CN112833987A - 一种适用于深井液位监测的液位监测方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种适用于深井液位监测的液位监测方法及设备，包括以下步骤：开启绝压传感器进行数据测量，如果绝压传感器两个探头测量值相同，则液位测量数据无效，开启雷达液位传感器进行液位测量；否则，液位测量数据有效，无需开启雷达液位传感器；绝压传感器或者雷达液位传感器将采集的液位测量数据发送到主控制器，主控制器对采集的液位测量数据进行处理，通过无线通信模块将液位测量数据无线上传到上位机；上位机正确接收液位测量数据以后向液位监测设备发送应答帧，并进行数据处理。本申请可实现排水管道的多个井下液位数据远程在线监测，无需布线，监测覆盖范围广；通过双绝压传感器的补充应用，实现全量程无盲区监测。
Description
技术领域
本申请涉及城市排水系统监测技术领域，尤其涉及一种适用于深井液位监 测的液位监测方法及设备。
背景技术
随着城市人口的增加，城市建设的速度远远快于城市排水管网改造的速度， 使城市排水系统面临巨大挑战，这也是很多城市一到雨季就被淹的原因。这让 我们不得不思考，在追求城市大、新、快的同时，用什么方法去保障城市居民 的生命财产安全。
城市排水防涝系统是一个复杂关联的网络系统，涉及路政、园林、河道等 多个部门，城市内涝成因也是多方面的，其中，预警与监管体系不完善是重要 因素之一。因此，为隐蔽性很强的地下排水管网系统装上“电子眼”，建设城 市排水管网水位监测系统，为城市排水管理者提供观察、浏览排水管网动态运 行状况的全新视角，已经成为提升排水管网现代化管理的紧迫需求。
传统的液位监测设备采用超声波、压力等原理，存在较大盲区，不能实现 全量程监测，信号发射角度大导致的回波干扰形成误报，传感器不稳定导致监 测数据时有时无。因此，急需对现有液位监测设备做出革命性变更，解决当前 问题。
发明内容
本申请实施例提供一种适用于深井液位监测的液位监测方法，包括以下步 骤：
液位监测设备上电以后，首先开启绝压传感器进行液位数据测量，如果绝 压传感器两个探头测量值相同，则绝压传感器的液位测量数据无效，开启雷达 液位传感器进行液位数据测量；否则，绝压传感器液位测量数据有效，无需开 启雷达液位传感器；
绝压传感器或者雷达液位传感器将采集的液位测量数据发送到主控制器， 主控制器对采集的液位测量数据进行处理，通过无线通信模块将液位测量数据 无线上传到上位机；
所述上位机正确接收液位测量数据以后向液位监测设备发送应答帧，并进 行数据处理。
进一步的，所述主控制器对采集的液位测量数据进行处理，具体为：
当主控制器判断绝压传感器或者雷达液位传感器采集到的液位测量数据 低于警戒水位时，主控制器控制所述液位监测设备工作在常规模式下；
当主控制器判断绝压传感器或者雷达液位传感器采集的液位测量数据高 于警戒水位时，主控制器控制所述液位监测设备切换到报警模式下工作；
当所述液位监测设备工作在报警模式下持续时间超过24小时，则转入强 制解除报警模式，直到主控制器判断液位测量数据回落至警戒水位以下时，再 次切换到常规模式下工作。
进一步的，所述常规模式下，所述液位监测设备上报液位测量数据的频率 由采集次数N决定，采集次数N表示液位监测设备每采集完N组液位测量数 据以后开始上报，液位监测设备采集液位测量数据计数循环周期是1天，即每 天0：00～23：59对完成液位测量数据采集次数进行累计，第二天0：00开始 计数器清零，采集次数N通过上位机配置；
如果当天23:59之前液位测量数据不满足N次的，每天最后1次采集完成 之后上报液位测量数据；每次上报液位测量数据最多为12组，如果已经采集 液位测量数据超过12组，则等间距抽取12组液位测量数据上报，其余液位测 量数据丢弃。
进一步的，所述液位监测设备转入强制解除报警模式，液位监测设备采集 间隔与常规模式下一致，且检测到报警或者异常不会切换到报警模式，而是保 持在强制解除报警模式，直到报警事件自然解除，则切换到非报警状态。
进一步的，所述上位机端有配置信息更新时，应答帧包含参数配置信息， 所述参数配置信息包括：失败重传次数、探头安装高度、液位报警阈值、采集 间隔、采集次数、边界阈值和校时信息；否则，应答帧仅包含校时信息；
所述液位监测设备接收应答帧以后进行数据解析，有参数配置信息下发时 更新参数配置信息并进行时间校准，无参数配置信息下发时仅进行时间校准；
所述液位监测设备收到上位机应答帧以后则结束本次通讯转入休眠模式， 如果在预定时间未收到上位机应答帧，将之前采集的液位测量数据重新发送一 遍，重发次数通过下发参数配置信息的形式修改。
进一步的，所述液位监测设备检测到自身故障发生时，将对应故障编码发 送到上位机。
本申请实施例还提供一种一种适用于深井液位监测的液位监测设备，所述 液位监测设备安装在井盖下部位于井筒的侧壁上，所述液位监测设备包括主控 制器、绝压传感器、雷达液位传感器、电源管理模块、无线通信模块、蓝牙模 块、数据存储模块，所述主控制器与绝压传感器、雷达液位传感器、电源管理 模块、无线通信模块、蓝牙模块、数据存储模块电性连接；所述绝压传感器上 方探头安装在雷达液位传感器探头的位置水平线以上，所述绝压传感器下方探 头安装在雷达液位传感器探头的位置水平线以下。
进一步的，所述绝压传感器、雷达液位传感器一体化集成在一个壳体内。
进一步的，所述雷达液位传感器的信号发射方向垂直于水平面，所述雷达 液位传感器的信号发射方向避开井下出水口。
进一步的，所述雷达液位传感器基于TI的IWR1443芯片设计，所述绝压 传感器采用154BSD002BA-3BIR型压力传感器作为压力传感模块。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
1、本发明能够对城市排水管道液位信息进行实时监测，并通过不限于 NB-IOT或者LoRa的无线通信方式进行数据传输，后台控制中心的上位机根据 前端设备上报的液位数据开展风险评估、防涝预警、应急抢修和日常维护工作， 以保证城市排水管线安全运行，可实现排水管道的多个井下液位数据远程在线 监测，无需布线，监测覆盖范围广。
2、本发明可在恶劣条件下能够稳定可靠的工作，能够适应井下高温、高 湿、存在有毒有害气体的环境。并且通过双绝压传感器的补充应用，有效解决 雷达探头上方液位的测量，真正实现全量程无盲区监测，同时77GHz毫米波雷 达发射角达到2.0度，有效避免雷达波发射到窨井内部侧壁，从而避免虚假回 波，从硬件层面解决误报的问题。
3、本发明的液位监测设备可以根据实际监测情况工作在常规模式、报警 模式、强制解除报警模式，适应不同监测情形，灵活性好；液位监测设备还具 有故障自检和故障码上报功能，便于及时发现和快速定位问题；在上位机的应 答信息中具有参数配置功能，便于适应不同监测值需要。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部 分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不 当限定。在附图中：
图1为本发明的液位监测设备控制系统的硬件原理框图；
图2为本发明实施例的液位监测设备的雷达液位传感器安装位置结构示意 图；
图3为本发明实施例的液位监测设备的雷达液位传感器正确安装角度结构 示意图；
图4为本发明实施例的液位监测设备的雷达液位传感器错误安装角度结构 示意图；
图5为本发明实施例的液位监测设备的雷达液位传感器为避开井下出水口 的正确安装结构示意图；
图6为本发明实施例的液位监测设备的雷达液位传感器为避开井下出水口 的错误安装结构示意图；
图7为本发明实施例的液位监测设备的雷达液位传感器、绝压传感器安装 相对位置示意图；
图8为本发明实施例的电源管理模块逻辑框图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实 施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的 实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施 例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施 例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
实施例1
本实施例公开了一种适用于深井液位监测的液位监测方法，包括以下步 骤：
液位监测设备上电以后，首先开启绝压传感器进行液位数据测量，如果绝 压传感器两个探头测量值相同，则绝压传感器的液位测量数据无效，开启雷达 液位传感器进行液位数据测量；否则，绝压传感器液位测量数据有效，无需开 启雷达液位传感器；
绝压传感器或者雷达液位传感器将采集的液位测量数据发送到主控制器， 主控制器对采集的液位测量数据进行处理，通过无线通信模块将液位测量数据 无线上传到上位机；
上位机正确接收液位测量数据以后向液位监测设备发送应答帧，并进行数 据处理。
其中，上述主控制器对采集的液位测量数据进行处理，具体为：
当主控制器判断绝压传感器或者雷达液位传感器采集到的液位测量数据 低于警戒水位时，主控制器控制所述液位监测设备工作在常规模式下。常规模 式下，设备上报数据的频率由采集次数N决定，采集次数N表示设备每采集完 N组数据以后开始上报，设备采集数据计数循环周期是1天，即每天0：00～ 23：59对完成数据采集次数进行累计，第二天0：00开始计数器清零，N可通 过上位机配置，如果当天23:59之前采集数据不满足N次的，每天最后1次采 集完成之后上报数据。每次上报数据最多为12组，如果已经采集数据超过12组，则等间距抽取12组数据上报，其余数据丢弃。
当主控制器判断绝压传感器或者雷达液位传感器采集的液位测量数据高 于警戒水位时，主控制器控制所述液位监测设备切换到报警模式下工作。如果 发生报警事件(超阈值报警或异常报警)，设备从非报警状态切换到报警状态； 报警状态下，数据采集间隔固定为20分钟(采集起始时间错开，错开策略与 常规模式下类似)。
如果报警持续时间超过时间窗口(默认为24小时)，设备从报警状态切换 到强制解除报警状态，强制解除报警状态下，设备采集间隔与常规模式下一致， 区别是检测到报警或者异常并不会切换到报警状态，而是保持在强制解除报警 状态，直到报警事件自然解除，则切换到非报警状态。
液位监测设备上报数据时，上位机正确接收以后会向设备发送应答帧，如 果上位机端有配置信息更新时，应答帧包含参数配置信息(参数配置信息主要 包括失败重传次数、探头安装高度、液位报警阈值、采集间隔、采集次数、边 界阈值)和校时信息；否则，应答帧仅包含校时信息，液位监测设备接收应答 帧以后进行数据解析，有参数配置信息下发时更新配置信息并进行时间校准， 无参数配置信息下发时仅进行时间校准。液位监测设备收到上位机应答以后则 结束本次通讯转入休眠模式，如果在预定时间未收到上位机应答帧，会将之前 采集的液位测量数据重新发送一遍，重发次数可以通过下发配置参数的形式修改，默认为3次
另外，液位监测设备还具有故障诊断功能，当设备检测到故障发生时，按 照协议规定将故障编码发送到上位机，便于问题及时发现和快速定位。
实施例2
如图2-7所示，本实施例提供一种适用于深井液位监测的液位监测设备， 液位监测设备安装在井盖下部位于井筒的侧壁上，液位监测设备包括主控制器 101、绝压传感器102、雷达液位传感器103、电源管理模块104、无线通信模 块105、蓝牙模块106、数据存储模块107，主控制器101与绝压传感器102、 雷达液位传感器103、电源管理模块104、无线通信模块105、蓝牙模块106、 数据存储模块107电性连接。
主控制器101负责控制外设资源协调有序工作并提供数据分析处理功能， 具体表现为液位传感器数据采集、分析处理、传输以及相应逻辑控制。本实施 例中，主控制器选用ST公司的STM32F103RC，它是增强型微控制器，具有512KB 闪存，64KB的RAM，12位ADC，支持IIC、SPI等通信方式，工作电压：2.0～ 3.6V。主控制器用于对各个其他模块所传数据的数据处理，并产生各种控制信 号。
电源管理模块104负责提供多路稳压直流电源输出，满足各个功能模块正 常工作需要，同时也实现电源高效管理，尽可能的降低系统功耗，延长电池续 航时间。本实施例中，电源管理模块104的逻辑框图如图8所示。液位监测设 备使用一次性锂电池组供电，电压7.2V，电量114安时。电池管理模块104将 7.2V电池电压分别转换为3.3V、3V和5V稳压直流输出，可以满足各个功能模 块工作的需要。电压变换主要由LT公司的降压DC-DC芯片LT8610，具有静态 电流小、转换效率高以及输出的纹波小等特点，实现高质量高效率的电压转换。
整个液位监测设备功耗计算如下：功耗分为待机功耗、采数功耗和发数功 耗。待机电流设计为小于0.1mA，1年的待机功耗为0.0001A*24*365＝0.876安 时；采数电流设计为小于350mA，如每天采集72组数据(20分钟一次)，每 组采集时间为15秒钟，1年的采数功耗为(0.25A*5+0.1A*15)*72*365/3600＝20.07 安时；发数电流设计为200mA，按1天发送1次数据算，发数时间为60秒， 发数功耗为0.2A*365*60/3600＝1.22安时。1年的功耗为0.876+20.07+1.22＝22.166安时。2.5年的功耗为22.166*2.5＝55.415安时。本实 施例液位监测设备采用一次性电锂电池组供电，电池容量为114安时，大于2.5 年的功耗，满足设计要求。
数据存储模块107存储传感器数据信息、电量信息以及配置信息等，可避 免设备掉电以后数据丢失。本实施例中，数据存储模块107采用串行SPI接口 FLASH存储芯片W25Q128JV，该芯片支持SPI串行协议，可存储高达16MB的 数据，具有快速擦除特性，可进行块、区、页的读写功能，用于存储采集的液 位数据、上位机配置信息以及电池电量信息等。
绝压传感器102、雷达液位传感器103均用于采集设备安装管道内液位信 息。本发明基于77GHz毫米波雷达技术和绝压传感器技术，实现0-10米无盲 区测量，并且适用于直径不小于40厘米的所有10米以下深井液位测量。其中， 77GHz毫米波雷达发射角达到2.0度，有效避免雷达波发射到窨井内部侧壁， 从而避免虚假回波，从硬件层面解决误报的问题。该设备采用调频连续波，能 够消除雷达天线下方盲区。另外，该设备采用77GHz频段，大大提高测量精度， 测量精度可达1mm。
本实施例中，雷达液位传感器103基于TI的IWR1443设计。IWR1443器 件是一款能够在77至81GHz频带中运行且基于调频连续波(FMCW)雷达 技术的集成式单芯片毫米波传感器，具有高达4GHz的连续线性调频脉冲。该 器件采用TI的低功耗45nm RFCMOS工艺进行构建，并且此解决方案在极小 的封装中实现了前所未有的集成度。IWR1443是适用于工业应用(如楼宇自动 化、工厂自动化、无人机、物料处理、交通监控和监视)中的低功耗、自监控、 超精确雷达系统的理想解决方案。雷达液位传感器103的天线采用微带天线， 节省空间，又能满足性能要求。
本实施例中，绝压传感器102选择用美国TE公司的154BSD002BA-3BIR型 压力传感器作为压力传感模块。该型号压力传感器通过IIC接口或SPI接口提供 数字输出，并且可以同时获取压力与温度数据，在2.7V～5.5V的宽电压下可稳 定工作，具有功耗低(3mA@3.3V)、体积小(直径约19mm)、精度高(压力 测量精度±0.25％FS，温度测量精度±1.5℃)、工作温度范围宽(-40℃ ～125℃)、长期稳定性好(年漂移量±0.5％FS)、耐腐蚀(316不锈钢材质)等 优点，可以满足很多应用场合的要求。
无线通信模块为NB-IOT模块、LoRa模块或者4G/5G模块，主要负责数据 的传输，其中NB-IOT模块可直接与后台服务器进行通信。比如，NB无线通信 模块选用高新兴物联科技有限公司的ME3616模块，其支持多种网络制式，接 口简单，便于与控制底板连接。NB无线通信模块用于N版液位监测设备与后 台服务器间的无线数据交互以及短信通信。
蓝牙模块106用于唤醒设备和设备调试。
实施例3
如图1所示，本实施例提供一种适用于深井液位监测的液位监测设备，液 位监测设备的各个电路在上述实施例基础上，其安装布置也采用有利于实现液 位无盲区全覆盖监测的效果。图1中标识为：1、路面；2、井盖；3、盖座；4、 井筒；5、井座；6、管道接口；7、底板。
液位监测设备的外壳选择与设计满足以下条件：
(1)液位监测设备支架的选择
液位监测设备支架主要用于安装和固定液位监测设备主机、传感器、电池 组以及连接线缆等组件，在给各个组件提供保护的同时也方便了设备现场安 装；液位监测设备支架采用不锈钢结构打造，具有强度高、耐腐蚀等优点。
(2)主机盒
主机盒由不锈钢或者高强度塑料加工而成，具有耐腐蚀等优点。
(3)天线罩
天线罩由玻璃纤维或者炭纤维加工而成，具有重量轻、防水、防腐蚀、防 凝露等优点，透波率达到75％-80％。
本发明的液位监测设备一般安装在窨井盖下的侧壁上，用螺丝固定。保持 雷达液位传感器103探头距离井壁有一定距离，尽量靠近中间，如图2-4所示， 而且雷达液位传感器103探头的安装应该是垂直于被测液面，否则雷达探头可 能无法收到回波，从而无法正常工作，如图3所示，是雷达液位传感器103正 确安装方式；如图4所示，是雷达液位传感器103错误安装方式。
如图5、6所示，雷达液位传感器103的信号发射方向避开井下出水口， 如图5所示，为正确安装方式；如图6所示，为错误安装方式。
如图7所示，液位监测设备支架采用挂壁式安装，绝压液位传感器102包 含两个探头，上方探头1021用来测量大气压，下方探头1022安装在雷达探头 盲区以下，绝压传感器102上方探头1021安装在雷达液位传感器103探头的 位置水平线以上，绝压传感器102下方探头1022安装在雷达液位传感器103 探头的位置水平线以下，与雷达探头下边缘对齐，在满足上述要求的前提下支 架尽可能靠上垂直安装。
绝压传感器102、雷达液位传感器103一体化集成在一个壳体内，实现小 型化，电池与主机之间的连接线缆外部需要加装不锈钢套管，防止在井下作业 过程中受到损坏。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技 术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所 作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种适用于深井液位监测的液位监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
液位监测设备上电以后，首先开启绝压传感器进行液位数据测量，如果绝压传感器两个探头测量值相同，则绝压传感器的液位测量数据无效，开启雷达液位传感器进行液位数据测量；否则，绝压传感器液位测量数据有效，无需开启雷达液位传感器；
绝压传感器或者雷达液位传感器将采集的液位测量数据发送到主控制器，主控制器对采集的液位测量数据进行处理，通过无线通信模块将液位测量数据无线上传到上位机；
所述上位机正确接收液位测量数据以后向液位监测设备发送应答帧，并进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的一种适用于深井液位监测的液位监测方法，其特征在于，所述主控制器对采集的液位测量数据进行处理，具体为：
当主控制器判断绝压传感器或者雷达液位传感器采集到的液位测量数据低于警戒水位时，主控制器控制所述液位监测设备工作在常规模式下；
当主控制器判断绝压传感器或者雷达液位传感器采集的液位测量数据高于警戒水位时，主控制器控制所述液位监测设备切换到报警模式下工作；
当所述液位监测设备工作在报警模式下持续时间超过24小时，则转入强制解除报警模式，直到主控制器判断液位测量数据回落至警戒水位以下时，再次切换到常规模式下工作。
3.根据权利要求2所述的一种适用于深井液位监测的液位监测方法，其特征在于，
所述常规模式下，所述液位监测设备上报液位测量数据的频率由采集次数N决定，采集次数N表示液位监测设备每采集完N组液位测量数据以后开始上报，液位监测设备采集液位测量数据计数循环周期是1天，即每天0：00～23：59对完成液位测量数据采集次数进行累计，第二天0：00开始计数器清零，采集次数N通过上位机配置；
如果当天23:59之前液位测量数据不满足N次的，每天最后1次采集完成之后上报液位测量数据；每次上报液位测量数据最多为12组，如果已经采集液位测量数据超过12组，则等间距抽取12组液位测量数据上报，其余液位测量数据丢弃。
4.根据权利要求2所述的一种适用于深井液位监测的液位监测方法，其特征在于，所述液位监测设备转入强制解除报警模式，液位监测设备采集间隔与常规模式下一致，且检测到报警或者异常不会切换到报警模式，而是保持在强制解除报警模式，直到报警事件自然解除，则切换到非报警状态。
5.根据权利要求1所述的一种适用于深井液位监测的液位监测方法，其特征在于，所述上位机有配置信息更新时，应答帧包含参数配置信息，所述参数配置信息包括：失败重传次数、探头安装高度、液位报警阈值、采集间隔、采集次数、边界阈值和校时信息；否则，应答帧仅包含校时信息；
所述液位监测设备接收应答帧以后进行数据解析，有参数配置信息下发时更新参数配置信息并进行时间校准，无参数配置信息下发时仅进行时间校准；
所述液位监测设备收到上位机应答帧以后结束本次通讯转入休眠模式，如果在预定时间未收到上位机应答帧，将之前采集的液位测量数据重新发送一遍，重发次数通过下发参数配置信息的形式修改。
6.根据权利要求1所述的一种适用于深井液位监测的液位监测方法，其特征在于，所述液位监测设备检测到自身故障发生时，将对应故障编码发送到上位机。
7.一种适用于深井液位监测的液位监测设备，其特征在于，所述液位监测设备安装在井盖下部位于井筒的侧壁上，所述液位监测设备包括主控制器(101)、绝压传感器(102)、雷达液位传感器(103)、电源管理模块(104)、无线通信模块(105)、蓝牙模块(106)、数据存储模块(107)，所述主控制器(101)与绝压传感器(102)、雷达液位传感器(103)、电源管理模块(104)、无线通信模块(105)、蓝牙模块(106)、数据存储模块(107)电性连接；所述绝压传感器(102)上方探头(1021)安装在雷达液位传感器(103)探头的位置水平线以上，所述绝压传感器(102)下方探头(1022)安装在雷达液位传感器(103)探头的位置水平线以下。
8.根据权利要求7所述的一种适用于深井液位监测的液位监测设备，其特征在于，所述绝压传感器(102)、雷达液位传感器(103)一体化集成在一个壳体内。
9.根据权利要求7所述的一种适用于深井液位监测的液位监测设备，其特征在于，所述雷达液位传感器(103)的信号发射方向垂直于水平面，所述雷达液位传感器(103)的信号发射方向避开井下出水口。
10.根据权利要求7所述的一种适用于深井液位监测的液位监测设备，其特征在于，所述雷达液位传感器(103)基于TI的IWR1443芯片设计，所述绝压传感器(102)采用154BSD002BA-3BIR型压力传感器作为压力传感模块。
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| CN202011488444.6A CN112833987A (zh) | 2020-12-16 | 2020-12-16 | 一种适用于深井液位监测的液位监测方法及设备 |
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