CN113423085A - 一种基于nb-iot通信的雨水情遥测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于NB‑IOT通信的雨水情遥测方法及装置，该装置包括监测主机、数据采集机构和监测平台；所述监测主机用于对数据采集机构所采集的雨水情数据进行处理与分析，当分析结构为雨水情数据超过内置的水位或雨量的报警阈值时，立即发送监测数据与预警通知给监测平台，监测平台根据实际情况进行相应的防范措施或预警措施。本发明适合水文监测领域，实现了无线接入成本低、数据收发功耗低、安装维护方便、成本低等；可广泛应用于气象、水文水利、地质等领域，无线遥测终端机应用非常广泛，满足水文遥测点分布广，具有无电源、无需布线等特点，且可根据实际监测需求可配置不同类型和量程的水位传感器。

Description

一种基于NB-IOT通信的雨水情遥测方法及装置
技术领域
本发明涉及水情远程探测技术领域，具体涉及一种基于NB-IOT通信的雨水情遥测方法及装置。
背景技术
NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。
目前市场上常见的NB-IOT设备，不能直接使用来进行水雨情数据的采集，而遥测设备本身又不带NB-IOT通信功能，运行功耗较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于NB-IOT通信的雨水情遥测方法及装置，以解决现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于NB-IOT通信的雨水情遥测装置，包括监测主机、数据采集机构和监测平台；所述数据采集机构包括水位传感器和雨量传感器，所述水位传感器用于检测水位数据，所述雨量传感器用于检测降雨量数据；所述监测主机包括NB-IOT通信模块、MCU控制模块、传感器控制模块和RS485通信模块；传感器控制模块与水位传感器、雨量传感器之间实现信号传输，并用于将接收到的水位数据和降雨量数据传送至MCU控制模块；MCU控制模块用于对各数据进行综合分析处理，并将经分析处理后得到的雨水情监测数据通过NB-IOT通信模块传送至监测平台；RS485通信模块连接水位传感器和NB-IOT通信模块，用于直接上传水位传感器检测得到的水位数据以及下发对水位传感器的启停命令。
所述MCU控制模块内设有存储单元，所述存储单元用于对雨水情数据信息进行存储。
所述MCU控制模块内还设有通信检测单元，所述通信检测单元用于对NB-IOT通信模块的信号强弱和网络状态进行检测、记录以及处理。
作为本发明的进一步方案：所述MCU控制模块采用STM32L4系列处理器。
所述雨量传感器选用脉冲式雨量传感器，传感器控制模块接收来自雨量传感器的脉冲信号传送至MCU控制模块。
所述水位传感器设有阈值触发机制和控制接口；且所述水位传感器选用雷达水位计、压力水位计、激光水位计、气泡水位计、浮子水位计中的一种或一种以上的组合。
所述监测主机还包括电源模块，所述电源模块用于为NB-IOT通信模块、MCU控制模块、传感器控制模块、RS485通信模块、水位传感器和雨量传感器提供电力；所述电源模块包括太阳能电池板、储能电池和稳压模块，所述太阳能电池板用于为储能电池充电，所述储能电池通过稳压模块将输出的电压转换为3.3V和12V两路直流电，电压为3.3V的直流电用于为NB-IOT通信模块和MCU控制模块供电，电压为12V的直流电用于为传感器控制模块、RS485通信模块、水位传感器和雨量传感器供电。
作为本发明的进一步方案：采用上述所述的雨水情遥测装置进行雨水情遥测的方法具体如下：
1)雨水情遥测装置的安装：安装监测主机，将监测主机与数据采集机构连接，并保证其通信方式为NB-IOT通信的eDRX通信模式；
2)雨水情遥测装置的设置与调试：开启监测主机并设置MCU控制模块的各项参数，同时MCU控制模块针对水位传感器、雨量传感器、内置时间、预设值、通信状态及信号进行检测；检测正常后，雨水情遥测装置自动发送测试报告至监测平台，监测平台根据测试报告回复；MCU控制模块确认回复的数据是否有工作指令，如果没有工作指令，则MCU控制模块按照预设值进行工作，如果有工作指令，则MCU控制模块按照指令完成新设值，并将指令执行结果发送至监测平台，然后按照新设值进行工作；
3)雨水情遥测：MCU控制模块通过串口与NB-IOT通信模块进行通信，将NB-IOT通信模块的工作状态设置为eDRX通信模式，等待MCU控制模块上传、下载或者接收到来自监测平台的远程遥测指令，当监测平台通过NB-IOT通信模块下发查询和设置指令时，MCU控制模块按照指令进行雨水情数据采集；当MCU控制模块所获取的降雨量数据超过内置的水位报警阈值或雨量报警阈值时，MCU控制模块立即发送监测数据与预警通知给监测平台，监测平台对其降雨量数据进行二次处理，并根据实际情况进行相应的防范措施或预警措施。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明适合水文监测领域，实现了无线接入成本低、数据收发功耗低、安装维护方便、成本低等；广泛应用于气象、水文水利、地质等领域(尤其是在水文行业)，无线遥测终端机应用非常广泛，满足水文遥测点分布广，具有无电源、无需布线等特点，且可根据实际监测需求可配置不同类型和量程的水位传感器。
(2)本发明中通过采用NB-IOT通信模块与监测平台进行雨水情数据的实时传送，提高了雨水情监测的时效性、安全性和可靠性，并通过采用遥测的方式，使其即能适应各种条件恶劣的现场环境，又可以远端进行遥测和自动监测。
(3)本发明中通过采用NB-IOT通信模块中的eDRX通信模式，使其在实现对雨水情数据进行遥测的基础上又实现了运行的超低功耗。
(4)本发明具有极高的性价比(因为功耗的降低，可以减少电池的容量、太阳能板的容量，同时一体化的设计减少了设备的复杂性，大大降低了使用门槛)，且为防汛部门正确抉择提供了现代化管理水平，提高了工作效率，发挥了极大的经济效益。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实用例的结构框架图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点等能够更加明确易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精确比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施；本发明中所提及的若干，并非限于附图实例中具体数量；本发明中所提及的‘前’‘中’‘后’‘左’‘右’‘上’‘下’‘顶部’‘底部’‘中部’等指示的方位或位置关系，均基于本发明附图所示的方位或位置关系，而不指示或暗示所指的装置或零部件必须具有特定的方位，亦不能理解为对本发明的限制。
本实施例：
参见图1所示，一种基于NB-IOT通信的雨水情遥测装置，包括监测主机、数据采集机构和监测平台，所述数据采集模块包括水位传感器和雨量传感器，所述水位传感器用于检测水位数据，所述雨量传感器用于检测降雨量数据；
所述监测主机包括NB-IOT通信模块、MCU控制模块、传感器控制模块和RS485通信模块；传感器控制模块用于处理水位传感器、雨量传感器的触发事件和控制水位传感器、雨量传感器的开启或关闭，并将水位传感器所检测得到的水位数据和将雨量传感器所检测得到的降雨量数据传送至MCU控制模块进行处理与分析；将经由MCU控制模块处理与分析后得到的雨水情监测数据(雨水情监测数据包括水位数据和降雨量数据)通过NB-IOT通信模块传送至监测平台；监测平台对雨水情监测数据进行存储以及操作人员进行查看、操作；RS485通信模块用于连接水位传感器和NB-IOT通信模块，水位传感器的启动/暂停命令以及数据的接收命令通过RS485通信模块进行下发，水位传感器所检测得到的水位数据通过RS485通信模块传送至NB-IOT通信模块内，且水位传感器与MCU控制模块之间的通信可根据MCU控制模块所出发的采集完成后的处理指令进行关闭。
优选的，所述MCU控制模块采用STM32L4系列处理器，以实现能够在低功耗模式下工作；当MCU控制模块在低功耗模式下工作时会按照预设的时间间隔循环地在唤醒(开启)状态和休眠(暂停)状态之间进行转换，当MCU控制模块处于唤醒状态时，MCU控制模块按照预设的采样频率，通过传感器控制模块和RS485通信模块进行雨水情数据的采集，并将接收到的雨水情数据通过NB-IOT通信模块传输至监测平台进行存储；当MCU控制模块将雨水情数据传送至监测平台后，MCU控制模块进入休眠状态，从而实现MCU控制模块的低功耗。
优选的，所述MCU控制模块内设存储单元，所述存储单元用于当NB-IOT通信模块的信号不稳定时对所采集的雨水情数据信息进行存储(所述存储单元内所存储的雨水情数据可存储2-3年内的数据)。
优选的，所述MCU控制模块内还设有通信检测单元，所述通信检测单元用于对NB-IOT通信模块的信号强弱和网络状态进行定期检查、记录以及处理；其具体方法如下：所述通信检测单元用于对NB-IOT通信模块的网络状态进行定期检查，以获得本装置用于完成遥测功能的多项条件信息，并针对用于完成遥测功能的多项条件信息进行处理(当NB-IOT通信模块的信号较弱时，对所采集的雨水情数据信息保存于MCU控制模块内设的存储单元内，当NB-IOT通信模块的信号较强时，则对MCU控制模块内设的存储单元内的雨水情数据信息进行传输)，同时以运行记录的方式对NB-IOT通信模块的网络状态进行记录并存储于存储单元内和定时传输至监测平台进行存储。
优选的，所述雨量传感器选用脉冲式雨量传感器，雨量传感器通过传感器控制模块与MCU控制模块进行数据采集，传感器控制模块控制雨量传感器的脉冲触发和脉冲计数、并处理雨量传感器的数据(传感器控制模块在接收到首次雨量计脉冲时，会唤醒MCU控制模块以获得最新的控制指令和雨量计配置数据，并按照控制指令对雨量计脉冲进行计算，遵循降雨量监测规范输出周期雨量数据，每过一个周期唤醒MCU控制模块将雨量数据发送到MCU控制模块进行处理；当MCU控制模块所获得的雨量数据达到设定的阈值时，MCU控制模块会命令传感器控制模块检测水位传感器的工作状态，如果水位传感器处于停止状态，则命令传感器控制模块开启水位传感器，传感器控制模在开启后水位传感器后根据水位传感器的预设工作状态通知MCU控制模块控制RS485通信模块进行水情数据采集，并等待MCU控制模块采集完成后的处理指令)、以及将雨量传感器所检测的雨量数据与MCU控制模块进行交互。
所述水位传感器选用可提供阈值触发机制、能够与传感器控制模块采用控制接口直接对接的水位传感器。
优选的，所述水位传感器选用雷达水位计、压力水位计、激光水位计、气泡水位计、浮子水位计中的一种或一种以上的组合。
所述监测主机还包括电源模块，所述电源模块用于为NB-IOT通信模块、MCU控制模块、传感器控制模块、RS485通信模块、水位传感器和雨量传感器提供电力。
优选的，所述电源模块包括太阳能电池板、电池和稳压模块，太阳能电池板实现电池的充电(电池可输入的充电电压为12V-30V、电流为0-5A)，电池所输出的电压通过稳压模块转换为3.3V和12V两路直流电，其中电压为3.3V的直流电用于为NB-IOT通信模块和MCU控制模块供电，电压为12V的直流电用于为传感器控制模块、RS485通信模块、水位传感器和雨量传感器供电。
优选的，基于上述所述的雨水情遥测装置进行雨水情遥测的方法具体如下：
办理基于NB-IOT通信的SIM卡，并开通支持eDRX通信的通信模式；
将基于NB-IOT通信的SIM卡安装于监测主机内，将雨量传感器、水位传感器、太阳能电池板分别与监测主机连接，开启监测主机并设置MCU控制模块的各项参数，同时MCU控制模块针对水位传感器、雨量传感器、电池电压、内置时间、预设值、通信状态及信号进行检测；检测正常后，雨水情遥测装置自动发送测试报告至监测平台，监测平台根据测试报告回复；MCU控制模块确认回复的数据是否有工作指令，如果没有工作指令，则MCU控制模块按照预设值进行工作，如果有工作指令，则MCU控制模块按照指令完成新设值，并将指令执行结果发送至监测平台，然后按照新设值进行工作(进入工作后，工作指示灯从常亮变成10秒一次的闪烁)；
MCU控制模块在工作状态处于低功耗状态模式，当雨量传感器未检测到降雨时(即降雨量数据处于MCU控制模块中预设的雨量数据阈值内时)，MCU控制模块控制传感器控制模块进行定时工作，以控制水位传感器进行水位监测工作(工作的时间频率按MCU控制模块预设好的规则进行，进入低功耗装态，主机运行的平均功耗在1ma以内)；雨量传感器与水位传感器所监测得到的雨量和水位值数据由MCU控制模块的计数器进行记录并上云至监测平台(通过时间标记，将每次采集的数据保存在存储器中并由MCU控制模块定时进行读取、并上传到监测平台)；MCU控制模块通过串口与NB-IOT通信模块进行通信，将NB-IOT通信模块的工作状态设置为eDRX通信模式，等待MCU控制模块上传、下载或者接收到来自监测平台的远程遥测指令，当监测平台通过NB-IOT通信模块下发查询和设置指令时，MCU控制模块按照指令进行雨水情数据采集，从而可以实现云端系统的实时数据采集；当MCU控制模块所获取的降雨量数据超过内置的水位或雨量的报警阈值时，MCU控制模块立即发送监测数据与预警通知给监测平台，监测平台根据实际情况进行相应的防范措施或预警措施。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于NB-IOT通信的雨水情遥测装置，其特征在于，包括监测主机、数据采集机构和监测平台；
所述数据采集机构包括水位传感器和雨量传感器，所述水位传感器用于检测水位数据，所述雨量传感器用于检测降雨量数据；
所述监测主机包括NB-IOT通信模块、MCU控制模块、传感器控制模块和RS485通信模块；传感器控制模块与水位传感器、雨量传感器之间实现信号传输，并用于将接收到的水位数据和降雨量数据传送至MCU控制模块；MCU控制模块用于对各数据进行综合分析处理，并将经分析处理后得到的雨水情监测数据通过NB-IOT通信模块传送至监测平台；RS485通信模块连接水位传感器和NB-IOT通信模块，用于直接上传水位传感器检测得到的水位数据以及下发对水位传感器的启停命令。
2.根据权利要求2所述的雨水情遥测装置，其特征在于，所述MCU控制模块内设有存储单元，所述存储单元用于对雨水情数据信息进行存储。
3.根据权利要求2所述的雨水情遥测装置，其特征在于，所述MCU控制模块内还设有通信检测单元，所述通信检测单元用于对NB-IOT通信模块的信号强弱和网络状态进行检测、记录以及处理。
4.根据权利要求3所述的雨水情遥测装置，其特征在于，所述MCU控制模块采用STM32L4系列处理器。
5.根据权利要求1所述的雨水情遥测装置，其特征在于，所述雨量传感器选用脉冲式雨量传感器，传感器控制模块接收来自雨量传感器的脉冲信号传送至MCU控制模块。
6.根据权利要求1所述的雨水情遥测装置，其特征在于，所述水位传感器设有阈值触发机制和控制接口。
7.根据权利要求6所述的雨水情遥测装置，其特征在于，所述水位传感器选用雷达水位计、压力水位计、激光水位计、气泡水位计、浮子水位计中的一种或一种以上的组合。
8.根据权利要求1所述的雨水情遥测装置，其特征在于，所述监测主机还包括电源模块，所述电源模块用于为NB-IOT通信模块、MCU控制模块、传感器控制模块、RS485通信模块、水位传感器和雨量传感器提供电力。
9.根据权利要求8所述的雨水情遥测装置，其特征在于，所述电源模块包括太阳能电池板、储能电池和稳压模块，所述太阳能电池板用于为储能电池充电，所述储能电池通过稳压模块将输出的电压转换为3.3V和12V两路直流电，电压为3.3V的直流电用于为NB-IOT通信模块和MCU控制模块供电，电压为12V的直流电用于为传感器控制模块、RS485通信模块、水位传感器和雨量传感器供电。
10.一种基于NB-IOT通信的雨水情遥测方法，其特征在于，采用权利要求1-9任意一项所述的雨水情遥测装置进行雨水情遥测，包括以下过程：
雨水情遥测装置的安装：安装监测主机，将监测主机与数据采集机构连接，并保证其通信方式为NB-IOT通信的eDRX通信模式；
雨水情遥测装置的设置与调试：开启监测主机并设置MCU控制模块的各项参数，同时MCU控制模块针对水位传感器、雨量传感器、内置时间、预设值、通信状态及信号进行检测；检测正常后，雨水情遥测装置自动发送测试报告至监测平台，监测平台根据测试报告回复；MCU控制模块确认回复的数据是否有工作指令，如果没有工作指令，则MCU控制模块按照预设值进行工作，如果有工作指令，则MCU控制模块按照指令完成新设值，并将指令执行结果发送至监测平台，然后按照新设值进行工作；
雨水情遥测：MCU控制模块通过串口与NB-IOT通信模块进行通信，将NB-IOT通信模块的工作状态设置为eDRX通信模式，等待MCU控制模块上传、下载或者接收到来自监测平台的远程遥测指令，当监测平台通过NB-IOT通信模块下发查询和设置指令时，MCU控制模块按照指令进行雨水情数据采集；当MCU控制模块所获取的降雨量数据超过内置的水位报警阈值或雨量报警阈值时，MCU控制模块立即发送监测数据与预警通知给监测平台，监测平台对其降雨量数据进行二次处理，并根据实际情况进行相应的防范措施或预警措施。
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