系统预置的三级预警水位、水位变化量加报设定值，进行对比。通过设计数据分析算法，把数据进行打包，分类，根据不同的数据属性，算出最优发送方式，进行数据发送。根据符合水文通讯规约的要求，将不同属性的数据，发送不同的功能码报文。待发送的数据中，其中水位值与系统设定的监测水位等级进行比较，如果超过警戒水位，需要往中心站发送带有报警信息的报文。也可以通过中心站下发的指令进行发送。其中设定的水位等级也可以通过中心站下发的指令进行修改。因此，当前水位与系统三级预警水位值之间的关系作为影响因子K2，用于加报次数的计算。

发送数据功耗的计算：发送一包数据，当前网络信号作为功耗的影响因子K3。因此，通信芯片上电寻找网络过程中，对当前的网络信号情况进行采集和分析。如果网络信号没有达到发送数据的的要求，发送数据，RTU没有接收到来之中心站的回执。这时应该适当延长上电时间，以增加寻找网络的时间，并同时检测网络信号。如果网络信号达到发送数据的要求或当上电时间达到设定阀值T1，发送数据。如果没有接受到中心站回执，则会继续加长T2时间,再次发送。

为了确保数据的完整性，通过回执来判断数据有没有发送成功，对于没有发送成功的数据，将数据进行标志，在通讯收到会之后，进行补发。数据的补发一定是建立在互相通讯成功的基础上，这样补发的成功率会大大增加。也减少不必要的功耗损失。补发会延长一部分发送数据的时间，影响因子较小，将其表示为K4。

在系统发送数据的过程中，需要对系统的电量进行测量。通过前面的影响因子的计算，可以预估剩余电量大概可用多长时间，发送至中心站。以便中心站通知维护人员进行维护，更换电池。

方法二：

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。

具体的，所述工作方法还包括：

S11，根据应用场景对应的平均日充电量A_均选择对应的电池组件类型：如果平均日充电量A_均小于日充电量阈值A₀，采集装置选择不可充电锂电池，否则，选择非充电锂电池。例如，在地下水应用场景中，由于充电量很小，可以采用不可充电锂电池；在野外河流应用场景中，由于阳光充沛，可以采用可充电锂电池；对于城市水位监测，则可以结合附近建筑物和应用需求进行具体规划。

S12，结合应用场景特性和电池组件类型，动态调整采集装置的预设唤醒周期和预设发送周期：

S121，获取应用场景实时特性，所述应用场景实时特性包括实时水位风险等级C_t、实时雨量等级M_t和预估剩余降雨持续时长L_t。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C_t、实时雨量等级M_t、预估剩余降雨持续时长L_t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

式中，T₁是非充电锂电池对应的正常唤醒周期，

是水位风险等级C_t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

式中，T₂是充电锂电池对应的正常唤醒周期，

是水位风险等级C_t对应的唤醒周期调整因子，

是雨量风险等级M_t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，

和

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

调整公式：

式中，S₁是非充电锂电池对应的正常发送周期，

是水位风险等级C_t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

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

如果C_t<C₀和M_t<M₀均成立，

否则，

式中，S₂是充电锂电池对应的正常发送周期，f(C_t,M_t)是水位风险等级C_t和雨量风险等级M_t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，A_t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(C_t,M_t)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区域，通常我们会布设不止一个采集装置，这一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。不同于前述以蓄电池剩余电量为决定因子，该方法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。

三、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，还涉及元器件的待机设定等。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，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。在无需MCU干预控制的情况下，确保电池电量能够一直维持系统的正常运行。

如图7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。

四、体积减小后的整体结构改进

传统方式下的一体化采集装置，需要提供专用机箱，将除太阳能板之外的设备放入专用机箱内部，太阳能板安装在加上上部，45°仰角，朝向南方。然后将专用机箱安装在地面上，这无疑提高了对安装场地和安装方式的要求。

而本发明提及的采集装置，由于在电路结构和蓄电池上做了优化改进，不受到太阳能板的限制。由于锂电池的体积、重量比铅酸电池也大大缩小，DTU又集成到RTU中，因此可以把所有装置集成在一个封闭的小盒体中，仅留出接传感器的插头和天线插头。

另外，传统的监测装置为分体式结构，很难保证其密闭性，不能防水。本发明可以将装置密闭在一个IP68的壳体中，其中带有天线的模块采用分体式结构，互不干扰。

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 (7)

1.一种小型化低功耗水位雨量采集装置，其特征在于，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MCU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MCU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MCU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MCU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；所述MCU组件结合应用场景特性和电池组件类型，动态调整采集装置的预设唤醒周期和预设发送周期；

根据应用场景对应的平均日充电量A_均选择对应的电池组件类型：如果平均日充电量A_均小于日充电量阈值A₀，采集装置选择不可充电锂电池，否则，选择非充电锂电池；

结合应用场景特性和电池组件类型，动态调整采集装置的预设唤醒周期和预设发送周期：

获取应用场景实时特性，所述应用场景实时特性包括实时水位风险等级C_t、实时雨量等级M_t和预估剩余降雨持续时长L_t；

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T_t ¹和预设发送周期

式中，T₁是非充电锂电池对应的正常唤醒周期，S₁是非充电锂电池对应的正常发送周期，

是水位风险等级C_t对应的唤醒周期调整因子，

是水位风险等级C_t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；

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

和预设发送周期

如果C_t<C₀和M_t<M₀均成立，

否则，

式中，T₂是充电锂电池对应的正常唤醒周期，S₂是充电锂电池对应的正常发送周期，

是水位风险等级C_t对应的唤醒周期调整因子，

是雨量风险等级M_t对应的唤醒周期调整因子，f(C_t,M_t)是水位风险等级C_t和雨量风险等级M_t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，A_t是第t时刻的预估充电量，k是允许的连续补报次数限值；L₀是预设的剩余降雨时长阈值，C₀是预设的水位风险阈值，M₀是预设的雨量等级阈值。

2.根据权利要求1所述的小型化低功耗水位雨量采集装置，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的小型化低功耗水位雨量采集装置，其特征在于，所述MCU组件包括MCU电路、时钟电路和看门狗电路；

所述MCU电路通过IIC通讯模块与时钟电路连接，根据时钟电路发送的中断触发信号进行唤醒操作；

所述MCU电路通过I/O接口与看门狗电路连接，定期发送确认信号至看门狗电路，所述看门狗电路响应于预设时长内未接收到MCU电路发送的确认信号，重启MCU电路。

4.根据权利要求1所述的小型化低功耗水位雨量采集装置，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。

5.根据权利要求1所述的小型化低功耗水位雨量采集装置，其特征在于，所述雨量计包括光电耦合器构成的隔离电路；

当雨量计工作时候，光电耦合器的K脚产生一低电平信号，并且将该低电平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后，由输出端的受光器件接收并再转换成电信号。

6.根据权利要求1所述的小型化低功耗水位雨量采集装置，其特征在于，所述电池组件包括以下两种类型：(1)依次连接的充电锂电池、太阳能充电控制器和太阳能板，(2)非充电锂电池，所述非充电锂电池的电容量大于充电锂电池。

7.一种基于权利要求1所述的小型化低功耗水位雨量采集装置的工作方法，其特征在于，所述工作方法包括以下步骤：

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；

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；

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；

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；

所述工作方法还包括：

根据应用场景对应的平均日充电量A_均选择对应的电池组件类型：如果平均日充电量A_均小于日充电量阈值A₀，采集装置选择不可充电锂电池，否则，选择非充电锂电池；

结合应用场景特性和电池组件类型，动态调整采集装置的预设唤醒周期和预设发送周期：

获取应用场景实时特性，所述应用场景实时特性包括实时水位风险等级C_t、实时雨量等级M_t和预估剩余降雨持续时长L_t；

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

和预设发送周期

式中，T₁是非充电锂电池对应的正常唤醒周期，S₁是非充电锂电池对应的正常发送周期，

是水位风险等级C_t对应的唤醒周期调整因子，

是水位风险等级C_t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；

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

和预设发送周期

如果C_t<C₀和M_t<M₀均成立，

否则，

式中，T₂是充电锂电池对应的正常唤醒周期，S₂是充电锂电池对应的正常发送周期，

是水位风险等级C_t对应的唤醒周期调整因子，

是雨量风险等级M_t对应的唤醒周期调整因子，f(C_t,M_t)是水位风险等级C_t和雨量风险等级M_t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，A_t是第t时刻的预估充电量，k是允许的连续补报次数限值；L₀是预设的剩余降雨时长阈值，C₀是预设的水位风险阈值，M₀是预设的雨量等级阈值。

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