CN209027583U - 一种基于视频的城市区域雨涝监测与预警设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于视频的城市区域雨涝监测与预警设备，包括数据采集与控制终端模块、无线通信模块、上位机、水尺和电源模块，无线通信模块数据采集与控制终端模块包括嵌入式处理器、以及分别与嵌入式处理器连接的摄像机、补光灯、翻斗式雨量计，无线通信模块与数据采集与嵌入式处理器连接，并与上位机进行通信，电源模块为数据采集与控制终端模块供电，水尺设置在补光灯光路中以及至少一台摄像机的拍摄范围内。本实用新型采用雨量计和视频识别水位相结合，能够实现城市雨涝的实时在线监测与预警，真正做到无人值守，对城市防洪相关部门的工作开展和人们的生活生产意义重大。

Description

一种基于视频的城市区域雨涝监测与预警设备

技术领域

本实用新型属于城市水文数据监测技术领域，涉及一种基于视频的城市区域雨涝监测与预警设备。

背景技术

城市化发展和气候变化导致城市雨涝成为常态，频发、广发、急转、重灾的特征日益显著，因此城市雨涝问题成为当前广泛研究的重难点问题。城市区域雨涝的直接外因是强降雨，受科技水平限制，不论是气象预报还是水文预报，其预见期和精度都不是很理想。从气象来看，暴雨预报仍是世界难题，无法定时定点定量，而随着城市化发展所产生的“雨岛效应”机理尚未明晰，更加大了城市暴雨预报的难度。从水文上看，城市化发展增加了降雨径流量，同时地表汇流呈现坡面和管道相结合的汇流特点，致使汇流速度加快，洪峰流量增大、洪峰时间提前，传统的水文模型无法准确进行模拟演算。因此，需要及时反应城市降雨时城市积水内涝情况并给出正确的预警信息。传统的雨涝监测系统采用传统雨量计或水位计进行测量，其存在很多缺陷：第一是传统的传感器成本要求比较高，不能做到实时在线监测，如气泡水位计在测量水位时必须等到一定时间才能上来一组数据，而雷达水位计虽然精度满足要求，但是成本比较贵，此外，传统雨量计和水位计需要到现场进行读数，浪费人力。

发明内容

为解决上述问题，本实用新型提出了一种基于视频的城市区域雨涝监测与预警设备，采用能够实时测量的雨量计和视频识别水位实现城市雨涝的实时在线监测与预警，并进行数据的定量反馈。

为了达到以上目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种基于视频的城市区域雨涝监测与预警设备，包括数据采集与控制终端模块、无线通信模块、上位机、水尺和电源模块，所述数据采集与控制终端模块包括嵌入式处理器、以及分别与嵌入式处理器连接的摄像机、补光灯、翻斗式雨量计，无线通信模块与数据采集与嵌入式处理器连接，并与上位机进行通信，电源模块为数据采集与控制终端模块供电，水尺设置在补光灯光路中以及至少一台摄像机的拍摄范围内。

进一步的，嵌入式处理器还与继电器连接，所述摄像机、补光灯分别通过继电器与嵌入式处理器连接。

进一步的，嵌入式处理器还与光强传感器连接。

进一步的，嵌入式处理器还与网口连接，网络摄像机和无线通讯模块通过网口与嵌入式处理器连接。

进一步的，嵌入式处理器还连接有开关量信号接口，所述翻斗式雨量计通过开关量信号接口与嵌入式处理器连接。

进一步的，嵌入式处理器还连接有预留数字接口。

进一步的，电源模块包括交流供电单元、太阳能供电单元和可调降压稳压电源模块，所述交流供电单元包括开关电源，用于将交流220V转换为12V直流电，给补光灯、网络摄像机和无线通信模块供电；太阳能供电单元包括依次连接的太阳能板、太阳能控制器、太阳能蓄电池组，输出12V电压；交流供电单元和太阳能供电单元均与可调降压稳压电源模块连接，可调降压稳压电源模块用于将12V电压转换为5V电压给嵌入式处理器供电。

进一步的，所述摄像机为两台，一台用于拍摄水尺图像，另一台用于拍摄环境降雨图像。

进一步的，所述摄像机设置在伸缩支架顶部，伸缩支架由电机驱动，电机与处理器连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1.本实用新型采用雨量计和视频识别水位相结合，能够实现城市雨涝的实时在线监测与预警，真正做到无人值守，对城市防洪相关部门的工作开展和人们的生活生产意义重大。

2.配合继电器和预先设置的临界值、警戒值进行设备的供/断电以及数据的及时采集和传输，不仅充分节约能源，还能够及时发出预警信息。

3.双供电方式令产品既适合有人值守站点，也适合无人值守的站点，适用范围广。

附图说明

图1为本实用新型提供的基于视频的城市区域雨涝监测与预警设备整体结构示意图。

图2为数据采集与控制终端模块、无线通信模块和电源模块的结构框图。

图3为电源模块结构框图。

图4为在图2基础上增加电机和光强传感器的结构框图。

附图标记说明：

1—支架，2—摄像机，3-电机，7—数据采集与控制终端，8—电源模块，9—无线通信模块，10—翻斗式雨量计，11—太阳能电池板，12—补光灯，13—水尺，14—上位机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本实用新型，应理解下述具体实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1-图3所示，本实用新型提供的一种基于视频的城市区域雨涝监测与预警设备，包括数据采集与控制终端模块7、无线通信模块9、上位机14、水尺13和电源模块8。其中，数据采集与控制终端模块7与上位机14连接，电源模块8为数据采集与控制终端模块7供电。上位机具有显示屏，用于展示经数据采集与控制终端处理过的信息。无线通信模块9采用龙尚4G通信模块，用于建立数据采集与控制终端7与上位机14之间的数据交互通道。

具体的说，数据采集与控制终端模块7包括嵌入式处理器以及与嵌入式处理器连接的外接摄像机2、LED补光灯12、翻斗式雨量计10。本例中，处理器采用三星公司的S3C6410型芯片，摄像机2采用海康威视DS-2DC7120IW-A摄像头，用于拍摄正前方的水尺和降雨时的视频。水尺应置于补光灯光光路中，并位于摄像机拍摄范围内。水尺13为带有白边的框宽度为20cm，白底红字的水尺，同时要调整摄像机与水尺的距离，以拍摄到清晰的水尺图像。LED补光灯12采用福伦光电生产的型号为FL-16WBGD的灯具，用于对拍摄物(水尺、周围环境)进行夜间补光，使其获得高清图片。补光灯可设置多台，以期获得更为理想的拍摄效果。翻斗式雨量计10采用型号为JDZ05的翻斗式雨量计，用于获得降雨数据。由于本设备作业环境在室外，且需采集降雨数据，嵌入式处理器与电源模块8(除太阳能板以外的部分)应置于防水外壳中，做好密封处理，降低维修率，延长使用寿命。

摄像机2设置在支架1顶端，作为优选，摄像机可采用两台(同时亦可采用多根支架)，一台专用于拍摄水尺，另一台可用于拍摄降雨环境的视频和图片，拍摄降雨环境的摄像机应可多方位旋转，两台摄像机均可以远程控制，令拍摄效果更为理想。进一步的，支架优选采用伸缩支架，如图4所示，伸缩支架通过电机3驱动升降，电机与处理器相连，并可由上位机控制电机运转，当需要时，可远程实时升降伸缩杆，以调整拍摄高度。电机优选通过丝杠丝杆部件实现伸缩支架升降，此为常用电机驱动伸缩结构，在本实用新型中不再详细阐述。

如图3所示，电源模块8采用双电源模块进行供电，包括交流供电单元和太阳能供电单元和可调降压稳压电源模块，所述交流供电单元包括开关电源，该单元由交流220V供电，由开关电源转换为直流的12V，给补光灯、网络摄像机和无线通信模块供电。太阳能供电单元包括太阳能板、太阳能控制器、太阳能蓄电池组，该单元由太阳能电池板连接太阳能控制器，最后再连接太阳能蓄电池组合，太阳能板采集到的太阳能储存在蓄电池中，蓄电池输出12V电压。太阳能控制器为光伏充电控制器，能够控制太阳能电池的输出电压，并保护电池不被过充，同时在晚上太阳能电池不发电时还能防止蓄电池的电倒流，优选采用SNC60型控制器，适用无人基站。两个单元输出的12V的电压再经过LM2596S-ADJ DC-DC可调降压稳压电源模块把12V电压转换为5V电压给嵌入式处理器供电。双供电方式能够使产品既适合有人值守站点，也适合无人值守的站点。太阳能供电方式也更为节能环保。

更为具体的说，嵌入式处理器S3C6410板上安装有继电器模块、网口、预留数字接口、开关量信号接口；继电器模块与处理器连接，其型号为SRD-05VDC-SL-C，其外接补光灯12和网络摄像机2；本例采用两个继电器，其中一个与网络摄像机连接，通过继电器接口实现网络摄像机空闲状态断电、工作上电控制，有效降低摄像机平均工作功耗。另外一继电器与补光灯连接，对补光灯单独实现断电功能，在非工作状态下断电，在工作状态下供电，极大降低外围传感器的功耗，其功能通过驱动程序完成。当采用电机驱动的伸缩支架时，将额外采用一个继电器与电机连接，通过处理器控制电机启停运转。网口外接网络摄像机2和无线通讯模块9；开关量信号接口外接翻斗式雨量计10，实现雨量数据采集。嵌入式处理器中还包括存储卡，用于存储采集到的数据。

作为改进，如图4所示，处理器还连接有BH1750FVI型光强传感器，光强传感器可采用多个，分别设置在水尺旁及其他需要拍摄的位置处。光强传感器与处理器板上的232串口连接，光强传感器采集环境光线强度后传输至处理器，处理器中设置有需要开启补光灯的光强临界值，当光强传感器采集到的光线强度低于临界值时，才控制补光灯开启，更为节约能源。

本设备在使用时，调整好补光灯位置、角度，以及摄像机的位置，确保摄像机采集到清晰的水尺及降雨视频图像，连接各个接口，上电后设备工作。摄像机采集到的水尺图像和降雨视频通过网口传输至嵌入式处理器中进行储存，翻斗式雨量计10采集雨量数据后传输至嵌入式处理器中进行储存。数据的采集和向上位机传输可采用定时或实时方式，定时方式更为节能，当设定的采集时间到来后开始供电、采集。采集到的数据可实时或定时传输至上位机，由上位机显示屏进行数据和图像展示，实现视频在线监测和水文信息监测。

此外，处理器中可设置多个水文数据警戒值，当采集到的数据(例如雨量)超过警戒值时，触发网络摄像机工作(同时触发补光灯)采集传输视频图像或者图片，根据应用场景的不同，可设置不同传感器的不同警戒值，当超过警戒值时，数据应实时传输至上位机，以及时发出预警信息。处理器中还可设置水尺图像数据程序(此为早已实现的程序，在多篇业内论文和专利中早已公开，下文连接中给出了其中一例https://wenku.baidu.com/view/f062d7fda1116c175f0e7cd184254b35effd1a79.html)，对水尺图像进行处理后采集到准确的读数，因此，亦可将水尺数值作为警戒数值录入处理器中，当超过警戒值时触发数据实时传输至上位机，发出预警信息。

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于视频的城市区域雨涝监测与预警设备，其特征在于：包括数据采集与控制终端模块、无线通信模块、上位机、水尺和电源模块，所述数据采集与控制终端模块包括嵌入式处理器、以及分别与嵌入式处理器连接的摄像机、补光灯、翻斗式雨量计，无线通信模块与数据采集与嵌入式处理器连接，并与上位机进行通信，电源模块为数据采集与控制终端模块供电，水尺设置在补光灯光路中以及至少一台摄像机的拍摄范围内。

2.根据权利要求1所述的基于视频的城市区域雨涝监测与预警设备，其特征在于：嵌入式处理器还与继电器连接，所述摄像机、补光灯分别通过继电器与嵌入式处理器连接。

3.根据权利要求1所述的基于视频的城市区域雨涝监测与预警设备，其特征在于：嵌入式处理器还与光强传感器连接。

4.根据权利要求1所述的基于视频的城市区域雨涝监测与预警设备，其特征在于：嵌入式处理器还与网口连接，网络摄像机和无线通讯模块通过网口与嵌入式处理器连接。

5.根据权利要求1所述的基于视频的城市区域雨涝监测与预警设备，其特征在于：嵌入式处理器还连接有开关量信号接口，所述翻斗式雨量计通过开关量信号接口与嵌入式处理器连接。

6.根据权利要求1所述的基于视频的城市区域雨涝监测与预警设备，其特征在于：嵌入式处理器还连接有预留数字接口。

7.根据权利要求1所述的基于视频的城市区域雨涝监测与预警设备，其特征在于：电源模块包括交流供电单元、太阳能供电单元和可调降压稳压电源模块，所述交流供电单元包括开关电源，用于将交流220V转换为12V直流电，给补光灯、网络摄像机和无线通信模块供电；太阳能供电单元包括依次连接的太阳能板、太阳能控制器、太阳能蓄电池组，输出12V电压；交流供电单元和太阳能供电单元均与可调降压稳压电源模块连接，可调降压稳压电源模块用于将12V电压转换为5V电压给嵌入式处理器供电。

8.根据权利要求1所述的基于视频的城市区域雨涝监测与预警设备，其特征在于：所述摄像机为两台，一台用于拍摄水尺图像，另一台用于拍摄环境降雨图像。

9.根据权利要求8所述的基于视频的城市区域雨涝监测与预警设备，其特征在于：所述摄像机设置在伸缩支架顶部，伸缩支架由电机驱动，电机与处理器连接。