CN114295173B - 地表径流水质采样监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供地表径流水质采样监测装置，主要包括：太阳能充电组件、锂电池蓄电组件、水深标尺、摄像头、潜入式压力水深传感器、温度传感器、主控模块以4G数据传输模块、服务器以及监控终端等。通过所述的温度传感器监测水域温度，并根据得到温度信息对所述的潜入式压力水深传感器数据进行补偿，提高检测精度。同时通过所述视频传感器采集水深标尺的图像，通过图片识别算法识别其中数字，并将系统采集的水位信息通过所述的4G数据传输模块发送至所述的服务器中，以便监控终端随时展示数据，同时在所述的主控模块内部的数据存储组件中进行本地缓存。

Description

地表径流水质采样监测装置

技术领域

本发明涉及江、河以及湖水等地表淡水区域远程水位监测系统。

背景技术

地表水源是人类社会进行生产生活或水资源调度的重要资源，并且与生态环境变化休戚相关，不仅支撑着人类生活的各个方面，也能够造成重大灾害，因此，对于地表水资源的水位监测工作是十分必要的。通常，为实现对水资源的保护，其集中分布区域一般位于远离城市的区域，以人工方式实施监测将造成极大资源浪费，因而对地表水资源的监测工作需要能够以远程、分布式并且全自动方式运行，通过传感器采集水位信息，并利用网络通信技术，将数据发送至数据中心，不仅可以实现大范围、多测点、高精度的水位信息监测。

目前，对于水位信息进行监测的传感器主要有漂浮式水位传感器，潜入式压力水深传感器以及反射型水位传感器，而现役的主流水位监控系统多以单一类型传感器作为数据来源，在传感器发生故障时，监控端难以及时判断所得到的水位信息是否正确，因此采用多种不同类型传感器对地表水域水位进行监测，利用多种数据相互验证，不仅能够提高数据的准确度，更能够提升系统的整体抗干扰性，使之更加适应远程无人值守的工作环境。

相对于离散数字信号数据，视觉信号对于水位信息的展示更加直接，而随着大数据以及机器学习技术的大力发展，对于图像中的数据识别技术已经得到了较为成熟的发展，取得了广泛的应用成果。因此，通过图像识别技术，对视频传感器采集的图像信息进行识别，以所见即所得的方式实现对水位信息进行监控，能够对传统水位传感器数据进行验证与补充，能够使获得的水位信息更加丰富，便于展示。

发明内容

本发明提供一种地表径流水质采样监测装置(地表水域水位监测系统)，通过多种类型传感器实现地表水域水位信息监控，将多种数据进行互补验证，提高数据准确程度，提升系统的抗干扰能力。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种地表水位监测系统，包括服务端、采集端与客户端组成；其中服务端主要实现数据存储功能，以MySQL作为数据库软件，通过 Java Spring框架开发服务端程序，通过HTTP协议以WebAPI方式与采集端主控单元进行通信，下发配置指令，并存储采集端发送的水位信息与图片信息；同时提供数据访问接口，同样以WebAPI方式与客户端通信，接受客户端的请求，根据客户端的不同请求类型，实现向客户端发送数据，或向采集端发送控制指令；

客户端主要实现数据展示与系统管理功能，客户端通过网络浏览器以HTTP协议与服务端交互，系统用户登录后，根据权限控制策略可访问不同的内容，随后通过系统内的不同的功能页面实现数据监控以及配置采集端的相关参数等功能；

系统的数据采集功能主要由采集端实现，采集端主要以无人值守的方式远程部署与要实现水位监测的水域，主要包括12V太阳能发电板、电池充电管理芯片、12V锂离子蓄电池、 12V线性稳压芯片，5V线性稳压芯片、潜入式压力水位传感器、温度传感器、视频传感器、 4G数据传输模块、主控模块、模拟-数字转换模块等组件组成；其中温度传感器与水位传感器通过捆绑方式封装在一起，并潜入要实现水位监测的水域的水底，并通过信号调理模块与模拟-数字转换模块相连，便于其读取监控水域的温度与水位信息；若要实现大范围水位监测，需要将传感器放置在监测水域较深的水底位置；为实现水位数据图像数据的采集，需要在监测水域中竖立水深标尺，并设置视频传感器，并确保其能够清晰采集水深标尺图像；视频传感器通过POE方式分别与电源以及主控模块相连，并且内置HTTP服务器，主控模块可通过HTTP协议对视频传感器进行控制，进而实现图像数据的采集；系统以锂离子电池作为能源供应装置，并且，为实现长期无人值守水位监测，蓄电池通过充电管理芯片与太阳能电池板相连接，通过太阳能为蓄电池充电，同时蓄电池通过12V线性稳压模块为系统提供12V 直流电源，供主控模块与视频传感器使用，通过5V线性稳压模块提供5V直流电源为水位传感器与温度传感器提供电源；主控单元以12V稳压模块提供的12V直流电源为作为能量来源，同时通过SPI总线与模拟-数字转换模块通信，实时读取监控水域的温度信息与水位信息；主控模块通过有线网络接口与视频传感器相连接，按系统设置的采样频率读取水深标尺的图像数据，以便通过机器视觉算法识别其中的水面位置所处的数字；主控模块通过RS232 串口与4G数据传输单元相连，通过串口控制4G数据传输单元向服务器发送实时采集的数据，并定时接收来自服务端对数据采集端的配置指令信息；4G数据传输单元通过外置天线装置增强信号，确保数据传输过程准确无误；

其中主控单元、蓄电池、信号调理模块、线性稳压模块、模拟-数字转换模块、电池充电管理芯片等组件共同封装于金属机壳内部，通过橡胶密封条实现内部密封，防止液体进入机壳造成系统失效；太阳能电池板通过金属支架安装于监控水域岸边采光较好的位置，为系统提供持续能量供应；

本发明的技术优点：

本发明采用多源物理信号相互验证的方式采集监测水域水位信息，本发明利用潜入式压力水位传感器监测水位时，通过增加温度传感器对水位传感器采集的数据进行补偿，进一步增加监测数据的准确性，提升系统精度。

本发明采集端增加视觉传感器数据，通过引入机器视觉技术，获取传统水位传感器数据的同时，同步采集水深标尺处的图像数据，以所见即所得方式获取水面处水位信息，多种信号相互验证，进一步提升系统抗干扰能力，增强稳定性。

本发明采集水位信息同时，向服务器同步传输水深标尺图像数据，方便系统使用人员以人工方式抽检并核验数据，并且在展示数据过程中能够使水位监测结果更加直观，可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：系统整体架构示意图；

图2：采集端模块连接原理图；

图3：温度/水位传感器信号调理原理图；

图4：采集端主控模块应用程序流程图。

其中：1-系统采集端总体结构，2-12V太阳能电池板，3-采集端主控机柜，4-视频传感器，5-水深标尺，6-监控水域，7-潜入式压力水位传感器，8-温度传感器，9-系统服务端总体结构，10-应用服务器，11-数据服务器，12-系统监控端总体结构，13-数据监控大屏，14-移动设备，15-计算机，16-采集端机柜外壳，17-12V锂离子蓄电池，18-锂离子电池充电管理模块，19-5V线性稳压芯片，20-12V线性稳压芯片，21-主控模块，22-4G数据传输模块，23-模拟-数字转换模块，24-信号调理模块，25-POE供电模块，26-4G数据传输模块外部天线，27-K型热电偶模拟变送芯片，28-集成运算放大芯片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。其中，所描述的实施例是本发明一部分实施例。

请参考图1至图3，本发明提供了一种地表径流水质采样监测装置，包括系统数据采集端1，系统服务端9，以及系统监控端12。

所述12V太阳能电池板2通过金属支架安装与要实施水位监测水域岸边采光较好之处，安装高度2m以上，并通过带绝缘层导线与采集端主控机柜3内部的锂离子电池充电管理模块18相连，在锂离子电池充电管理模块18的管理下为12V锂离子蓄电池17提供能量。

所述采集端主控机柜3通过金属支架安装于监控水域6预先选定的测点之处岸边，安装高度1.2m以上，采集端主控机柜外壳16材质为喷涂防锈漆的钢板，其正面设置有带锁面板，面板与柜体之间有密封条，以阻止外部液体进入采集端主控机柜3，底部设置有带有密封结构的过线孔，传感器信号线以及太阳能电池板导线均从线孔内穿过。

所述视频传感器4通过金属支架安装于监控水域6预先选定测点岸边，安装高度应现场适配水深标尺5位置，使之能够清晰观测到水深标尺上的刻度。视频传感器4通过POE供电模块25以室外型8芯双绞线分别与采集端主控机柜内的12V电源以及主控模块21的有线网络接口相连接，通过双绞线同时实现供电与数据传输。

所述水深标尺5通过沉底方式安装于监控水域6预先选定测点的地步，并调整刻度范围，使其能够满足水位监测量程范围，并且能够准确表示监控水域6水面处的水位信息，同时，应同时考虑视频传感器4的安装位置，使之便于采集水深标尺处的刻度信息。

所述潜入式压力水位传感器7为传统水位监测所使用的传感器，可直接在市场购买，其型号为HBH01-100m-V2-B1-G1-P1，采用316L不锈钢外壳，防护等级IP68，温度漂移0.01％Fs/℃，量程100m，综合精度0.1％，输出信号为4-20mA电流信号。水位传感器通过置地方式安装与监测水域6预定测点的水底，同时由于传感器本身较轻，为防止水体流动对其造成影响，在安装传感器时，应先将其固定于重物之上，在放置于监测水域6的水底。

所述温度传感器8为水温检测环境所使用的的通用K型热电偶传感器，型号为PT-100。由于所监测水域环境为室外环境，其温度随自然界温度周期行变化，而潜入式压力水位传感器7本身由于温度漂移现象会存在一定误差，为提高系统监测数据的准确度，需要根据外界温度对其进行补偿，因此通常将温度传感器8与潜入式压力水位传感器7通过捆绑的方式封装在一起，同时置入监控水域6预定测点的水底。

所述应用服务器-10为系统应用程序服务器，为实现对多个采集端的统一管理，通过Java Spring框架开发了系统服务端应用程序，通过WebAPI方式与数据采集端1，数据监控端12 进行通信，服务端通过WebAPI接收数据采集端1实时发送的水位数据与水深标尺图像数据，同时也能够远程修改每一个接入系统的数据采集端1的配置参数，使其能够以统一的频率与格式采集监控水域6的水位信息。

所述数据服务器11位系统数据存储服务器，通过MySQL数据库系统存储数据采集端1 所发送的水位数据与图像数据，并存储所有历史数据，以便在数据监控大屏13上展示水位监测结果。

所述数据监控大屏13安装于监控中心集中监控室，其后台应用程序通过WebAPI实时与应用服务器10进行通信，调取数据服务器11中的数据，并安装选定的规则予以展示，实现多个地域，多个测点的实时数据轮播与历史数据查询等功能。

所述移动设备14与计算机15位系统使用人员操作设备，通过通用网络浏览器以HTTP 协议方位应用程序服务器10中的接口，实现数据查询、实时显示以及修改数据采集端配置参数等功能。

所述采集端主控机柜外壳16为带有防锈漆图层的金属结构，正面为带锁的可开合面板，防止无关人员接触数据采集端机柜内部元件，其背部为机柜内个电子模块的安装支架，为其他电子元件提供固定支撑点，并能够在野外环境下为内部电子元件提供防护，使其能够稳定工作。

所述12V锂离子电池17，为通用12V 60AH锂离子电池，为整个系统提供电力支持，在野外环境下，其电池容量能够保证系统稳定运行。当外界天气情况良好时，可通过太阳能电池板为其补充能量，由于系统所使用的的元器件均为低功耗元器件，即便出现天气情况持续不佳，电池本身容量也可保证系统正常运行数天。

所述锂离子电池充电管理模块18为通用模块，可由市场购得，为防止锂离子电池出现电量过低而休眠或由于过冲而导致电池损毁等事故，充电管理模块主要起到对锂离子电池17进行保护作用，数据采集端1系统运行过程中，锂离子电池17充放电过程均在锂离子电池充电管理模块控制下运行，从供能方面对系统的稳定运行提供了保证。

所述5V线性稳压芯片19由正负两种电压输出芯片组成，可由市场购得，其型号为金升阳A1205D-2WR3，输入电压为12V，输出电压为正负5V，负电压主要用于信号调理模块24中的集成运算放大芯片28的负电源，正电压主要用于温度传感器信号调理过程中的K型热电偶模拟变送芯片27供电。

所述12V线性稳压芯片20为采集端系统1主控模块以及视频传感器4，水位传感器7提供电源，为通用新型稳压芯片，其型号为：明纬，SKM10A-05，能够在较宽电压输入范围内，为系统提供稳定提供12V直流电源。

所述主控模块21为通用性嵌入式Linux主控模块，其型号为全志A40，Arm A7处理器，系统架构为Linux3.4+QT5.8，包含SPI总线，RJ45网络接口，RS232串口以及多种IO 接口，丰富的接口资源以及强大的处理能力可充分保证数据采集端1所有功能的稳定运行。

所述4G数据传输模块22为带有定位功能的全网通4G数据传输模块，型号为华为ME909S-821，支持4G上网，并且支持北斗系统定位，方便回传数据采集端1所布置的位置信息，将水位信息与地理位置信息共同传回服务器，方便在数据监控大屏13中更加直观的展示水位监测数据。

所述模拟-数字转换模块23为通用高精度模拟-数字转换模块(ADC)，其型号为诺亚德 AD7606，高精度ADC模块，基于SPI总线通信，分辨率16位，足以满足本发明数据采集端1的水位传感器7与温度传感器8的信号采集要求。

所述信号调理模块24位自制组件，主要包含K型热电偶模拟变送芯片(AD597)27，集成运算放大芯片(OP37GP)28，以及常见的电容和电阻元件。其中K型热电偶模拟变送芯片27是一款模拟输出的变送器，主要对J或K型热电偶输入进行冷结补偿和放大，从而得出与温度成比例的内部信号。集成运算放大芯片(OP37GP)是一种集成精密运算放大器，主要对传感器输出的微小信号进行放大，方便由ADC模块进行数字信号采集。对于温度传感器 8，信号调理过程为信号变送与放大，而对于水位传感器7，其输出信号为4-20mA电流信号，其调理过程为信号类型转换(电流转换为电压)与放大。

所述POE供电模块25为通用POE供电分离线，该模块通常成对使用，将户外双绞线中的除用于网络通信的之外的四根双绞线用于电源线，从而减少视频传感器4的线路数量，降低安装难度，并提高防护水平。

所述数据采集端1主控模块21内的主程序运行流程如图4所示，系统开机后首先读取本地配置文件，从中取得采样频率，服务端地址，提交数据规则等信息。进一步对4G数据传输模块22进行初始化，并测试与服务器的联通性，若能够成功联通服务器，则从服务器下载最新的配置信息，对本地配置文件进行更新；若无法与服务器进行通信则停止运行程序。进一步根据配置信息中的采样频率设置定时任务，初始化SPI总线驱动，初始化模拟-数字转换模块23，配置信号采集参数。进一步在定时任务回调函数中依次读取温度传感器数据并将其转换为温度值，读取水位传感器数据，并根据温度值对进行修正，进而得到第一个水位值。进一步通过网络连接读取视频传感器4的图像数据，利用机器视觉算法，对图像数据进行二值化处理并提取边界信息进行内容识别，通过图像数据得到第二个水位值，将两个水位值进行对比验证，若在误差阈值之内，则认定数据正常，将水位值、水深标尺5的图像数据以及定位数据发送至服务器；若两个水位值误差超过阈值，则发送异常提醒，提醒系统工作人员对数据进行人工核验。至此，一轮数据采集工作完成，系统根据服务端发送的停止标志判定是否继续进行数据采集。

系统数据采集端电器元件连接关系：

如图1-图3所示，水位传感器7、温度传感器8通过绝缘信号线与信号调理模块24相连，进一步通过模拟-数字转换模块23以SPI总线与主控模块相连，实现信号传输，同时通过电源总线与系统内5V，12V电源相连，实现能量供应。

视频传感器4通过POE供电模块25，进一步通过户外双绞线与主控模块21的RJ45有线网络接口相连，以实现数据与控制信号传输。同时与系统电源总线中的12V电源相连，以实现能量供应。

在数据采集端主控机柜3内部，锂离子蓄电池17通过锂离子电池充电管理模块18与太阳能电池板相连接，通过太阳能电池板为自身补充能量。同时与线性稳压芯片19，20相连，通过电源总线为系统提供12V，±5V直流电源。

4G数据传输模块22通过RS232串口与主控模块21相连，以实现控制指令与数据传输。同时与外部天线26相连，通过外部天线增加信号强度，以保证系统数据传输过程的准确性。

本发明提供地表径流水质采样监测装置，是基于多源信号融合的地表水位监测系统(基于多源信息的远程自动水位监测系统)，主要包括：太阳能充电组件、锂电池蓄电组件、水深标尺、摄像头、潜入式压力水深传感器、温度传感器、主控模块以4G数据传输模块、服务器以及监控终端等。通过所述的温度传感器监测水域温度，并根据得到温度信息对所述的潜入式压力水深传感器数据进行补偿，提高检测精度。同时通过所述视频传感器采集水深标尺的图像，通过图片识别算法识别其中数字，并将系统采集的水位信息通过所述的4G数据传输模块发送至所述的服务器中，以便监控终端随时展示数据，同时在所述的主控模块内部的数据存储组件中进行本地缓存。整个系统通过所述的锂离子电池提供能量，并通过所述太阳能充电模块完成蓄电池自动充电，以实现远程无人值守式自动水位监测功能。

Claims (1)

1.一种地表径流水质采样监测装置，其特征在于：包括服务端、采集端与客户端组成；其中

服务端实现数据存储功能，以MySQL作为数据库软件，通过Java Spring框架开发服务端程序，通过HTTP协议以WebAPI方式与采集端主控单元进行通信，下发配置指令，并存储采集端发送的水位信息与图片信息；同时提供数据访问接口，同样以WebAPI方式与客户端通信，接受客户端的请求，根据客户端的不同请求类型，实现向客户端发送数据，或向采集端发送控制指令；

客户端实现数据展示与系统管理功能，客户端通过网络浏览器以HTTP协议与服务端交互，系统用户登录后，根据权限控制策略可访问不同的内容，随后通过系统内的不同的功能页面实现数据监控以及配置采集端的相关参数；

系统的数据采集功能由采集端实现，采集端以无人值守的方式远程部署与要实现水位监测的水域，包括12V太阳能发电板、电池充电管理芯片、12V锂离子蓄电池、12V线性稳压芯片，5V线性稳压芯片、潜入式压力水位传感器、温度传感器、视频传感器、4G数据传输模块、主控模块、模拟-数字转换模块组成；其中温度传感器与水位传感器通过捆绑方式封装在一起，并潜入要实现水位监测的水域的水底，并通过信号调理模块与模拟-数字转换模块相连，便于其读取监控水域的温度与水位信息；若要实现大范围水位监测，需要将传感器放置在监测水域较深的水底位置；为实现水位数据图像数据的采集，需要在监测水域中竖立水深标尺，并设置视频传感器，并确保其能够清晰采集水深标尺图像；视频传感器通过POE方式分别与电源以及主控模块相连，并且内置HTTP服务器，主控模块可通过HTTP协议对视频传感器进行控制，进而实现图像数据的采集；系统以锂离子电池作为能源供应装置，并且，为实现长期无人值守水位监测，蓄电池通过充电管理芯片与太阳能电池板相连接，通过太阳能为蓄电池充电，同时蓄电池通过12V线性稳压模块为系统提供12V直流电源，供主控模块与视频传感器使用，通过5V线性稳压模块提供5V直流电源为水位传感器与温度传感器提供电源；主控单元以12V稳压模块提供的12V直流电源为作为能量来源，同时通过SPI总线与模拟-数字转换模块通信，实时读取监控水域的温度信息与水位信息；主控模块通过有线网络接口与视频传感器相连接，按系统设置的采样频率读取水深标尺的图像数据，以便通过机器视觉算法识别其中的水面位置所处的数字；主控模块通过RS232串口与4G数据传输单元相连，通过串口控制4G数据传输单元向服务器发送实时采集的数据，并定时接收来自服务端对数据采集端的配置指令信息；4G数据传输单元通过外置天线装置增强信号，确保数据传输过程准确无误；

其中主控单元、蓄电池、信号调理模块、线性稳压模块、模拟-数字转换模块、电池充电管理芯片共同封装于金属机壳内部，通过橡胶密封条实现内部密封，防止液体进入机壳造成系统失效；太阳能电池板通过金属支架安装于监控水域岸边采光较好的位置，为系统提供持续能量供应。