CN116614730A - 用于水利工程环境监测的分布式数据采集模块及监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于水利工程环境监测的分布式数据采集模块及监测系统，包括多个分布式采集装置，分布式采集装置包括多通道数据采集器和采集信号处理单元，所述采集信号处理单元包括带阻放大降噪组件和功放调节组件，通过采集信号处理单元来对水利工程环境前端采集数据信号进行处理，使数据采集过程中对采集信号预处理具有更显著的抗干扰能力，对受到电磁场干扰的水利工程特定环境中加入电磁滤除组件来对电磁干扰信号进行滤除，从而保证分布式采集装置能更好地适用于各种干扰环境，有效提升数据信号采集的稳定性和准确度，确保水利工程环境监测数据的可靠性，提高水利信息监测的效率和精度。
Description
技术领域
本发明涉及水利工程监测技术领域，特别是涉及一种用于水利工程环境监测的分布式数据采集模块及监测系统。
背景技术
水利工程环境信息监测是指通过现代化的传感器、遥感、网络通信等技术手段，对水利工程、水资源和水环境进行实时、准确的监测和数据采集。借助水利信息监测，可以实时了解水文、气象、水质等多种水利要素的变化情况，及时掌握水利工程的运行状况，提供科学依据和决策支持。
目前，水利工程环境监测包括堤坝安全监测、水库边坡安全监测和河道水位水流监测等，例如申请号为202120394285.7的实用新型专利公开了一种水利工程用环境监测装置，包括有数据采集装置、主控系统，其中数据采集装置包括河流监测模块、环境监测模块和数据发送装置；该技术方案在环境数据采集过程中直接将传感器的采集数据信号发送到数据发送装置中进行传输，但受到恶劣的自然环境影响，采集数据信号中很容易夹杂干扰噪声，从而影响数据采集精度。
又如，申请号为201610950214.4的中国发明专利公开了一种河道多点水质监测装置及其监测方法，该技术方案通过设置的多个取水器同时检测多个水位点，将检测到的数据发送到无线通信模块中的信息储存单元，信息储存单元将信息储存并发送到信号放大单元进行信号放大，然后信号放大单元将放大后的信息发送到信号发送单元，利用信号发送单元将信息发送到用户终端。
上述技术方案在数据采集过程中采用信号放大单元来对数据信号进行处理，但在实际应用过程中，仅采用信号放大处理无法保证数据采集模块的抗干扰能力，在《超宽带CMOS限幅器和低噪声放大器的集成设计》-吴佳倩（北京交通大学 电子科学与技术）一文中给出了三种主流的信号放大处理方案：（１）采用二极管限幅器和低噪声放大器级联连接；（２）采用双极晶体管或MOS管放大器 ，将它们激励至饱和状态来提供限幅功能；（３）采用MOS管，通过控制MOS管的栅极电压，使得低噪声放大器保持在线性范围；但上述每一种方案都有其优缺点，也都有其限制性的应用场景，信号放大单元中放大器很容易受到外部环境影响，尤其在水利工程靠近电磁场、变电站等恶劣电磁、工频噪声环境下，放大器自身干扰抑制能力表现明显较弱，甚至会产生一些新的失真和噪声，严重影响数据信号采集的稳定性和准确度，造成水利工程环境监测数据存在误差，给监测系统的数据处理和分析产生干扰。
所以本发明提供一种新的方案来解决此问题。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的在于提供一种用于水利工程环境监测的分布式数据采集模块及监测系统。
其解决的技术方案是：用于水利工程环境监测的分布式数据采集模块，包括多个分布式采集装置，分布式采集装置包括多通道数据采集器和采集信号处理单元，所述采集信号处理单元包括带阻放大降噪组件和功放调节组件，所述带阻放大降噪组件用于对采集到数据信号的增强与滤波调节，包括带阻滤波器和降噪滤波网络，所述带阻滤波器的输入端连接所述多通道数据采集器的数据信号输出端，所述降噪滤波网络设置于所述带阻滤波器的反馈回路上；
所述降噪滤波网络包括三极管VT1，三极管VT1的基极通过电阻R4连接所述带阻滤波器的输出端，三极管VT1的发射极连接电阻R5、电容C6、电感L1的一端和可调电阻RP1的滑动端，可调电阻RP1的另一端通过电容C4连接电阻R5的另一端、电阻R6的一端和所述带阻滤波器的反相输入端，电阻R6的另一端通过电容C5接地，电感L1的另一端连接电容C7、C9、C10、电阻R7的一端和+5V电源，并通过电容C8接地，电容C6、C7与三极管VT1的集电极并联接地，电阻R7与电容C9的另一端通过电感L2连接三极管VT1的基极，电容C10的另一端连接所述功放调节组件的输入端。
作为本发明的一种优选技术方案，所述功放调节组件包括跟随器和功放器，所述跟随器连接所述带阻放大降噪组件的输出端，用于对放大后的信号进行隔离处理；所述功放器包括三极管VT2和MOS管Q1、Q2，三极管VT2的基极连接电容C14的一端、稳压二极管DZ1的阴极和所述跟随器的输出端，稳压二极管DZ1的阳极接地，三极管VT2的集电极连接电容C14的另一端、电阻R15的一端和MOS管Q2的栅极，MOS管Q2的源极与电阻R15的另一端并联接地，三极管VT2的发射极通过电阻R14连接电阻R13、电容C15的一端和MOS管Q1的栅极，电阻R13、电容C15的另一端和MOS管Q1的漏极连接+12V电源和电感L3的一端，并通过电容C16接地，MOS管Q1的源极与MOS管Q2的漏极通过电容C17连接电阻R16、电容C18的一端和电感L3的另一端，电阻R16的另一端接地，电容C18的另一端连接信号传输端口。
作为本发明的一种优选技术方案，所述带阻滤波器包括运放器U1，运放器U1的同相输入端连接电阻R2和电容C2的一端，电阻R2的另一端连接电阻R1和电容C3的一端，电容C2的另一端连接电阻R3和电容C1的一端，电阻R1和电容C1的另一端连接所述多通道数据采集器的数据信号输出端，电容C3的另一端接地，电阻R3的另一端连接运放器U1的输出端，运放器U1的反相输入端连接电阻R6的一端。
作为本发明的一种优选技术方案，所述跟随器包括运放器U2，运放器U2的同相输入端与输出端连接所述带阻放大降噪组件的输出端，运放器U2的反相输入端通过电容C13连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端接地，运放器U2的反相输入端与输出端之间设置电阻R12，运放器U2的输出端连接三极管VT2的基极。
作为本发明的一种优选技术方案，所述带阻放大降噪组件与所述功放调节组件之间还设置有电磁滤除组件，所述电磁滤除组件包括运放器U3，运放器U3的反相输入端通过电容C11连接电阻R8、R9和电容C12的一端，并通过电阻R10连接电容C12的另一端和运放器U3的输出端，电阻R8的另一端连接所述带阻放大降噪组件的输出端，电阻R9的另一端通过可调电阻RP2接地，运放器U3的输出端连接所述功放调节组件的输入端。
作为本发明的一种优选技术方案，所述分布式采集装置还包括多个检测传感器，用于采集水利工程环境参数。
一种使用所述用于水利工程环境监测的分布式数据采集模块的监测系统，包括分布式数据采集模块、网络传输模块和监控终端，所述分布式数据采集模块的信号传输端口连接所述网络传输模块，所述网络传输模块用于将处理后的数据信号远程发送到所述监控终端。
作为本发明的一种优选技术方案，所述网络传输模块选用GPRS无线数传模块。
通过以上技术方案，本发明的有益效果为：
1.本发明通过采集信号处理单元来对水利工程环境前端采集数据信号进行处理，使数据采集过程中对采集信号预处理具有更显著的抗干扰能力，可以有效提升数据信号采集的稳定性和准确度，确保水利工程环境监测数据的可靠性，提高水利信息监测的效率和精度；
2.通过设置带阻放大降噪组件用于对数据信号进行增强与滤波调节，可以在数据信号放大阶段有效抑制工频干扰及杂频噪声，进而提高数据信号放大质量，保证数据信号放大稳定输出；
3.设置功放调节组件来对数据信号进行隔离处理，降低电路干扰影响，然后在功放过程中加入幅值稳定调节，有效避免功放管产生振荡，改善数据信号的传输效果；
4.在采集信号预处理过程中，对受到电磁场干扰的水利工程特定环境中加入电磁滤除组件来对电磁干扰信号进行滤除，从而保证分布式采集装置能更好地适用于各种干扰环境。
附图说明
图1为本发明分布式采集装置的模块结构图。
图2为本发明带阻放大降噪组件的电路原理图。
图3为本发明功放调节组件的电路原理图。
图4为本发明电磁滤除组件的电路原理图。
图5为本发明监测系统的结构示意图。
图6为本发明监测系统的模块连接示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至附图6对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。
下面将参照附图描述本发明的各示例性的实施例。
用于水利工程环境监测的分布式数据采集模块，包括多个分布式采集装置，通过多个分布式采集装置来实现对水利工程在不同点位的环境数据监测；分布式采集装置包括多通道数据采集器和采集信号处理单元，分布式采集装置的前端可通过设置多个检测传感器用于采集水利工程环境参数，包括但不限于水位传感器、流速传感器、泥沙传感器、浊度传感器、温湿度传感器、降雨量传感器。
多通道数据采集器用于采集前端环境检测数据，并将采集到的数据信号送入所述采集信号处理单元中进行预处理；为了保证数据信号采集的准确性，采集信号处理单元设置带阻放大降噪组件和功放调节组件来对数据信号进行调理，如图1所示，带阻放大降噪组件用于对采集到数据信号的增强与滤波调节，包括带阻滤波器和降噪滤波网络，所述带阻滤波器的输入端连接所述多通道数据采集器的数据信号输出端，所述降噪滤波网络设置于所述带阻滤波器的反馈回路上；
具体的，如图2所示，带阻滤波器包括运放器U1，运放器U1的同相输入端连接电阻R2和电容C2的一端，电阻R2的另一端连接电阻R1和电容C3的一端，电容C2的另一端连接电阻R3和电容C1的一端，电阻R1和电容C1的另一端连接所述多通道数据采集器的数据信号输出端，电容C3的另一端接地，电阻R3的另一端连接运放器U1的输出端，运放器U1的反相输入端连接电阻R6的一端；在数据信号放大阶段，运放器U1作为主放大器对数据信号起到同相增强的作用，同时，采用双T型陷波网络与运放器U1构成带阻滤波，可以有效抑制50Hz工频干扰源对数据采集的影响；
为了进一步消除水利工程环境中的其它杂频干扰，改善数据信号放大处理效果，采用降噪滤波网络来对数据信号进行调理；降噪滤波网络的具体结构包括三极管VT1，三极管VT1的基极通过电阻R4连接所述带阻滤波器的输出端，三极管VT1的发射极连接电阻R5、电容C6、电感L1的一端和可调电阻RP1的滑动端，可调电阻RP1的另一端通过电容C4连接电阻R5的另一端、电阻R6的一端和所述带阻滤波器的反相输入端，电阻R6的另一端通过电容C5接地，电感L1的另一端连接电容C7、C9、C10、电阻R7的一端和+5V电源，并通过电容C8接地，电容C6、C7与三极管VT1的集电极并联接地，电阻R7与电容C9的另一端通过电感L2连接三极管VT1的基极，电容C10的另一端连接所述功放调节组件的输入端；
在降噪滤波网络的数据信号调理过程中，三极管VT1在运放器U1的负反馈端充当反馈调节管，首先，三极管VT1对运放器U1的输出信号进行深度反馈，在反馈过程中，电阻R5、可调电阻RP1与电容C4起到相位补偿的作用，对数据信号的放大过程具有很好的波形改善作用，从而避免放大失真；然后，在深度反馈后的数据信号上施加+5V基准电压，并在+5V电源与三极管VT1之间设置由电容C6、C7与电感L1组成的LC滤波来降低电源输出纹波，可以降低数据信号中的噪声，进而提高数据信号放大质量；同时，将数据信号通过由电阻R7、电容C9与电感L2形成的滤波组件并反馈至三极管VT1的基极，进一步提升放大阶段的抗干扰性能，并利用滤波组件并联阻容的补偿作用使三极管VT1基极信号在产生波动时可以有效地得到自稳定调节，保证数据信号放大稳定输出。
进一步的，带阻放大降噪组件处理后的数据信号送入功放调节组件中进行出来，功放调节组件包括跟随器和功放器，如图1、3所示，跟随器连接所述带阻放大降噪组件的输出端，用于对放大后的信号进行隔离处理；功放器的输入端连接跟随器的输出端，用于对数据信号进行功率放大后送至信号传输端口，具体电子线路结构及工作原理如下：
首先，利用跟随器原理对带阻放大降噪组件放大输出信号进行隔离处理，以此降低前级处理过程中产生的自激干扰，同时消除电气影响，提升数据信号传输能力；具体的，跟随器包括运放器U2，运放器U2的同相输入端与输出端连接所述带阻放大降噪组件的输出端，运放器U2的反相输入端通过电容C13连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端接地，运放器U2的反相输入端与输出端之间设置电阻R12，运放器U2的输出端连接所述功放器的输入端；其中，电容C13与电阻R11串联在运放器U2的反相输入端可以有效抑制零漂；
其次，经过隔离处理后的数据信号送入功放器中进行功率增强，功放器包括三极管VT2和MOS管Q1、Q2，三极管VT2的基极连接电容C14的一端、稳压二极管DZ1的阴极和所述跟随器的输出端，稳压二极管DZ1的阳极接地，三极管VT2的集电极连接电容C14的另一端、电阻R15的一端和MOS管Q2的栅极，MOS管Q2的源极与电阻R15的另一端并联接地，三极管VT2的发射极通过电阻R14连接电阻R13、电容C15的一端和MOS管Q1的栅极，电阻R13、电容C15的另一端和MOS管Q1的漏极连接+12V电源和电感L3的一端，并通过电容C16接地，MOS管Q1的源极与MOS管Q2的漏极通过电容C17连接电阻R16、电容C18的一端和电感L3的另一端，电阻R16的另一端接地，电容C18的另一端连接信号传输端口；
在功放处理过程中，MOS管Q1与MOS管Q2串联构成推挽功放电路来对数据信号进行功率增强处理，利用MOS管功放具有激励功率小、输出功率大的特点，极大地提升了功放效率，同时MOS管的输出漏极电流具有负温度系数，安全可靠，且工作频率高，可适用于复杂的水利工程环境；为了进一步提升功放阶段的稳定性，采用三极管VT2来对功放过程进行调节，通过稳压二极管DZ1及电容C14的稳幅作用使三极管VT2具有良好的幅值调节效果，进而对MOS管Q1与MOS管Q2的栅极导通信号进行幅值稳定调节，从而有效避免功放管产生振荡，改善功放效果。
带阻放大降噪组件与功放调节组件之间还设置有电磁滤除组件，可以理解的是，由于水利工程现场环境的复杂性，在特定区域内可能会存在不同强弱的电磁场对数据信号采集产生干扰，因此就需要在电磁干扰区内加装电磁滤除组件；如图4所示，电磁滤除组件包括运放器U3，运放器U3的反相输入端通过电容C11连接电阻R8、R9和电容C12的一端，并通过电阻R10连接电容C12的另一端和运放器U3的输出端，电阻R8的另一端连接所述带阻放大降噪组件的输出端，电阻R9的另一端通过可调电阻RP2接地，运放器U3的输出端连接所述功放调节组件的输入端；其中，电磁滤除组件利用带通滤波器原理来滤除电磁干扰信号，在两条反馈滤波路径的作用下产生调谐作用，提高电路的稳定性，同时，通过调节可调电阻RP2的阻值来改变滤波器的截止频率，从而拓宽了电磁滤除组件的适用范围，在复杂的电磁场环境中也能发挥很好的作用。
一种使用所述用于水利工程环境监测的分布式数据采集模块的监测系统，如图5所示，包括分布式数据采集模块1、网络传输模块2和监控终端3，分布式数据采集模块1的信号传输端口连接网络传输模块2，网络传输模块2用于将处理后的数据信号远程发送到监控终端3；
本发明监测系统在具体实施过程中，如图6所示，分布式数据采集模块通过多个分布式采集装置来实现对水利工程在不同点位的环境数据监测，并利用采集信号处理单元来对水利工程环境前端采集数据信号进行处理，通过设置带阻放大降噪组件用于对数据信号进行增强与滤波调节，可以在数据信号放大阶段有效抑制工频干扰及杂频噪声，进而提高数据信号放大质量，保证数据信号放大稳定输出；并通过设置功放调节组件来对数据信号进行隔离处理，降低电路干扰影响，然后在功放过程中加入幅值稳定调节，有效避免功放管产生振荡，改善数据信号的传输效果；在受到电磁场干扰的水利工程特定环境中加入电磁滤除组件来对电磁干扰信号进行滤除，从而保证分布式采集装置能更好地适用于各种干扰环境；本发明在数据采集过程中对采集信号预处理具有更显著的抗干扰能力，可以有效提升数据信号采集的稳定性和准确度，确保水利工程环境监测数据的可靠性，提高水利信息监测的效率和精度。
具体的，本实施例中网络传输模块选用GPRS无线数传模块，GPRS网络具有覆盖范围广、信号稳定的特点，可以满足现场通信的要求；GPRS无线数传模块将分布式采集装置处理后的数据信号远程发送到监控终端，监控终端利用成熟的大数据技术对前端采集数据进行整合和分析，可以获得更全面、准确的水利工程信息，从而建立风险模型和预警系统，为决策提供更有力的支持。
以上所述是结合具体实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施仅局限于此；对于本发明所属及相关技术领域的技术人员来说，在基于本发明技术方案思路前提下，所作的拓展以及操作方法、数据的替换，都应当落在本发明保护范围之内。
Claims (8)
1.用于水利工程环境监测的分布式数据采集模块，包括多个分布式采集装置，分布式采集装置包括多通道数据采集器和采集信号处理单元，其特征在于：所述采集信号处理单元包括带阻放大降噪组件和功放调节组件，所述带阻放大降噪组件用于对采集到数据信号的增强与滤波调节，包括带阻滤波器和降噪滤波网络，所述带阻滤波器的输入端连接所述多通道数据采集器的数据信号输出端，所述降噪滤波网络设置于所述带阻滤波器的反馈回路上；
所述降噪滤波网络包括三极管VT1，三极管VT1的基极通过电阻R4连接所述带阻滤波器的输出端，三极管VT1的发射极连接电阻R5、电容C6、电感L1的一端和可调电阻RP1的滑动端，可调电阻RP1的另一端通过电容C4连接电阻R5的另一端、电阻R6的一端和所述带阻滤波器的反相输入端，电阻R6的另一端通过电容C5接地，电感L1的另一端连接电容C7、C9、C10、电阻R7的一端和+5V电源，并通过电容C8接地，电容C6、C7与三极管VT1的集电极并联接地，电阻R7与电容C9的另一端通过电感L2连接三极管VT1的基极，电容C10的另一端连接所述功放调节组件的输入端。
2.根据权利要求1所述用于水利工程环境监测的分布式数据采集模块，其特征在于：所述功放调节组件包括跟随器和功放器，所述跟随器连接所述带阻放大降噪组件的输出端，用于对放大后的信号进行隔离处理；
所述功放器包括三极管VT2和MOS管Q1、Q2，三极管VT2的基极连接电容C14的一端、稳压二极管DZ1的阴极和所述跟随器的输出端，稳压二极管DZ1的阳极接地，三极管VT2的集电极连接电容C14的另一端、电阻R15的一端和MOS管Q2的栅极，MOS管Q2的源极与电阻R15的另一端并联接地，三极管VT2的发射极通过电阻R14连接电阻R13、电容C15的一端和MOS管Q1的栅极，电阻R13、电容C15的另一端和MOS管Q1的漏极连接+12V电源和电感L3的一端，并通过电容C16接地，MOS管Q1的源极与MOS管Q2的漏极通过电容C17连接电阻R16、电容C18的一端和电感L3的另一端，电阻R16的另一端接地，电容C18的另一端连接信号传输端口。
3.根据权利要求1所述用于水利工程环境监测的分布式数据采集模块，其特征在于：所述带阻滤波器包括运放器U1，运放器U1的同相输入端连接电阻R2和电容C2的一端，电阻R2的另一端连接电阻R1和电容C3的一端，电容C2的另一端连接电阻R3和电容C1的一端，电阻R1和电容C1的另一端连接所述多通道数据采集器的数据信号输出端，电容C3的另一端接地，电阻R3的另一端连接运放器U1的输出端，运放器U1的反相输入端连接电阻R6的一端。
4.根据权利要求2所述用于水利工程环境监测的分布式数据采集模块，其特征在于：所述跟随器包括运放器U2，运放器U2的同相输入端与输出端连接所述带阻放大降噪组件的输出端，运放器U2的反相输入端通过电容C13连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端接地，运放器U2的反相输入端与输出端之间设置电阻R12，运放器U2的输出端连接三极管VT2的基极。
5.根据权利要求1所述用于水利工程环境监测的分布式数据采集模块，其特征在于：所述带阻放大降噪组件与所述功放调节组件之间还设置有电磁滤除组件，所述电磁滤除组件包括运放器U3，运放器U3的反相输入端通过电容C11连接电阻R8、R9和电容C12的一端，并通过电阻R10连接电容C12的另一端和运放器U3的输出端，电阻R8的另一端连接所述带阻放大降噪组件的输出端，电阻R9的另一端通过可调电阻RP2接地，运放器U3的输出端连接所述功放调节组件的输入端。
6.根据权利要求1所述用于水利工程环境监测的分布式数据采集模块，其特征在于：所述分布式采集装置还包括多个检测传感器，用于采集水利工程环境参数。
7.一种使用权利要求1-6任一所述用于水利工程环境监测的分布式数据采集模块的监测系统，其特征在于：包括分布式数据采集模块、网络传输模块和监控终端，所述分布式数据采集模块的信号传输端口连接所述网络传输模块，所述网络传输模块用于将处理后的数据信号远程发送到所述监控终端。
8.根据权利要求7所述的监测系统，其特征在于：所述网络传输模块选用GPRS无线数传模块。
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