本實(shí)用新型涉及明渠流量計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置。

背景技術(shù)：

目前，國家正在進(jìn)行水資源稅試點(diǎn)項(xiàng)目，其中有涉及到農(nóng)田灌溉用水，提倡節(jié)水灌溉，提高水資源利用率。實(shí)時(shí)的在線監(jiān)測、準(zhǔn)確的計(jì)量是實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉的基礎(chǔ)條件。因此，這就對(duì)農(nóng)田灌溉用水實(shí)時(shí)監(jiān)測、計(jì)量準(zhǔn)確度和自動(dòng)化程度提出了新的要求。

目前，明渠的流量計(jì)量方法有很多，但是隨著實(shí)時(shí)在線監(jiān)測和自動(dòng)化程度要求的提高，都存在一些不足。常用的流量計(jì)量方法有：流速面積法，該方法需要人工操作，實(shí)時(shí)性和自動(dòng)化程度低；堰槽法，該方法可以準(zhǔn)確測量流量，但測量精度受淤泥影響大；采用價(jià)格昂貴的進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測和計(jì)量。

大部分灌溉明渠的閘門處沒有電源，所以對(duì)在線監(jiān)測裝置提出了低功耗的要求，需要使用自備電源能夠工作2年以上。另外設(shè)備安裝在戶外，需要有防盜和防破壞功能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是針對(duì)明渠灌溉用水計(jì)量提出的新的要求，以及解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種高度集成、低功耗、高準(zhǔn)確度、自動(dòng)化的明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置。

為了實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的，所采用的技術(shù)方案是：一種明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置，包括在線監(jiān)測器、閘前水位計(jì)、閘后水位計(jì)、閘門開度儀、箱門狀態(tài)傳感器、電池、移動(dòng)終端和服務(wù)器，在線監(jiān)測器通過有線通信電路分別與閘前水位計(jì)、閘后水位計(jì)、閘門開度儀、箱門狀態(tài)傳感器、電池相連接，在線監(jiān)測器通過閘前水位計(jì)、閘后水位計(jì)、閘門開度儀識(shí)別明渠的堰流和閘孔出流的工況，服務(wù)器通過無線通信電路與在線監(jiān)測器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，移動(dòng)終端通過服務(wù)器與在線監(jiān)測器進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互；在線監(jiān)測器包括低功耗電源模塊，在線監(jiān)測器通過低功耗電源模塊供電。

作為本實(shí)用新型的優(yōu)化方案，在線監(jiān)測器還包括安防模塊和MCU控制器，無線通信電路包括GPRS/CDMA通信模塊和北斗通信模塊，安防模塊用于感知明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置的震動(dòng)、放置角度及放置位置的變化，閘前水位計(jì)和閘后水位計(jì)均通過RS485通信接口與MCU控制器相連，閘門開度儀通過RS485通信接口與MCU控制器相連，MCU控制器獲取識(shí)別明渠的堰流和閘孔出流的工況，MCU控制器根據(jù)獲取的明渠的堰流和閘孔出流的工況進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，結(jié)合逐次逼近迭代算法計(jì)算明渠過閘流量，GPRS/CDMA通信模塊用于實(shí)現(xiàn)MCU控制器與服務(wù)器的無線連接。

作為本實(shí)用新型的優(yōu)化方案，在線監(jiān)測器還包括多路直流模擬量采集電路、多路數(shù)字量光電隔離輸入電路、多路數(shù)字量光電隔離繼電器輸出電路，所述的多路直流模擬量采集電路連接在MCU控制器的模擬輸入接口，多路數(shù)字量光電隔離輸入電路和多路數(shù)字量光電隔離繼電器輸出電路連接在MCU控制器的IO接口。

作為本實(shí)用新型的優(yōu)化方案，低功耗電源模塊包括第一路供電電源、第二路供電電源、第三路供電電源和第四路供電電源，第一路供電電源用于為MCU控制器供電，第二路供電電源用于為有線通信電路、多路直流模擬量采集電路、多路數(shù)字量光電隔離輸入電路和多路數(shù)字量光電隔離繼電器輸出電路供電，第三路供電電源用于為無線通信電路供電，第一路供電電源、第二路供電電源和第三路供電電源均為高頻線性穩(wěn)壓器，第四路供電電源用于為安防模塊、閘前水位計(jì)、閘后水位計(jì)、閘門開度儀和箱門狀態(tài)傳感器供電，第四路供電電源采用MOSFET實(shí)現(xiàn)。

作為本實(shí)用新型的優(yōu)化方案，安防模塊包括重力傳感器、位移傳感器和震動(dòng)傳感器，重力傳感器用于監(jiān)測明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置放置角度的變化，位移傳感器用于監(jiān)測明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置放置位置的變化，震動(dòng)傳感器用于監(jiān)測明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置的震動(dòng)情況。

本實(shí)用新型具有積極的效果：1)本實(shí)用新型的明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置通過高度集成化的設(shè)計(jì)，降低了整體成本，簡化了安裝流程。本實(shí)用新型采用低功耗模塊設(shè)計(jì)，單個(gè)電池可連續(xù)工作3年以上，可以應(yīng)用于無電源供給的場所；相對(duì)太陽能供電方式，節(jié)約了成本，降低了破壞和盜竊的風(fēng)險(xiǎn)。多傳感器組合的安防功能，提高了報(bào)警靈敏度，而且通過無線網(wǎng)絡(luò)將安防信息實(shí)時(shí)上傳服務(wù)器并可以以短信的方式發(fā)送給指定的移動(dòng)終端。本實(shí)用新型通過無線網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制并在無線信號(hào)覆蓋不到的區(qū)域可以啟用備用的北斗信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)覆蓋無死角，數(shù)據(jù)傳輸更穩(wěn)定可靠。裝置通過閘前水位、閘后水位、閘門開度、以及明渠的相關(guān)特征參數(shù)，自動(dòng)識(shí)別堰流、閘孔出流工況，按照不同的工況對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，并結(jié)合逐次逼近迭代算法提高流量計(jì)算的精度。裝置的無線信道可以連接4個(gè)服務(wù)器，可以很好的滿足多個(gè)服務(wù)器的要求，并可以根據(jù)服務(wù)器的級(jí)別設(shè)置不同的權(quán)限。

2)本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了對(duì)明渠過閘流量計(jì)量裝置高度集成化、低功耗、安全防盜、高度自動(dòng)化、以及計(jì)量精度的要求，為實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉提供全面、準(zhǔn)確的計(jì)量數(shù)據(jù)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1是本實(shí)用新型的電路原理示意圖；

其中：1、在線監(jiān)測器，2、閘前水位計(jì)，3、閘后水位計(jì)，4、閘門開度儀，5、箱門狀態(tài)傳感器，6、電池，7、移動(dòng)終端，8、服務(wù)器，11、低功耗電源模塊，12、安防模塊，13、MCU控制器，14、GPRS/CDMA通信模塊，15、北斗通信模塊。

具體實(shí)施方式

在本實(shí)用新型的描述中，需要理解的是，術(shù)語“徑向”、“軸向”、“上”、“下”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本實(shí)用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本實(shí)用新型的限制。在本實(shí)用新型的描述中，除非另有說明，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上。

在本實(shí)用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“設(shè)置”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本實(shí)用新型中的具體含義。

如圖1所示，本實(shí)用新型公開了一種明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置，包括在線監(jiān)測器1、閘前水位計(jì)2、閘后水位計(jì)3、閘門開度儀4、箱門狀態(tài)傳感器5、電池6、移動(dòng)終端7和服務(wù)器8，在線監(jiān)測器1通過有線通信電路分別與閘前水位計(jì)2、閘后水位計(jì)3、閘門開度儀4、箱門狀態(tài)傳感器5、電池6相連接，在線監(jiān)測器1通過閘前水位計(jì)2、閘后水位計(jì)3、閘門開度儀4識(shí)別明渠的堰流和閘孔出流的工況，服務(wù)器8通過無線通信電路與在線監(jiān)測器1進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，移動(dòng)終端7通過服務(wù)器8與在線監(jiān)測器1進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互；在線監(jiān)測器1包括低功耗電源模塊11，在線監(jiān)測器1通過低功耗電源模塊11供電。其中，有線通信電路包括SPI通信接口電路和UART通信接口電路。移動(dòng)終端7可以是手機(jī)或PC機(jī)，通過安裝APP實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的查看和控制功能。

在線監(jiān)測器1還包括安防模塊12和MCU控制器13，無線通信電路包括GPRS/CDMA通信模塊14和北斗通信模塊15，安防模塊12用于感知明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置的震動(dòng)、放置角度及放置位置的變化，閘前水位計(jì)2和閘后水位計(jì)3均通過RS485通信接口與MCU控制器13相連，閘門開度儀4通過RS485通信接口與MCU控制器13相連，MCU控制器13獲取識(shí)別明渠的堰流和閘孔出流的工況，MCU控制器13根據(jù)獲取的明渠的堰流和閘孔出流的工況進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，結(jié)合逐次逼近迭代算法計(jì)算明渠過閘流量，GPRS/CDMA通信模塊14用于實(shí)現(xiàn)MCU控制器13與服務(wù)器8的無線連接。

在線監(jiān)測器1還包括多路直流模擬量采集電路、多路數(shù)字量光電隔離輸入電路、多路數(shù)字量光電隔離繼電器輸出電路，多路直流模擬量采集電路連接在MCU控制器13的模擬輸入接口，多路數(shù)字量光電隔離輸入電路和多路數(shù)字量光電隔離繼電器輸出電路連接在MCU控制器13的IO接口。其中，直流模擬量采集電路為4～20mA或0-5V的直流信號(hào)采集，可根據(jù)需求連接相應(yīng)的智能傳感器。多路數(shù)字量光電隔離繼電器輸出電路為6路數(shù)字量輸出電路，輸出接點(diǎn)的容量可達(dá)AC250V(3A)或DC30V(3A)。

低功耗電源模塊11包括第一路供電電源、第二路供電電源、第三路供電電源和第四路供電電源，第一路供電電源用于為MCU控制器13供電，第二路供電電源用于為有線通信電路、多路直流模擬量采集電路、多路數(shù)字量光電隔離輸入電路和多路數(shù)字量光電隔離繼電器輸出電路供電，第三路供電電源用于為無線通信電路供電，第一路供電電源、第二路供電電源和第三路供電電源均為高頻線性穩(wěn)壓器，第四路供電電源用于為安防模塊12、閘前水位計(jì)2、閘后水位計(jì)3、閘門開度儀4和箱門狀態(tài)傳感器5供電，第四路供電電源采用MOSFET實(shí)現(xiàn)。其中，低功耗電源模塊11使用低靜態(tài)損耗和低關(guān)斷損耗的高頻線性穩(wěn)壓器，通過與MCU控制器13組合實(shí)現(xiàn)低功耗，整個(gè)明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置的靜態(tài)休眠功耗不大于10μA,工作平均電流不大于100mA，配置7.2AH的電池6可以工作3年以上。MCU控制器13包括兩種模式，工作模式和休眠模式，工作模式時(shí)，根據(jù)需要通過多路直流模擬量采集電路采集相關(guān)數(shù)據(jù)并計(jì)算流量，并將數(shù)據(jù)上傳給服務(wù)器8和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，根據(jù)需求控制低功耗電源模塊11包括的四路供電電源的啟動(dòng)和停止，從而滿足低功耗的需求。休眠模式時(shí)，只保留第一路供電電源。

安防模塊12包括重力傳感器、位移傳感器和震動(dòng)傳感器，重力傳感器用于監(jiān)測明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置放置角度的變化，位移傳感器用于監(jiān)測明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置放置位置的變化，震動(dòng)傳感器用于監(jiān)測明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置的震動(dòng)情況。其中，重力傳感器和位移傳感器通過SPI通信接口電路與MCU控制器13相連，震動(dòng)傳感器連接在MCU控制器13的IO接口，MCU控制器13還連接有RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊配置有后備電池，保證明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置在失去電源時(shí)，時(shí)間不會(huì)丟失；MCU控制器13還連接有存儲(chǔ)模塊，存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)5年以上的明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置的安防數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)。

UART通信接口電路包括4路：

第1路UART通信接口電路通過RS485總線接口與閘前水位計(jì)2和閘后水位計(jì)3相連，實(shí)現(xiàn)水位的測量；

第2路UART通信接口通過RS485總線接口與閘門開度儀4相連，實(shí)現(xiàn)各閘門開度的測量；

第3路UART通信接口與GPRS/CDMA通信模塊14連接，GPRS/CDMA通信模塊14可以連接多達(dá)4路服務(wù)器8，MCU控制器13通過GPRS/CDMA通信模塊14實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器8的無線通信交互，其中第4路服務(wù)器8可作為維護(hù)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)裝置遠(yuǎn)程軟件升級(jí)等維護(hù)功能；

第4路UART通信接口與北斗通信模塊15連接，北斗通信模塊15作為無線通信信道與服務(wù)器8通信。

明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置在正常工作模式時(shí)，通過多路直流模擬量采集電路實(shí)時(shí)監(jiān)測所需傳感器的數(shù)據(jù)，當(dāng)明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置發(fā)生震動(dòng)、放置角度及放置位置的變化，均可實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)變化幅度大于設(shè)定值時(shí)，將及時(shí)上報(bào)服務(wù)器8以及短信報(bào)警；在休眠模式，提高震動(dòng)傳感器的靈敏度，發(fā)生震動(dòng)時(shí)通過IO接口喚醒MCU控制器13進(jìn)入工作模式，從而實(shí)現(xiàn)安防功能，另外箱門狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)可以通過IO接口喚醒MCU控制器13進(jìn)入工作模式，實(shí)現(xiàn)安防功能。以上兩種喚醒模式既滿足了低功耗的要求，又滿足了安防的要求。

明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用SPI接口形式的32M存儲(chǔ)容量的Flash。

明渠的同一位置最多支持三個(gè)閘門開度儀4的接入，閘門開度儀4選擇拉繩式閘位計(jì)。明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置通過閘前水位、閘后水位、最多3個(gè)閘門的開度、以及明渠的相關(guān)特征參數(shù)，自動(dòng)識(shí)別堰流、閘孔出流工況，按照不同的工況對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，并結(jié)合逐次逼近迭代算法提高流量計(jì)算的精度。

明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置通過GPRS/CDMA通信模塊14無線通信方式與服務(wù)器8進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測和控制，明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置連接4路服務(wù)器，第1路用于與省級(jí)數(shù)據(jù)中心通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測；第2路用于與市級(jí)數(shù)據(jù)中心通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測；第3路用于與區(qū)縣級(jí)數(shù)據(jù)中心通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制；第4路用于與廠家維護(hù)服務(wù)器連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程軟件升級(jí)等功能。客戶端軟件(如：手機(jī)APP，PC端瀏覽器)可以通過服務(wù)器與明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程維護(hù)功能。在一些GPRS和CDMA信號(hào)都無法覆蓋的地區(qū)，使用北斗通信模塊15作為備用無線通信信道，提供關(guān)鍵的監(jiān)測數(shù)據(jù)的通信，從而保證了無線通信可靠無死角。

應(yīng)當(dāng)理解，以上所描述的具體實(shí)施例僅用于解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。由本實(shí)用新型的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之中。