CN218003760U - 一种基于微电机技术的智能雨量计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于微电机技术的智能雨量计，其包括翻斗式雨量计、基于微电机系统加速度计的倾角传感器和数据采集终端；所述倾角传感器安装在翻斗式雨量计的上翻斗一侧，且与翻斗式雨量计的启动开关连接；所述倾角传感器还与数据采集终端无线连接；所述倾角传感器采用RS‑485总线主从通讯协议与数据采集终端传递数据。本实用新型增加了基于微电机技术的倾角传感器，实现了翻斗式雨量计自动启停功能，使雨量计达到自动化效果，降低了人力成本的同时避免了雨量计为了更好接收雨量一直启动而导致的高功率、高消耗问题；实现自动监测，根据数据采集终端的数据进行自动整合，再依据数据安全模板对数据进行分析记录。

Description

一种基于微电机技术的智能雨量计

技术领域

本实用新型涉及雨量计领域，尤其是一种基于微电机技术的智能雨量计。

背景技术

雨量的统计关乎着地灾监测的准确性，也是一片区域降水量的一种表现方式，这个数据要求不仅精度高而且要全面性，这就非常考验雨量计的性能了，高功率的或许数据更准确点，但是维修和维持所消耗的人力和物力还是太大了。过于浪费的资金、且无法更好发挥相应资金价位效率的雨量计，这都是现阶段的雨量计所存在的问题。

现有的雨量计包括虹吸式排水雨量计和翻斗式雨量仪器，但是虹吸式排水雨量计对人力的需求也是很大，技术人员必须定时到现场去更换记录纸，操作繁琐，虹吸管易堵塞；翻斗式雨量仪器只要开启后，就保持长期工作，如果长期工作一般一个月要清理一次，三个月必须清理-次，且输出信号为:磁钢-干簧管式接点开关通断信号。由于长时间的运行记载数据，这会导致仪器长时间工作，或者间歇性工作，这会造成非常大的功率消耗。

因此，还有待于对现有技术与加工工艺进行改进。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于微电机技术的智能雨量计，旨在于解决现有雨量计需要较多的人力去现场记录数据，以及开启后长时间运行记载数据，仪器长时间工作导致消耗的功率非常大的技术问题。

为实现上述的目的，本实用新型的技术方案为：一种基于微电机技术的智能雨量计，其包括翻斗式雨量计、基于微电机系统加速度计的倾角传感器和数据采集终端；所述倾角传感器安装在翻斗式雨量计的上翻斗一侧，且与翻斗式雨量计的启动开关连接；所述倾角传感器还与数据采集终端无线连接；所述倾角传感器采用RS-485总线主从通讯协议与数据采集终端传递数据。

所述的基于微电机技术的智能雨量计，其中，所述翻斗式雨量计包括：上漏斗、上翻斗、汇集斗、计量漏斗、计数翻斗、水平泡、底座、干簧管开关和记录器，所述水平泡通过螺柱固定在底座上面，所述上漏斗通过翻斗支架安装在水平泡的中间，且上翻斗与汇集斗为一体结构，所述上翻斗和汇集斗通过翻斗支承按住那个在翻斗支架上的中部；所述计量漏斗安装在水平泡的侧边，且对应上翻斗的一侧；所述计数翻斗安装在水平泡的侧边，且对应承接汇集斗的水；所述干簧管开关安装在水平泡上；所述记录器安装在底座内。

所述的基于微电机技术的智能雨量计，其中，所述记录器包括计数器、录笔、自记钟和控制线路板，所述计数器与计数漏斗连接，所述计数器、录笔和自计钟分别与控制线路板连接。

所述的基于微电机技术的智能雨量计，其中，所述数据采集终端包括数据存储模块、中央控制模块、数据处理模块、Lora无线通讯模块、蓝牙通讯模块和供电模块；所述供电模块分别为中央控制模块、数据处理模块、Lora无线通讯模块和蓝牙通讯模块供电；所述中央控制模块分别与数据处理模块、蓝牙通讯模块、蓝牙通讯模块和数据存储模块连接。

所述的基于微电机技术的智能雨量计，其中，所述中央控制模块包括微处理器、定位电路、时钟电路和地址编码器，所述微处理器分别与定位电路、时钟电路和地址编码器连接。

所述的基于微电机技术的智能雨量计，其中，所述数据处理模块用于将测量获得的电信号，转换成适用于物联网通讯的485信号，并加入时间和地址信息组成16位数据，再传输至倾角传感器。

所述的基于微电机技术的智能雨量计，其中，所述Lora无线通讯模块用于实现传感器与计算机的双向通讯，将串口数据以广播的方式传播，由Lora DTU接收Lora信号，并将转换程TCP/IP数据，发送至监测云平台。

所述的基于微电机技术的智能雨量计，其中，所述蓝牙通讯模块与外部手机的APP无线连接。

所述的基于微电机技术的智能雨量计，其中，所述供电模块包括电池和太阳能板，所述太阳能板与电池连接。

有益效果：本实用新型增加了基于微电机技术的倾角传感器，实现了翻斗式雨量计自动启停功能，使雨量计达到自动化效果，降低了人力成本的同时避免了雨量计为了更好接收雨量一直启动而导致的高功率、高消耗问题；实现自动监测，根据数据采集终端的数据进行自动整合，再依据数据安全模板对数据进行分析记录。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图2是本实用新型的数据采集终端模块框图。

图3是本实用新型的中央控制模块的框图。

图4是本实用新型的供电模块的框图。

图5是本实用新型的运行流程图。

图6是加速度计测倾角原理图。

图7是在Matlab上模拟倾角图。

图中：1、倾角传感器,2、翻斗式雨量计，3、数据采集终端，20、上漏斗，21、上翻斗，22、汇集斗，23、计量漏斗，24、计数翻斗，25、水平泡，26、底座，27、干簧管开关，28、翻斗支架，29、翻斗支承，4、斗容调节螺钉，26a、支座，31、数据存储模块，30、中央控制模块，32、数据处理模块，33、Lora无线通讯模块，34、蓝牙通讯模块，35、供电模块，5、微处理器，6、定位电路，7、时钟电路，8、地址编码器，9、电池，10、太阳能板。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。

如图1-4所示，本实用新型公开了一种基于微电机技术的智能雨量计，其包括翻斗式雨量计2、基于微电机系统加速度计的倾角传感器1和数据采集终端3；所述倾角传感器1安装在翻斗式雨量计2的上翻斗一侧，且与翻斗式雨量计2的启动开关连接；所述倾角传感器1还与数据采集终端3无线连接；所述倾角传感器1采用RS-485总线主从通讯协议与数据采集终端3传递数据。

本实用新型增加了基于微电机技术的倾角传感器，实现了翻斗式雨量计自动启停功能，使雨量计达到自动化效果，降低了人力成本的同时避免了雨量计为了更好接收雨量一直启动而导致的高功率、高消耗问题；实现自动监测，根据数据采集终端的数据进行自动整合，再依据数据安全模板对数据进行分析记录。

具体的说，所述翻斗式雨量计2包括：上漏斗20、上翻斗21、汇集斗22、计量漏斗23、计数翻斗24、水平泡25、底座26、干簧管开关27和记录器，所述水平泡25通过螺柱固定在底座26上面，所述上漏斗20通过翻斗支架28安装在水平泡25的中间，且上翻斗21与汇集斗22为一体结构，所述上翻斗21和汇集斗22通过翻斗支承29按住那个在翻斗支架28上的中部；所述计量漏斗23安装在水平泡25的侧边，且对应上翻斗21的一侧；所述计数翻斗24安装在水平泡25的侧边，且对应承接汇集斗22的水；所述干簧管开关27安装在水平泡25上；所述记录器安装在底座26内。

优选的是，所述上翻斗21和汇集斗22之间还安装有斗容调节螺钉4，用于调节上翻斗的容量。

优选的是，所述底座26还设有支座26a。

采用上述结构后，本实用新型通过上漏斗进行接雨，然后翻倒给计量漏斗进行计量；计数漏斗用于计算是上翻斗翻倒的次数，所述干簧管开关用与启动翻斗式雨量计的输出信号；优选的是，所述计量漏斗、计数翻斗等需要传感器的记录数据与传感器连接，且这些传感器优选为采用RS-485通讯协议。

具体的说，所述记录器包括计数器、录笔、自记钟和控制线路板，所述计数器与计数漏斗连接，所述计数器、录笔和自计钟分别与控制线路板连接。

翻斗式雨量计工作原理为:雨水由最上端的上漏斗接收，经漏斗口流入上翻斗，当积水量达到一定高度(比如0.01毫米)时，上翻斗失去平衡翻倒。而每一次上翻斗倾倒，都使开关接通电路，向记录器输送一个脉冲信号 ,记录器控制自记笔将雨量记录下来,如此往复即可将降雨过程测量下来。

具体的说，所述数据采集终端3包括数据存储模块31、中央控制模块30、数据处理模块32、Lora无线通讯模块33、蓝牙通讯模块34和供电模块35；所述供电模块35分别为中央控制模块30、数据处理模块32、Lora无线通讯模块33和蓝牙通讯模块34供电；所述中央控制模块30分别与数据处理模块32、Lora无线通讯模块33、蓝牙通讯模块34和数据存储模块31连接。

具体的说，所述中央控制模块30包括微处理器5、定位电路6、时钟电路7和地址编码器8，所述微处理器5分别与定位电路6、时钟电路7和地址编码器8连接。

微处理器：完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，控制整个电路；

定位电路：用于数据采集终端的GPS定位，以便获取设备的位置信息；

时钟电路：为数据采集终端3提供可靠的时间，可以准确的设定终端的休眠时间、上传时间，在不需要工作时，让数据采集终端3处于休眠状态，节省电量，以延长设备的使用时间。

地址编码器：该数据采集终端3可采集32（甚至64）个传感器信息，为了区分传感器，需要给每个传感器唯一的地址编码，以便处理器能对传感器及其数据进行可靠识别。

具体的说，所述数据处理模块32用于将测量获得的电信号，转换成适用于物联网通讯的485信号（以下称串口数据），加入时间和地址信息，组成16位数据，传输至倾角传感器1。

具体的说，所述Lora无线通讯模块33用于实现传感器与计算机的双向通讯，将串口数据以广播的方式传播，由Lora DTU接收Lora信号，并将转换程TCP/IP数据，发送至监测云平台。

Lora无线通讯模块：此模块可实现传感器与计算机的双向通讯（基于TCP协议）；能够将所得到的的串口数据，通过Lora无线通讯模块，将串口数据以广播的方式传播，由LoraDTU接收Lora信号，并将转换程TCP/IP数据，发送至监测云平台；同时，云平台亦可对传感器下发指令，如：更改采集终端的休眠时间、校正GPS地址、传感器地址、设置通道命令等，同时，也可以在平台上查看采集终端的设备信息，如：电量、网络信号等，特别的是，采集终端配备了Lora信号天线，可保证即使在金属外壳包裹下，依然能广播Lora信号。

具体的说，所述蓝牙通讯模块34与外部手机的APP无线连接。

蓝牙通讯模块：内置集成了蓝牙通讯模块，为了降低功耗，单独配置蓝牙开关。由于采集终端在每一次采集工作完成后，会进入睡眠状态，监测云平台上无法查看实时数据，此时可通过手机的APP连接采集终端的蓝牙，在APP上可实时查看监测数据，以及采集终端的设备信息，如：电量、网络信号等，并支持更改采集终端的休眠时间、校正GPS地址、传感器地址、设置通道命令等。

具体的说，所述供电模块35包括电池9和太阳能板10，所述太阳能板10与电池9连接。

供电模块：数据采集终端供电采取电池+太阳能的方式，选用了耐高温锂电池为设备跟数据采集终端供电。为了确保锂电池的寿命及安全可靠性，耐高温锂电池的电池组内设置了先进的保护管理系统，防止过充电，过放电，高温运行，低温充电，或短路而被破坏，甚至出现安全性问题。

如图5所示，本实用新型的运行路线：先是由翻斗式雨量计进行降雨采集，采集降雨时，降雨流经上漏斗会导致与上漏斗连接的上翻斗发生倾斜或震动，而这时由微机电捕捉倾角变化，进行数据分析然后是否开启雨量计启动，达到数据设计值开启雨量计，进行雨量采集并且进行数据传输，在有数据采集终端对传输数据进行分析建模，传输数据等；实现数据即时性、透明性、准确性。同时数据采集终端也是记载翻斗雨量计使用情况的数据仪，可以溯源雨量计的启动情况，也可分析雨量计运行状态，达到远程监测效果。

微机电：一种利用一款基于微电机系统（MEMS）加速度计的高精度倾角传感器首先,对MEMS加速度计测倾角的基本原理进行研究。其次,分析传感器角度测量误差的影响因素,提高倾角传感器的测量精度:对加速度计的输出数据进行分析,分别设计传感器误差校准及坐标旋转的方法。

首先,对MEMS加速度计测倾角的基本原理进行研究。其次,分析传感器角度测量误差的影响因素,提高倾角传感器的测量精度:对加速度计的输出数据进行分析,分别设计传感器误差校准及坐标旋转的方法。

如图6所示，在试验室中对样机进行测试表明:该倾角传感器可以实现三轴方向上±90°范围的角度测量,测量精度在0.1°以内。该产品不仅可以用于煤矿井下,实现液压支架三轴姿态角度测量,满足液压支架姿态模型检测与分析的要求;还可以作为一种传感测量设备,在诸如工业自动化、智能平台等领域,实现角度测量功能。此外,误差校准及坐标旋转方法可以为其他高精度设备的设计提供良好的理论基础。

通过反正弦函数即可求得部件的角度。但该方法中,当部件的倾斜角度越接近±90°时,对加速度计的灵敏度要求会越高。图7所示为在Matlab上模拟的0.1°精度下加速度计灵敏度要求。从图7可以看出,当要求的测量范围为±23.7°时,灵敏度需要达到1.599mg/0.1°;当测量范围为±90°时,灵敏度需要提高到0.016 759 mg/0.1°。

本实用新型通过自动化带来的劳动力需求降低，自动化的仪器更好的避免了人为误差，也有一定程度的减少了人力的投入，更加方便、简洁；高精度的微机电使翻斗式雨量计效率达到最经济化，自动控制启停使雨量计的功率消耗更加合理，也对其供电上实现即用即输。实时性的信息传递，让数据透明化，使监测工程达到实时监控，为因水位异常引起的安全隐患提供实时数据报警，为防范、避险等措施的实施提供宝贵的应变时间。数据采集终端对数据进行处理实现数据实时化，达到硬件信息化，减少了繁琐的数据运输过程，简便和加快了信息的传递，也同样延长了使用寿命。合理的改进了雨量计的功能和环境的适应能力。

以上是本实用新型的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，不付出创造性劳动对本实用新型技术方案的修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于微电机技术的智能雨量计，其特征在于，包括翻斗式雨量计、基于微电机系统加速度计的倾角传感器和数据采集终端；所述倾角传感器安装在翻斗式雨量计的上翻斗一侧，且与翻斗式雨量计的启动开关连接；所述倾角传感器还与数据采集终端无线连接；所述倾角传感器采用RS-485总线主从通讯协议与数据采集终端传递数据。

2.根据权利要求1所述的基于微电机技术的智能雨量计，其特征在于，所述翻斗式雨量计包括：上漏斗、上翻斗、汇集斗、计量漏斗、计数翻斗、水平泡、底座、干簧管开关和记录器，所述水平泡通过螺柱固定在底座上面，所述上漏斗通过翻斗支架安装在水平泡的中间，且上翻斗与汇集斗为一体结构，所述上翻斗和汇集斗通过翻斗支承按住那个在翻斗支架上的中部；所述计量漏斗安装在水平泡的侧边，且对应上翻斗的一侧；所述计数翻斗安装在水平泡的侧边，且对应承接汇集斗的水；所述干簧管开关安装在水平泡上；所述记录器安装在底座内。

3.根据权利要求2所述的基于微电机技术的智能雨量计，其特征在于，所述记录器包括计数器、录笔、自记钟和控制线路板，所述计数器与计数漏斗连接，所述计数器、录笔和自计钟分别与控制线路板连接。

4.根据权利要求1所述的基于微电机技术的智能雨量计，其特征在于，所述数据采集终端包括数据存储模块、中央控制模块、数据处理模块、Lora无线通讯模块、蓝牙通讯模块和供电模块；所述供电模块分别为中央控制模块、数据处理模块、Lora无线通讯模块和蓝牙通讯模块供电；所述中央控制模块分别与数据处理模块、蓝牙通讯模块、蓝牙通讯模块和数据存储模块连接。

5.根据权利要求4所述的基于微电机技术的智能雨量计，其特征在于，所述中央控制模块包括微处理器、定位电路、时钟电路和地址编码器，所述微处理器分别与定位电路、时钟电路和地址编码器连接。

6.根据权利要求4所述的基于微电机技术的智能雨量计，其特征在于，所述蓝牙通讯模块与外部手机的APP无线连接。

7.根据权利要求4所述的基于微电机技术的智能雨量计，其特征在于，所述供电模块包括电池和太阳能板，所述太阳能板与电池连接。

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