CN117889936A - 一种智能防汛水标尺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能防汛水标尺，包括具有水位指示的水标尺壳体、柱式管道和测量装置，水标尺壳体为三角形截面的柱式壳体，柱式管道竖设于水标尺壳体内，柱式管道底部开设有进水口以与外部水体连通，柱式管道内设有浮标，测量装置连接于水标尺壳体顶部，测量装置包括单片机、激光测距传感器、显示模块、灯光警示模块、通信模块和电源模块，电源模块为整个测量装置供电，单片机分别与激光测距传感器、显示模块、灯光警示模块、通信模块电性连接，激光测距传感器的工作端朝向浮标，以实时测量浮标与激光测距传感器的距离，单片机根据测量数据计算出当前水位。该水标尺可以快速、准确地获得实时水位信息，结构设计合理，使用稳定可靠，可视化程度高。

Description

一种智能防汛水标尺

技术领域

本发明涉及水位监测领域，具体涉及一种智能防汛水标尺。

背景技术

河道水位与人们的生活息息相关，其中警戒水位和保证水位是进行防汛组织指挥和抗洪抢险的重要指标，因此及时准确获取水位信息，对开展防洪减灾工作具有一定的意义。警戒水位是指在江河水位上涨到河段内可能出现险情、要加以警惕戒备的水位，是根据堤防质量、保护重点以及历年险情分析制定的。保证水位是指堤防工程所能保证自身安全运行的水位，是我国根据江河堤防情况规定的防汛安全上限水位，往往就是堤防设计安全水位，当水位达到或接近保证水位时，防汛进入全面紧急状态，堤防临水时间较长，随时都有出险的可能。因此测量河道水位的水标尺在平时的防汛工作中显得尤为重要。水标尺的使用历史悠久，经过不断的发展和改进，最终演变成了我们今天所熟知的水标尺形式。对于水位监测领域的研究，无论是仪器材料工艺、配置性能和算法理论等方面都取得很大进步，开发产品测量精度好、智能化程度高。但是对于行人与当地居民，仍难以直观地了解实时的水位情况，无法对所处位置的淹没情况进行快速准确地判断，面对可能发生的洪涝灾害，有时不能有效保证自身的生命财产安全。因此，研制既能够满足水位监测工作要求，又能面向大众的智能水位监测产品是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能防汛水标尺，该水标尺可以快速、准确地获得实时水位信息，结构设计合理，使用稳定可靠，可视化程度高。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种智能防汛水标尺，包括具有水位指示的水标尺壳体、柱式管道和测量装置，所述水标尺壳体为横截面为三角形的柱式壳体，所述柱式管道竖设于水标尺壳体内，所述柱式管道底部开设有进水口以与外部水体连通，所述柱式管道内设有浮标，所述测量装置连接于水标尺壳体顶部，所述测量装置包括单片机、激光测距传感器、显示模块、灯光警示模块、通信模块和电源模块，所述电源模块为整个测量装置供电，所述单片机分别与激光测距传感器、显示模块、灯光警示模块、通信模块电性连接，所述激光测距传感器的工作端竖直向下朝向浮标，以实时测量浮标与激光测距传感器的距离，所述单片机根据激光测距传感器的测量数据计算出当前水位。

进一步地，所述水标尺壳体底部与柱式管道底部之间为密封连接，以使外部水体无法进入水标尺壳体与柱式管道之间的空间，外部水体只能经由柱式管道底部的进水口进入柱式管道内，并使其内的浮标浮起。

进一步地，所述单片机按如下方法计算出当前水位：

计算水标尺所在处淹没深度：

h₂＝H-h₀-h₁

其中，h₂为水标尺所在处淹没深度，H为激光测距传感器到地面的高度，h₀为激光测距传感器实时测得的激光测距传感器到浮标的距离，h₁为浮标露出水面的高度；

当前水位为：

Z_当前＝Z₀+h₂

其中，Z_当前为当前水位，Z₀为水标尺的零点高程。

进一步地，所述水标尺壳体上沿竖向从下而上依次设有警戒水位指示标志、保证水位指示标志和历史最高水位指示标志；所述灯光警示模块包括可显示不同颜色的两个警示灯带，所述两个警示灯带分别设于警戒水位指示标志、保证水位指示标志上，以通过点亮相应的警示灯带来提示当前水位是否达到警戒水位或保证水位；所述单片机分别与两个警示灯带电性连接，以根据计算出的当前水位判断是否点亮相应的警示灯带。

进一步地，所述两个警示灯带为黄色警示灯带和红色警示灯带；当Z_当前≥Z_警戒，即当前水位达到设定的警戒水位时，所述单片机控制黄色警示灯带闪烁；当Z_当前≥Z_保证，即当前水位达到设定的保证水位时，所述单片机控制红色警示灯带闪烁。

进一步地，所述激光测距传感器采用搭载VL53L0X芯片的TOF激光测距传感器实时测量激光测距传感器到浮标的距离，并使用IIC通信将测量数据传输至单片机。

进一步地，所述单片机采用Arduino UNO R3开发板，使用软件Arduino IDE编写程序并烧录至开发板中，以实现水位计算、比较及显示功能；所述开发板通过硬件串口接收激光测距传感器传输来的测量数据，通过通信模块与外部的移动终端进行数据通信，以便在移动终端上显示相关数据信息；所述开发板运行比较水位程序，并根据比较结果触发相应警示灯带进行报警。

进一步地，所述通信模块采用ATK-BLE01_V1.9蓝牙模块；所述显示模块采用数码管显示屏。

进一步地，所述测量装置包括测量装置壳体，所述测量装置壳体设置于水标尺壳体顶部并向下与水标尺壳体固定连接；所述单片机、激光测距传感器、通信模块和电源模块设置于测量装置壳体内，所述显示模块嵌设于测量装置壳体侧壁上，所述测量装置壳体底部开孔，以使激光测距传感器发出的激光能够穿过测量装置壳体打在柱式管道内的浮标上。

进一步地，所述测量装置壳体的横截面的形状尺寸大于水标尺壳体，所述测量装置壳体、水标尺壳体和柱式管道均采用不锈钢结构制成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种智能防汛水标尺，通过激光测距技术测量与当前水位相关的数据，并通过单片机进行当前水位计算、比较，进而实现相关水位信息的显示、报警及上传。该水标尺智能化程度高，可以自动、快速、准确地预报实时水位信息，并通过显示屏显示、灯光警示等模块使普通民众直观了解到实时的水位情况，民众可以根据预报的洪水水位与水标尺上的标注历史实测最高洪水位进行直观比较，确定所处位置将来可能的淹没情况；同时，该水标尺改善了传统的两面水尺设计，利用三面结构加强了结构的可视性和稳定性，即使遭遇水流冲击也可以保持正常工作，并实现群众和工作人员的安全读数，为普通民众防汛抗洪提供最直接的依据。因此，本发明具有很强的实用性和广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例的智能防汛水标尺的实现原理图；

图2是本发明实施例中测量装置的实现原理图；

图3是本发明实施例的智能防汛水标尺的外观结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1-3所示，本实施例提供了一种智能防汛水标尺，包括具有水位指示的水标尺壳体1、柱式管道2和测量装置，所述水标尺壳体1为横截面为三角形的柱式壳体，所述柱式管道2竖设于水标尺壳体1内，所述柱式管道2底部开设有进水口201以与外部水体连通，所述柱式管道2内设有浮标3，所述测量装置连接于水标尺壳体1顶部，所述测量装置包括单片机4、激光测距传感器5、显示模块6、灯光警示模块7、通信模块8和电源模块9，所述电源模块9为整个测量装置供电，所述单片机4分别与激光测距传感器5、显示模块6、灯光警示模块7、通信模块8电性连接，所述激光测距传感器5的工作端竖直向下朝向浮标3，以实时测量浮标3与激光测距传感器5的距离，所述单片机4根据激光测距传感器5的测量数据计算出当前水位。

所述水标尺壳体1底部与柱式管道2底部之间为密封连接，以使外部水体无法进入水标尺壳体与柱式管道之间的空间，外部水体只能经由柱式管道底部的进水口进入柱式管道内，并使其内的浮标浮起。

在本实施例中，所述水标尺壳体1上沿竖向从下而上依次设有警戒水位指示标志、保证水位指示标志和历史最高水位指示标志。所述灯光警示模块包括可显示不同颜色的两个警示灯带，在本实施例中，所述两个警示灯带为黄色警示灯带和红色警示灯带。所述两个警示灯带分别设于警戒水位指示标志、保证水位指示标志上，以通过点亮相应的警示灯带来提示当前水位是否达到警戒水位或保证水位；所述单片机分别与两个警示灯带电性连接，以根据计算出的当前水位判断是否点亮相应的警示灯带。

所述单片机4按如下方法计算出当前水位：

计算水标尺所在处淹没深度：

h₂＝H-h₀-h₁

其中，h₂为水标尺所在处淹没深度，m；H为激光测距传感器光源到地面的高度，m；h₀为激光测距传感器实时测得的激光测距传感器到浮标的距离，m；h₁为浮标露出水面的高度m。

当前水位为：

Z_当前＝Z₀+h₂

其中，Z_当前为当前水位，m；Z₀为水标尺的零点高程，m。

当Z_当前≥Z_警戒，即当前水位达到设定的警戒水位时，所述单片机控制黄色警示灯带闪烁。

当Z_当前≥Z_保证，即当前水位达到设定的保证水位时，所述单片机控制红色警示灯带闪烁。

所述测量装置包括测量装置壳体10，所述测量装置壳体10设置于水标尺壳体1顶部并向下与水标尺壳体1固定连接。所述单片机4、激光测距传感器5、通信模块8和电源模块9设置于测量装置壳体10内，所述显示模块6嵌设于测量装置壳体10侧壁上，所述测量装置壳体10底部开孔，以使激光测距传感器5发出的激光能够穿过测量装置壳体10打在柱式管道内的浮标3上。较佳地，所述测量装置壳体10的横截面的形状尺寸大于水标尺壳体1，以对水标尺壳体1和柱式管道2起到一定的防护作用，防止外物进入水标尺壳体1和柱式管道2。所述测量装置壳体10、水标尺壳体1和柱式管道2均采用不锈钢结构制成，以增强结构强度，并防止水标尺被水锈蚀。

下面对本发明的相关组成的具体实现作进一步详述。

1.测量装置具体设计

(1)激光测距传感器

所述激光测距传感器采用搭载VL53L0X芯片的TOF激光测距传感器实时测量激光测距传感器到浮标的距离，并使用IIC通信将测量数据传输至单片机，该激光测距传感器具有高精度、低盲区、体积小、低功耗，适合水标尺使用。

(2)单片机

所述单片机采用Arduino UNO R3开发板，使用软件Arduino IDE编写程序并烧录至开发板中，以实现水位计算、比较及显示功能。所述开发板通过硬件串口接收激光测距传感器传输来的测量数据，通过通信模块与外部的移动终端进行数据通信，以便在手机等移动终端上显示相关数据信息。同时，所述开发板运行比较水位程序(比较当前水位是否超警戒水位或保证水位)，并根据比较结果触发相应警示灯带进行报警。

(3)通信模块和显示模块

所述通信模块采用ATK-BLE01_V1.9蓝牙模块，支持多种工作模式、低功耗模式，支持数传，通过自定义的开发板软件串口与单片机进行数据传输，可以搭配几乎所有手机机型的蓝牙功能实现水位的实时查看，并将防汛指挥中心发布的预报水位通过终端发送给单片机。

此外，所述显示模块采用数码管显示屏，水标尺上搭载了两块3.0英寸的数码管显示屏，用以显示当前水位和预报水位。

(4)电源模块

电源模块9可以根据需要有不同的实现形式。在本实施例中，采用3组不同的电池来分别为单片机4、激光测距传感器5，显示模块6，灯光警示模块7、通信模块8等各组成模块供电。

2.水标尺模型设计

为了达到提示低洼地带的居民，实现有效防洪的目的，本发明提供的水标尺相较于传统水标尺在模型设计上做了三点改进。一是通过连通管原理和智能测距技术实现水位自动智能测量，将水位信息可视化，并且可以显示当地防汛指挥中心发布的预报水位信息。二是采用三面结构设计，增强水标尺的可视性和结构强度。三是特征水位指示牌，通过加装灯带，实现自动报警，警示居民注意汛情，特别是在夜间提示过往行人车辆注意防范。

(1)根据连通管原理智能测量水位

激光测距在亮度较低的环境可获得更高的精度，因此模型除进水口外其余位置采用封闭处理。通过底部管道入口连接外侧水流，通过在管内设置浮标，结合顶部激光测距传感器，只需要提前输入基础数据就可以用于测量水位。

(2)不锈钢三角结构增强结构强度

考虑到水标尺在面临水流冲击时产生的晃动和弯曲，水标尺整体结构采用不锈钢材料，外形设计上采用三角结构，当水流从侧面冲击时，三角形的结构可以有效分割水流，减少水流冲击产生的冲量。当水流从正面冲击水标尺时，内部的不锈钢三角骨架可以增加仪器的抗弯能力。

(3)特征水位指示功能

在水标尺警戒水位、保证水位和历史实测最高水位刻度处加装指示牌，指示牌上标注相应特征水位具体信息，同时水标尺指示牌加装LED灯带，当水位到达特征水位位置时，灯带闪烁报警。水标尺顶部加装数码管，通过智能模块和单片机模块控制，显示实时水位和预报水位信息，以提醒当地居民注意防范。

3.本发明的创新特色

3.1实现水位信息实时传输和水尺水位自动报警功能

本发明提供的智能防汛水标尺采用激光测距传感器对水位进行快速准确监测，利用单片机技术将实时水位信息传递至防汛指挥中心，有利于防汛指挥中心及时了解沿河和县城低洼地带的受淹情况。当水位达到程序设置的警戒水位高度时，黄色指示灯闪烁；当水位达到程序设置的保证水位高度时，红色指示灯闪烁。无论是白天还是夜晚都可以为群众和过往车辆提供水位信息和报警信息，以提醒当地居民和过往行人车辆注意防范。

3.2实现当地水位对比并分析是否可能受淹的功能

当防汛指挥中心发出洪水警报时，水标尺上部的LED屏可以直接显示当地水文站的预报水位信息，低洼地带的居民可以根据水标尺上所显示的源自于防汛指挥中心预报的洪峰水位与历史实测最高洪水位进行直观比较，确定所处位置将来可能的淹没情况。当遇到紧急情况时，群众可以提前做好转移和疏散工作，确保安全度汛。

3.3优化水标尺的结构和可视性

本发明改善了传统的两面水尺设计，利用三面结构加强了可视性和稳定性，即使遭遇水流冲击也可以保持正常工作；将水标尺宽度改为30cm，增大标识面积，强化水标尺的可视性；配置有LED信号灯，通过传感器将当前水位信息数字化显示，同时标有警戒水位、保证水位和历史实测最高洪水位信息。同时，水标尺也可用于可能发生积水的交通立交桥地下通道下的低洼地带，用于警示过往车辆注意当地的积水情况，减少雨天交通事故的发生。

4.本发明的应用前景

本发明提供的智能防汛水标尺适用于暴雨洪水期间县域城市沿河地带及城区低洼地带(如立交桥下地下通道等)水位的实时监测。能够显示当地实时水位、预报水位、警戒水位、保证水位、历史实测最高洪水位等信息，而且具有警报和信息上传功能，提醒当地居民注意防范，居民可以根据预报水位与水标尺上的标注历史实测最高洪水位进行比较、分析确定所处位置将来可能的淹没情况，为居民防汛抗洪提供最直接的依据，可以减轻洪涝灾害造成的损失，具有一定的防洪效益。

4.1降低读数门槛，显示直接读数

传统水标尺使用刻度读数，对于普通百姓难以准确读数，并且当水标尺周围积水后无法近距离读数，该新型水标尺采用激光测距和数码管显示，可以直接从数码管显示器读出当前的水位，对于普通百姓只需认识阿拉伯数字便可识别出当前水位。

4.2显示实时水位和特征水位，便于开展防汛工作

洪水来临前防汛指挥部门会根据水文部门提供的预报水位信息发布洪水预警，但是许多群众可能不知晓当地的实时水位及预报水位的高低，导致其无法确定是否需要转移。该新型水标尺设置有当地的警戒水位、保证水位和历史实测最高洪水位信息，同时通过数码管显示由防汛指挥中心发布的预报水位信息，居民可以根据该信息与水标尺上标注的历史实测最高洪水位进行比较、分析确定所处位置将来可能的淹没情况，提前选择是否撤离。

4.3控制智能报警灯闪烁，保障车辆行人安全

对于已经发生洪水、或者洪水未消退的地区，特别是在夜间，人们无法知晓前方的水深，可能会造成溺水，因此该新型水标尺加装了智能闪烁灯，当洪水位达到警戒水位时黄灯闪烁，达到保证水位时红灯闪烁，其警示性强，可以减少洪水造成的二次损失。

4.4实现水位实时监测，为防汛指挥中心实施防汛调度提供依据

该水标尺通过单片机技术和激光测距技术，可以实现实时水位的监测并将水位信息发送给防汛指挥中心，为防汛指挥中心的防洪调度提供依据。

综上所述，本发明提供的智能防汛水标尺可以作为居民防汛抗洪的有效工具，可以减轻洪涝灾害造成的损失，具有明显的防洪效益和一定的实用价值。本发明对于县城防汛工作具有一定的意义，其造价低，应用广，将是未来水标尺发展的重要参考。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种智能防汛水标尺，其特征在于，包括具有水位指示的水标尺壳体、柱式管道和测量装置，所述水标尺壳体为横截面为三角形的柱式壳体，所述柱式管道竖设于水标尺壳体内，所述柱式管道底部开设有进水口以与外部水体连通，所述柱式管道内设有浮标，所述测量装置连接于水标尺壳体顶部，所述测量装置包括单片机、激光测距传感器、显示模块、灯光警示模块、通信模块和电源模块，所述电源模块为整个测量装置供电，所述单片机分别与激光测距传感器、显示模块、灯光警示模块、通信模块电性连接，所述激光测距传感器的工作端竖直向下朝向浮标，以实时测量浮标与激光测距传感器的距离，所述单片机根据激光测距传感器的测量数据计算出当前水位。

2.根据权利要求1所述的一种智能防汛水标尺，其特征在于，所述水标尺壳体底部与柱式管道底部之间为密封连接，以使外部水体无法进入水标尺壳体与柱式管道之间的空间，外部水体只能经由柱式管道底部的进水口进入柱式管道内，并使其内的浮标浮起。

3.根据权利要求1所述的一种智能防汛水标尺，其特征在于，所述单片机按如下方法计算出当前水位：

计算水标尺所在处淹没深度：

h₂＝H-h₀-h₁

其中，h₂为水标尺所在处淹没深度，H为激光测距传感器到地面的高度，h₀为激光测距传感器实时测得的激光测距传感器到浮标的距离，h₁为浮标露出水面的高度；

当前水位为：

Z_当前＝Z₀+h₂

其中，Z_当前为当前水位，Z₀为水标尺的零点高程。

4.根据权利要求3所述的一种智能防汛水标尺，其特征在于，所述水标尺壳体上沿竖向从下而上依次设有警戒水位指示标志、保证水位指示标志和历史最高水位指示标志；所述灯光警示模块包括可显示不同颜色的两个警示灯带，所述两个警示灯带分别设于警戒水位指示标志、保证水位指示标志上，以通过点亮相应的警示灯带来提示当前水位是否达到警戒水位或保证水位；所述单片机分别与两个警示灯带电性连接，以根据计算出的当前水位判断是否点亮相应的警示灯带。

5.根据权利要求4所述的一种智能防汛水标尺，其特征在于，所述两个警示灯带为黄色警示灯带和红色警示灯带；当Z_当前≥Z_警戒，即当前水位达到设定的警戒水位时，所述单片机控制黄色警示灯带闪烁；当Z_当前≥Z_保证，即当前水位达到设定的保证水位时，所述单片机控制红色警示灯带闪烁。

6.根据权利要求1所述的一种智能防汛水标尺，其特征在于，所述激光测距传感器采用搭载VL53L0X芯片的TOF激光测距传感器实时测量激光测距传感器到浮标的距离，并使用IIC通信将测量数据传输至单片机。

7.根据权利要求1所述的一种智能防汛水标尺，其特征在于，所述单片机采用ArduinoUNO R3开发板，使用软件Arduino IDE编写程序并烧录至开发板中，以实现水位计算、比较及显示功能；所述开发板通过硬件串口接收激光测距传感器传输来的测量数据，通过通信模块与外部的移动终端进行数据通信，以便在移动终端上显示相关数据信息；所述开发板运行比较水位程序，并根据比较结果触发灯光警示模块进行报警。

8.根据权利要求1所述的一种智能防汛水标尺，其特征在于，所述通信模块采用ATK-BLE01_V1.9蓝牙模块；所述显示模块采用数码管显示屏。

9.根据权利要求1所述的一种智能防汛水标尺，其特征在于，所述测量装置包括测量装置壳体，所述测量装置壳体设置于水标尺壳体顶部并向下与水标尺壳体固定连接；所述单片机、激光测距传感器、通信模块和电源模块设置于测量装置壳体内，所述显示模块嵌设于测量装置壳体侧壁上，所述测量装置壳体底部开孔，以使激光测距传感器发出的激光能够穿过测量装置壳体打在柱式管道内的浮标上。

10.根据权利要求1所述的一种智能防汛水标尺，其特征在于，所述测量装置壳体的横截面的形状尺寸大于水标尺壳体，所述测量装置壳体、水标尺壳体和柱式管道均采用不锈钢结构制成。