CN102364302B

CN102364302B - 雨量水位监测设备

Info

Publication number: CN102364302B
Application number: CN2011103271567A
Authority: CN
Inventors: 蒋鹏; 陈蒙蒙
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Jiangsu Longchang Chemical Co Ltd
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2031-10-25
Also published as: CN102364302A

Abstract

本发明公布了一种雨量水位监测设备。本发明中太阳能电板为光伏蓄电池充电，蓄电池提供12V电压，供给雨量、水位传感器以及检测模块；12V电压通过电压转换电路转换为5V电压，供给检测模块和GPRS模块；5V电压通过以电压转换电路转换为3.3V电压，供给通信模块、存储模块以及控制器模块。雨量、水位传感器将采集的水情信息通过检测模块处理后传输给控制器，控制器将接收到的雨量、水位水情信息存储到存储模块，并且通过GPRS将信息传输至远程监测中心。远程监测中心接收雨量、水位等水情信号数据，将其存储到数据库，并提供实时数据显示、历史数据分析及查询。本发明数据处理速度快，精度高，***安全性好。

Description

雨量水位监测设备

技术领域

本发明属于无线通信和嵌入式***技术领域，具体涉及一种雨量水位监测设备。

背景技术

我国幅员辽阔，处于亚热带季风区，气候条件复杂，雨量变化剧烈，各条河流水情各异，洪涝灾害时常发生。水安全和水资源问题已经成为社会和经济发展中的重要因素。安全问题特别是因洪水等自然灾害所引发的突发事故，其危害巨大，因此研究和开发水情实时监测***，通过对水情及堤坝安全的动态监控、预报，及时发现事故尤其是突发性事故先兆，迅速做出反应，实时给予决策支持并实施自动控制，为工程和相关地区提供安全保障；为管理部门提供多层次的信息管理和决策支持手段，在兼顾防灾水资源优化调度的基础上实现水资源可持续利用，充分发挥水利工程的效益。

目前，我国水情自动遥测***的建设中，数据采集和检测技术水平不断提高，数据传输却存在较大的问题，如传统的拨号和专线的固定网络接入方式严重地限制了水情的检测，不能满足自动测报的要求；无线通信方式中，超短波需加设大量中继站，不适合远距离传输；手机短信易造成信息阻塞；卫星通信投资大且存在雨衰等问题。许多地方对水位、雨量等水情参数的测量仍采用人工方式，在安全性、准确性以及时性等方面存在着明显的不足。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种雨量水位监测设备，可通过GPRS网络与远程监测中心通信，实现现场监测设备与远程监测中心的信息传输。

本发明具体方案：

雨量水位监测设备，包括电源管理模块、检测模块、控制器模块、存储模块和通信模块。各模块均采用现有成熟技术。其中，电源管理模块包括太阳能电板，光伏蓄电池，5V电压转换电路，3.3V电压转换电路；光伏蓄电池为雨量传感器、水位传感器和5V电压转换电路提供12V电压；5V电压转换电路，为检测模块中的滤波电路、I/V转换电路、通信模块中的GPRS模块和3.3V电压转换电路提供5V电压； 3.3V电压转换电路为控制器模块、存储模块和通信模块中的串口通信电平接口转换电路提供3.3V电压。检测模块主要由雨量传感器，水位传感器，I/V转换电路和滤波电路组成。水位传感器输出的电流信号通过I/V转换电路，转换为控制器可接收的电压信号。雨量传感器通过滤波电路，将脉冲信号发送给控制器。控制器模块对电压信号和脉冲信号进行分析和处理，完成雨量、水位的信息采集。控制器模块采用LPC2300低功耗处理器作为核心，控制现场监测设备采集和存储雨量、水位等水情信息，并通过GPRS网络与监测中心通信。存储模块采用128Mbit低功耗芯片MX25L12845E，通过SPI接口与控制器连接。通信模块包括以MAX3232为核心的RS-232串口通信电平接口转换电路和GPRS模块。通信模块与控制器模块的UART0接口连接，RS-232串口通信电平接口电路电源端与3.3V电压转换电路的输出连接。GPRS模块采用型号为Siemens MC35的传输模块。

电压转换电路包括第一接插件P1，第一电容C1，第二电容C2，第三电容C3，第四电容C4，第五电容C5，第六电容C6，第七电容C7，第八电容C8，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3，第一电感L1，第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4，第一二极管D1、第二二极管DS1以及电压转换芯片U1、电压转换芯片U2。

第一接插件P1的1引脚和第一接插件P1的2引脚接地。第一接插件P1的3引脚与电压转换芯片U1的1引脚、第一电容C1的正极和12V的数字电压连接，第一电容C1的负极与U1的3引脚和U1的5引脚连接并接地。U1的2引脚连接第一二极管D1的一端，第一二极管D1的另一端接地。U1的2引脚连接第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端连接5V数字电压输出端VDD5。5V数字电压输出端连接第二电容C2的正极，第二电容C2的负极接地。U1的4引脚连接5V数字电压输出端VDD5。5V数字电压输出端VDD5连接第二电感L2的一端，第二电感L2的另一端连接第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端与5V模拟电压输出端AVDD5连接。第三电感L3的一端接地，第三电感L3的另一端连接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端连接模拟地AGND。模拟电压输入端AVDD5连接第三电容C3正极，第三电容C3负极连接模拟地AGND。

U2的1引脚接地，U2的2引脚连接3.3V电压输出端VDD3.3。U2的2引脚连接第六电容C6的正极，第六电容C6的负极接地。U2的2引脚连接第七电容C7的一端，第七电容C7的另一端接地。U2的3引脚连接5V数字电压输出端VDD5。U2的3引脚连接第四电容C4的一端，第四电容C4的另一端接地。U2的3引脚连接第五电容C5的正极，第五电容C5的负极接地。3.3V数字电压输出端VDD3.3连接第二二极管DS1的一端，第二二极管DS1的另一端接地。3.3V数字电压输出端VDD3.3与第二二极管DS1的一端连接，第二二极管DS1的另一端接地，3.3V数字电压输出端VDD3.3连接第四电感L4的一端，第四电感L4的另一端连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接3.3V模拟电压输出端AVDD3.3。3.3V模拟电压输出端AVDD3.3连接第八电容C8的正极，第八电容C8的负极接地。

检测模块电路包括第二接插件P2、第三接插件P3，第九电容C9、第十电容C10，第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7，以及放大器芯片U5A。

第二接插件P2的1引脚接地，第二接插件P2的2引脚连接第五电阻R5的一端，第五电阻R5的另一端连接放大器芯片U5A的3引脚。第二接插件P2的2引脚连接第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端连接模拟地AGND。第二接插件P2的3引脚连接12V电压VDD12。放大器芯片U5A的1引脚连接控制器的P0_23Y引脚。放大器芯片U5A的2引脚连接放大器芯片U5A的1引脚。放大器芯片U5A的3引脚连接第九电容C9的一端，第九电容C9的另一端连接模拟地AGND。放大器芯片U5A的4引脚连接模拟地AGND。放大器芯片U5A的11引脚与5V模拟电压AVDD5连接。

第三接插件P3的1引脚连接12V电压VDD12。第三接插件P3的2引脚接地。第三接插件P3的3引脚连接第六电阻R6的一端，第六电阻R6的另一端连接5V数字电源端VDD5。第三接插件P3的3引脚连接第七电阻R7的一端，第七电阻R7的另一端连接第十电容C10的一端，第十电容C10的另一端接地。第七电阻R7一端连接第三接插件P3的3引脚，另一端连接控制器的P1_26引脚。

控制模块电路包括控制器芯片U3，第十一电容C11，第八电阻R8，以及复位芯片U4。***复位电路采用MAX811专用复位芯片，具备上电复位和手动复位两种模式。***上电后，复位芯片给nRST引脚低电平信号，使控制器复位。

复位芯片U4的1引脚接地。复位芯片U4的1引脚连接第十一电容C11的一端，第十一电容C11的另一端、复位芯片U4的4引脚与3.3V数字电压输出端VDD3.3连接。复位芯片U4的2引脚连接第八电阻R8的一端，第八电阻R8的另一端连接控制器nRST引脚。复位芯片U4的3引脚连接控制器SYS_RES引脚。

通信模块电路包括第九电阻R9，存储芯片U6。存储芯片U6的2引脚连接3.3V数字电压输出端VDD3.3。存储芯片U6的7引脚连接控制器P0_16引脚。存储芯片U6的8引脚连接控制器P0_17引脚。存储芯片U6的9引脚连接第九电阻R9的一端，第九电阻R9的另一端连接3.3V数字电压输出端VDD3.3。存储芯片U6的10引脚接地。存储芯片U6的15引脚连接控制器P0_18引脚。存储芯片U6的16引脚连接控制器P0_15引脚。存储芯片U6的其他引脚悬空。

本发明相比于现有技术，具有以下优点：

1.设备通信能力强、数据传输速度快、实时性强。设备通过传输速率快、通信质量高、网络容量大的GPRS网络实现通信，具有很强的实时性。

2.设备功耗低，环境适应性强。设备电源采用太阳能电板，各模块采用低功耗器件；设备各部件均采用符合工业级标准的器件，适应在野外恶劣的环境条件工作。

3.设备数据处理速度快，功能强。本发明监测设备使用高性能处理器，有利于***更新与功能扩展。

附图说明

图1为本发明的雨量水位监测设备结构示意图；

图2为本发明的雨量水位监测设备电源管理模块原理图；

图3为本发明的雨量水位监测设备检测模块原理图；

图4为本发明的雨量水位监测设备控制器模块原理图；

图5为本发明的雨量水位监测设备存储模块原理图；

图6为本发明的雨量水位监测设备通信模块原理图；

图7为本发明的雨量水位监测设备信号流示意图；

图8为本发明的雨量水位监测设备构成的水情自动遥测***示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的雨量水位监测设备作进一步描述。

如图1所示，本发明包括电源管理模块1、检测模块2、控制器模块3、存储模块4以及通信模块5。各模块均采用现有成熟技术，其中，电源管理模块1包括：SRDCB的太阳能电板，12V55AH的光伏蓄电池1-1，以LM2596S为核心的5V电压转换电路1-2，以LM1117-3.3为核心的3.3V电压转换电路1-3，光伏蓄电池1-1为雨量传感器2-1、水位传感器2-2和以LM2596S为核心的5V电压转换电路1-2提供12V电压；以LM2596S为核心的5V电压转换电路1-2，为检测模块2中的滤波电路2-3、I/V转换电路2-4、通信模块5中的GPRS模块5-2和以LM1117-3.3为核心的3.3V电压转换电路1-3提供5V电压；以LM1117-3.3为核心的3.3V电压转换电路1-3为控制器模块3、存储模块4和通信模块5中的RS-232串口通信电平接口转换电路5-1提供3.3V电压。检测模块2包括：雨量传感器2-1、水位传感器2-2、滤波电路2-3和I/V转换电路2-4。水位传感器2-2输出的电流信号通过I/V转换电路2-4，转换为控制器可接收的电压信号。雨量传感器2-1通过滤波电路，将脉冲信号发送给控制器。控制器模块3通过滤波电路连接雨量传感器2-1，控制器的AD接口通过I/V转换电路连接水位传感器2-2，用以接收和处理雨量、水位数据。控制器的UART0接口通过RS232串口通信电平接口转换电路5-1连接GPRS模块5-2，用以传输雨量、水位数据。控制器的SPI接口连接存储模块，用以存储雨量、水位数据。存储模块4采用128Mbit低功耗芯片MX25L12845E，通过SPI接口与控制器连接。通信模块5包括以MAX3232为核心的RS-232串口通信电平接口转换电路5-1和GPRS模块5-2。通信模块5与控制器模块的UART0接口连接。GPRS模块5-2采用型号为Siemens MC35的传输模块。

如图2所示，电源管理模块包括第一接插件P1，第一电容C1，第二电容C2，第三电容C3，第四电容C4，第五电容C5，第六电容C6，第七电容C7，第八电容C8，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3，第一电感L1，第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4，第一二极管D1、第二二极管DS1以及电压转换芯片U1、电压转换芯片U2。

如图3所示，检测模块包括第二接插件P2、第三接插件P3，第九电容C9、第十电容C10，第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7，以及放大器芯片U5A。

如图4所示，控制器模块包括控制器芯片U3，第十一电容C11，第八电阻R8，以及复位芯片U4。***复位电路采用MAX811专用复位芯片，具备上电复位和手动复位两种模式。***上电后，复位芯片给nRST引脚低电平信号，使控制器复位。

如图5所示，存储模块包括第九电阻R9，存储芯片U6。存储芯片U6的2引脚连接3.3V数字电压输出端VDD3.3。存储芯片U6的7引脚连接控制器P0_16引脚。存储芯片U6的8引脚连接控制器P0_17引脚。存储芯片U6的9引脚连接第九电阻R9的一端，第九电阻R9的另一端连接3.3V数字电压输出端VDD3.3。存储芯片U6的10引脚接地。存储芯片U6的15引脚连接控制器P0_18引脚。存储芯片U6的16引脚连接控制器P0_15引脚。存储芯片U6的其他引脚悬空。

如图6所示，通信模块包括第十二电容C12、第十三电容C13、第十四电容C14、第十五电容C15，RS-232串口通信电平接口转换芯片U7，以及GPRS接口COM0。

RS-232串口通信电平接口转换芯片U7的1引脚连接第十二电容C12的一端，第十二电容C12的另一端连接RS-232串口通信电平接口转换芯片U7的3引脚。RS-232串口通信电平接口转换芯片U7的2引脚连接第十五电容C15的一端，第十五电容C15的另一端接地。RS-232串口通信电平接口转换芯片U7的4引脚连接第十三电容C13的一端，第十三电容C13的另一端连接RS-232串口通信电平接口转换芯片U7的5引脚。RS-232串口通信电平接口转换芯片U7的6引脚连接第十四电容C14的一端，第十四电容C14的另一端接地。RS-232串口通信电平接口转换芯片U7的11引脚连接控制器P0_2引脚。RS-232串口通信电平接口转换芯片U7的12引脚连接控制器P0_3引脚。RS-232串口通信电平接口转换芯片U7的13引脚连接GPRS接口COM0的3引脚。RS-232串口通信电平接口转换芯片U7的14引脚连接GPRS接口COM0的2引脚。RS-232串口通信电平接口转换芯片U7的15引脚接地。RS-232串口通信电平接口转换芯片U7的16引脚连接3.3V数字电压输出端VDD3.3。RS-232串口通信电平接口转换芯片U7的其他引脚悬空。GPRS接口COM0的5引脚接地。GPRS接口COM0的其他引脚悬空。

如图7所示，雨量传感器采集的雨量信息，输出为脉冲信号，通过滤波电路滤波后，传输给控制器。水位传感器采集的水位信息，输出为4-20mA标准电流信号，通过I/V转换电路转换成标准电压信号后，传输给控制器。控制器通过对雨量、水位信号的处理后，将其转变为数字信号存储在存储模块中。并且，通过通信模块GPRS将数字信号传输给远程监测中心。

如图8所示，水情自动遥测***由雨量水位监测设备与远程监测中心组成。监测设备负责检测存储雨量、水位等水情信息，并通过GPRS网络与远程监测中心实现通信。远程监测中心接收、存储并处理信息，实现实时数据显示、历史数据分析及查询等功能。

该雨量水位监测设备工作过程如下：

型号为SRDCB的太阳能电板为12V24AH的光伏蓄电池充电，蓄电池提供12V电压，供给雨量、水位等传感器以及检测模块；12V电压通过以LM2596为核心的电压转换电路转换为5V电压，供给检测模块和GPRS模块；5V电压通过以LM1117为核心的电压转换电路转换为3.3V电压，供给通信模块、存储模块以及控制器模块。雨量、水位等传感器将采集的水情信息通过检测模块处理后传输给控制器，控制器将接收到的雨量、水位等水情信息存储到存储模块，并且通过GPRS将信息传输至远程监测中心。远程监测中心接收雨量、水位等水情信号数据，将其存储到数据库，并提供实时数据显示、历史数据分析及查询。

Claims

1.雨量水位监测设备，包括电源管理模块、检测模块、控制器模块、存储模块和通信模块；各模块均采用现有成熟技术，其特征在于：电源管理模块包括太阳能电板，光伏蓄电池，5V电压转换电路，3.3V电压转换电路；光伏蓄电池为雨量传感器、水位传感器和5V电压转换电路提供12V电压；5V电压转换电路，为检测模块中的滤波电路、I/V转换电路、通信模块中的GPRS模块和3.3V电压转换电路提供5V电压；3.3V电压转换电路为控制器模块、存储模块和通信模块中的串口通信电平接口转换电路提供3.3V电压，检测模块主要由雨量传感器，水位传感器，I/V转换电路和滤波电路组成，水位传感器输出的电流信号通过I/V转换电路，转换为控制器可接收的电压信号，雨量传感器通过滤波电路，将脉冲信号发送给控制器，控制器模块对电压信号和脉冲信号进行分析和处理，完成雨量、水位的信息采集，控制器模块采用LPC2300低功耗处理器作为核心，控制现场监测设备采集和存储雨量、水位等水情信息，并通过GPRS网络与监测中心通信，存储模块通过SPI接口与控制器连接，通信模块包括以MAX3232为核心的RS-232串口通信电平接口转换电路和GPRS模块，通信模块与控制器模块的UART0接口连接，RS-232串口通信电平接口电路电源端与3.3V电压转换电路的输出连接，GPRS模块采用型号为Siemens MC35的传输模块；

电压转换电路包括5V电压转换电路和3.3V电压转换电路，包括第一接插件P1，第一电容C1，第二电容C2，第三电容C3，第四电容C4，第五电容C5，第六电容C6，第七电容C7，第八电容C8，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3，第一电感L1，第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4，第一二极管D1、第二二极管DS1以及电压转换芯片U1、电压转换芯片U2；

第一接插件P1的1引脚和第一接插件P1的2引脚接地，第一接插件P1的3引脚与电压转换芯片U1的1引脚、第一电容C1的正极和12V的数字电压连接，第一电容C1的负极与U1的3引脚和U1的5引脚连接并接地，U1的2引脚连接第一二极管D1的一端，第一二极管D1的另一端接地，U1的2引脚连接第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端连接5V数字电压输出端VDD5，5V数字电压输出端连接第二电容C2的正极，第二电容C2的负极接地，U1的4引脚连接5V数字电压输出端VDD5，5V数字电压输出端VDD5连接第二电感L2的一端，第二电感L2的另一端连接第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端与5V模拟电压输出端AVDD5连接，第三电感L3的一端接地，第三电感L3的另一端连接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端连接模拟地AGND，模拟电压输入端AVDD5连接第三电容C3正极，第三电容C3负极连接模拟地AGND；

U2的1引脚接地，U2的2引脚连接3.3V电压输出端VDD3.3，U2的2引脚连接第六电容C6的正极，第六电容C6的负极接地，U2的2引脚连接第七电容C7的一端，第七电容C7的另一端接地，U2的3引脚连接5V数字电压输出端VDD5，U2的3引脚连接第四电容C4的一端，第四电容C4的另一端接地，U2的3引脚连接第五电容C5的正极，第五电容C5的负极接地，3.3V数字电压输出端VDD3.3连接第二二极管DS1的一端，第二二极管DS1的另一端接地，3.3V数字电压输出端VDD3.3连接第四电感L4的一端，第四电感L4的另一端连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接3.3V模拟电压输出端AVDD3.3，3.3V模拟电压输出端AVDD3.3连接第八电容C8的正极，第八电容C8的负极接地；

检测模块电路包括滤波电路和I/V转换电路，包括第二接插件P2、第三接插件P3，第九电容C9、第十电容C10，第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7，以及放大器芯片U5A；

第二接插件P2的1引脚接地，第二接插件P2的2引脚连接第五电阻R5的一端，第五电阻R5的另一端连接放大器芯片U5A的3引脚，第二接插件P2的2引脚连接第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端连接模拟地AGND，第二接插件P2的3引脚连接12V电压VDD12，放大器芯片U5A的1引脚连接控制器的P0_23Y引脚，放大器芯片U5A的2引脚连接放大器芯片U5A的1引脚，放大器芯片U5A的3引脚连接第九电容C9的一端，第九电容C9的另一端连接模拟地AGND，放大器芯片U5A的4引脚连接模拟地AGND，放大器芯片U5A的11引脚与5V模拟电压AVDD5连接；

第三接插件P3的1引脚连接12V电压VDD12，第三接插件P3的2引脚接地，第三接插件P3的3引脚连接第六电阻R6的一端，第六电阻R6的另一端连接5V数字电源端VDD5，第三接插件P3的3引脚连接第七电阻R7的一端，第七电阻R7的另一端连接第十电容C10的一端，第十电容C10的另一端接地，第七电阻R7一端连接第三接插件P3的3引脚，另一端连接控制器的P1_26引脚；

控制模块电路包括控制器芯片U3，第十一电容C11，第八电阻R8，以及复位芯片U4，***复位电路采用MAX811专用复位芯片，具备上电复位和手动复位两种模式，***上电后，复位芯片给nRST引脚低电平信号，使控制器复位；

复位芯片U4的1引脚接地，复位芯片U4的1引脚连接第十一电容C11的一端，第十一电容C11的另一端、复位芯片U4的4引脚与3.3V数字电压输出端VDD3.3连接，复位芯片U4的2引脚连接第八电阻R8的一端，第八电阻R8的另一端连接控制器nRST引脚，复位芯片U4的3引脚连接控制器SYS_RES引脚；

通信模块电路包括第九电阻R9，存储芯片U6，存储芯片U6的2引脚连接3.3V数字电压输出端VDD3.3，存储芯片U6的7引脚连接控制器P0_16引脚，存储芯片U6的8引脚连接控制器P0_17引脚，存储芯片U6的9引脚连接第九电阻R9的一端，第九电阻R9的另一端连接3.3V数字电压输出端VDD3.3，存储芯片U6的10引脚接地，存储芯片U6的15引脚连接控制器P0_18引脚，存储芯片U6的16引脚连接控制器P0_15引脚，存储芯片U6的其他引脚悬空。