CN108204848A - 一种水位和径流量数据采集和处理***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水位和径流量数据采集和处理***及方法，该***包括水位和径流量数据采集终端和数据中心，所述水位和径流量数据采集终端和数据中心之间为无线通信链路；所述水位数据采集终端包括雷达水位传感器和超声波多普勒流速传感器、控制电路、数据采集电路、电流转换电路、GPS模块和GPRS无线通信模块，所述控制电路分别与数据采集电路、电流转换电路、GPRS无线通信模块连接，所述电流转换电路与雷达水位传感器连接，所述数据采集电路和超声波多普勒流速传感器、GPS模块连接，所述电流转换电路、数据采集电路、GPRS无线通信模块依次连接。本发明操作简单、使用方便、成本低廉、效益良好。
Description
技术领域
本发明属于水利工程技术领域，涉及一种水位和径流量数据采集和处理***及方法。
背景技术
全球气候变化背景下的水文变化已成为研究热点，全球水资源日益短缺,日益频繁的洪水和干旱迫使研究人员与决策者获取实时且高精度的水文观测数据，以满足研究人员与决策者对水资源优化调度及生态决策的制定的需要。
基于以上对数据采集与决策的迫切需求，需要加强对关注热点区域的水文和气候变化规律，并结合空间范围尺度进行精确定量化研究。因此，亟待探索一种适用于不同观测区域和不同气象条件下的可便捷的、准确的采集与处理水位和径流量数据的技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水位和径流量数据采集和处理***及方法。达到以下目的：
(1)实现对于水库、湖泊、河流水位数据和河流径流量数据的实时准确采集和计算，测量范围0-35m(雷达水位传感器探头到水面距离，注：实际水位＝雷达水位传感器探头到水底距离-雷达水位传感器探头到水面距离)，测量精度±3mm；(2)实现对于水库、湖泊和河流水位数据，河流径流量数据及相关数据(参见附录表2水位观测数据表)的采集、编码和无线数据传输；(3)在数据中心数据库服务器实现水库、湖泊、河流水位数据和河流径流量数据的接收和存储；(4)实现对存储在数据中心的水位数据和河流径流量数据的共享和发布。
其具体技术方案为：
一种水位和径流量数据采集和处理***，包括水位和径流量数据采集终端和数据中心，所述水位和径流量数据采集终端和数据中心之间为无线通信链路；所述水位数据和河流流速采集终端包括雷达水位传感器、超声波多普勒流速传感器、控制电路、数据采集电路、电流转换电路、GPS模块和GPRS无线通信模块，所述控制电路分别与数据采集计算电路、电流转换电路、GPRS无线通信模块连接，所述电流转换电路与雷达水位传感器、超声波多普勒流速传感器连接，所述数据采集电路和GPS模块连接，所述电流转换电路、数据采集电路、GPRS无线通信模块依次连接；所述数据中心包括实时通信服务器、数据库服务器、WebGIS服务器、局域网、Web服务器、Internet网络、便携电脑、PDA；
所述水位和径流量数据采集终端通过雷达水位传感器、超声波多普勒流速传感器自动观测河流水位和流速，采集计算水位和流量数据，通过观测装置控制电路内置嵌入式软件自动根据水位、流速和河流断面积计算河流径流量。所述雷达水位传感器位于水面上方，所述控制电路定时启动雷达水位传感器准确测量超声波传感器探头到水面距离，结合超声波探头到水底距离得到水位数据，其中水位＝超声波探头到水底距离-探头到水面距离；采用非接触式激光多普勒流速测量仪远程测量河流流速，径流量＝河流断面积×流速，公式：Q＝A×V，其中Q为径流量，A为河流断面面积，V为流速。河流断面积A由观测装置控制电路内置嵌入式软件通过河流观测位置河流水位和径流量关系表查表计算得出。所述控制电路通过GPS模块得到数据采集时间和观测位置经纬度；
所述数据采集电路采用UDP无线通信协议，通过GPRS无线通信模块对16进制编码水文数据进行远程无线数据传输；
所述数据服务器通过连接网络的实时通信服务器接收并解析数据采集电路通过GPRS无线通信模块传输的16进制数据；
所述远程控制计算机通过实时通信服务器向水位和径流量数据采集终端发送指令读取终端工作状态并设置数据采集频率；
所述Web服务器自动扫描水文数据库并通过Web服务器发布水位和径流量数据。
所述WebGIS服务器根据观测点的经纬度在电子地图上显示观测点的空间地理位置和水位和径流量数据。
进一步，所述控制电路中设有SD卡，所述SD卡自动保存水位和径流量数据、采集时间和观测位置经纬度。
进一步，所述数据中心的数据库服务器设有数据处理模块，将水位和径流量数据、采集时间和观测位置经纬度自动存储在数据服务器的水文数据库中。
进一步，所述数据中心的数据库服务器设有数据分析模块，根据水文数据库观测水位和径流量的时间序列计算出水位和径流量随时间和季节和气象变化情况并自动给出统计分析结果。
进一步，所述数据中心的数据库服务器设有数据分析模块，通过水位、径流量数据和气象数据建立洪水或干旱预警***，当水位和径流量达到洪水水位和径流量阈值时发布洪水预警信息，连续观测降至干旱水位和径流量阈值时启动干旱缺水预警或枯水预警信息。
一种水位和径流量数据采集和处理方法，包括如下步骤：
步骤(1)、确定观测位置，架设雷达水位传感器和超声波多普勒流速传感器，测量雷达水位传感器探头与水底距离dwb，从测量的稳定度和精准度考虑，在雷达水位传感器探头正下方水面安放圆形浮标；
步骤(2)、接通电源给雷达水位传感器和超声波多普勒流速传感器供电，雷达水位传感器输出为4-20mA电流信号，通过电流转换电路和控制电路，将雷达水位传感器输出电流信号转换为采用RS485串行数据通信协议的16进制编码串行数据，超声波多普勒流速传感输出RS485通信协议数据；
步骤(3)、数据采集电路通过GPRS无线数据传输模块采用UDP协议向数据中心无线传输16进制编码并采用CRC循环冗余校验算法附加校验位的水位和径流量数据；
步骤(4)、连接Internet并具有固定IP的数据中心服务器通过自动运行的数据接收程序自动接收并解析16进制编码的水位和径流量数据；数据处理程序根据dwb和dws计算出水位数据并存储于水位数据库中；
步骤(5)、数据发布程序定时自动扫描数据库并通过Web服务器向访问水位数据的授权用户实时按照数据表格式发布水位数据。或者根据用户端查询条件给出符合查询要求的水位和径流量数据；WebGIS服务器根据观测点的经纬度在电子地图上显示观测点的空间地理位置，授权用户可以通过鼠标单击电子地图上观测点的图标弹出窗口动态数据，主要包括观测点水位和径流量数据、雷达水位传感器信息、流速仪信息、观测点图片。数据中心服务器数据分析程序可自动根据水位数据库观测水位和径流量的时间序列计算出水位和径流量随时间和季节和气象变化情况并自动给出统计分析结果。输出要素为年、月、季度、日水位最大值、最小值均值和年、月、季度、日累计径流量。根据气象观测数据和水位数据进行水位、降水及气温的相关性分析和评估；
步骤(6)、在步骤(5)分析的基础上通过水位、径流量数据和气象数据建立洪水或干旱预警***，当水位和径流量达到洪水水位阈值时发布洪水预警信息，连续观测降至干旱水位和径流量时启动干旱缺水预警或枯水预警信息。
进一步，步骤(2)中，将雷达水位传感器输出电流信号转换为采用RS485串行数据通信协议的16进制编码串行数据的具体转换过程为：首先数据采集电路通过雷达水位传感器输出电流计算传感器距离水面浮标距离dws(distance of water surface)并将其转换为RS485数据，传感器探头距离水面距离dws＝(雷达水位传感器输出电流值-4mA)×雷达水位传感器量/(20mA-4mA)。在试验中所用传感器量程0-35m，那么dws＝(雷达水位传感器输出电流值-4mA)×35/(20mA-4mA)＝2.1875×(雷达水位传感器输出电流值-4mA)。如果雷达水位传感器输出电流值为4mA，那么根据以上计算公式计算得到dws＝0，通过水位标尺测量的传感器探头至水底距离dwb(distance of water bottom)，那么传感器探头距离水面距离dws＝0m，水位dw(depth of water)＝dwb-dws＝dwb-0＝dwb，如果雷达水位传感器电流值＝20mA,那么传感器探头距离水面距离dws＝35m，水位dw＝dwb-35。水位计算在数据中心服务器上根据dwb、dws、水位传感器量程和计算公式自动完成。径流量Q＝河流断面积A×流速V，观测装置控制电路内置嵌入式软件对串行RS485水位数据进行16进制编码并应用CRC循环冗余校验算法生成数据的校验位。
进一步，步骤(5)中，符合查询要求的水位和径流量数据为某一时段所有观测量的水位和径流量数据或某一观测点的所有时间序列的水位和径流量数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明操作简单、使用方便、成本低廉、效益良好。
附图说明
图1为水位和径流量数据采集和处理***的原理图；
图2为数据采集电路、电流转换电路和控制电路原理图，其中，图2A为数据采集电路，图2B为电流转换电路，图2C为控制电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
如图1-图2所示，一种水位和径流量数据采集和处理***，包括水位数据采集终端和数据中心，所述水位和径流量数据采集终端和数据中心之间为无线通信链路；所述水位和径流量数据采集终端包括雷达水位传感器、超声波多普勒流速传感器、控制电路、数据采集电路、电流转换电路、GPS模块和GPRS无线通信模块，所述控制电路分别与数据采集电路、电流转换电路、GPRS无线通信模块连接，所述电流转换电路与雷达水位传感器和流速连接，所述数据采集电路和GPS模块连接，所述电流转换电路、数据采集电路、GPRS无线通信模块依次连接；所述数据中心包括实时通信服务器、数据库服务器、WebGIS服务器、局域网、Web服务器、Internet网络、便携电脑、PDA；
所述水位和径流量数据采集终端自动观测河流水位和流速，通过实时采集的水位和流速数据应用径流量计算方法计算得到河流的水位和径流量数据，所述雷达水位传感器位于水面上方，所述控制电路定时启动雷达水位传感器准确测量超声波传感器探头到水面距离，结合超声波探头到水底距离得到水位数据，其中水位＝超声波探头到水底距离-探头到到水面距离；所述控制电路通过GPS模块得到数据采集时间和观测位置经纬度；
所述数据采集电路采用UDP无线通信协议，通过GPRS无线通信模块对16进制编码数据进行无线数据传输；
所述数据服务器通过连接网络的实时通信服务器接收并解析数据采集电路通过GPRS无线通信模块传输的16进制数据；
所述远程控制计算机通过实时通信服务器向水位和径流量数据采集终端发送指令读取终端工作状态并设置数据采集频率；
所述Web服务器自动扫描水文数据库并通过Web服务器发布水位和径流量数据。
所述WebGIS服务器根据观测点的经纬度在电子地图上显示观测点的空间地理位置和水位及径流量数据。
所述控制电路中设有SD卡，所述SD卡自动保存水位和径流量数据、采集时间和观测位置经纬度。
所述数据中心的数据库服务器设有数据处理模块，将水位和径流量数据、采集时间和观测位置经纬度自动存储在数据服务器的水文数据库中。
所述数据中心的数据库服务器设有数据分析模块，根据水位和径流量数据库观测水位和径流量的时间序列计算出水位和径流量随时间和季节和气象变化情况并自动给出统计分析结果。
所述数据中心的数据库服务器设有数据分析模块，通过水位、径流量数据和气象数据建立洪水或干旱预警***，当水位和径流量达到洪水水位阈值时发布洪水预警信息，连续观测降至干旱水位和径流量阈值时启动干旱缺水预警或枯水预警信息。
一种水位和径流量数据采集和处理方法，包括如下步骤：(1)确定观测位置并架设雷达水位传感器和超声波多普勒流速传感器；(2)将雷达水位传感器输出的电流信号转换为RS485数据；(3)利用GPRS模块向数据中心传输数据；(4)数据中心接收数据、解析数据并存储在水位和径流量数据库中(表2)；(5)数据发布程序访问并以B/S模式通过计算机网络发布水文数据库中的水位和径流量数据。
实施例1
以河流水位和径流量测量为例，具体方法如下：(1)首先确定观测位置和所用雷达水位传感器型号、测量范围、测量精度、工作温度、输出信号和工作电压。选用测量精度较高，满足测量要求的SEBAPULS30雷达水位传感器和超声波多普勒流速传感器。(2)在观测位置按照安装规范安放和架设雷达水位传感器、浮标和超声波多普勒流速传感器，测量雷达水位传感器距水底距离dwb(观测位置固定和雷达水位传感器固定后，雷达水位传感器探头距离水底距离dwb为常数)；(3)接通蓄电池12VDC电源，通过电流信号转换电路将雷达水位传感器输出电流信号、观测点经纬度数据、转换为RS485数据；超声波多普勒流速传感器运用多普勒原理，采用遥距测量的方式，测量水的流速；(4)电路对RS485数据进行16进制编码，采用CRC循环冗余校验算法以补充校验位保障无线数据传输的可靠性。(5)电路通过GPRS无线通信模块和Internet将编码后的水位和径流量数据无线传输至数据中心数据库服务器。(6)数据中心数据库服务器接收、解析采集端发送的水位和径流量数据并将按照附录中表2水位观测数据表格式在数据库中存储水位和径流量数据。(7)数据中心通过WebGIS服务器发布水位和径流量数据WebServices，授权用户通过可实时监控雷达水位传感器的工作情况并可访问发布的水位和径流量数据。(8)重复前面步骤。
表1 SEBAPULS30雷达水位传感器技术参数
| 测量范围 | 0-35m |
| 测量精度 | ±3mm |
| 工作温度 | -40～+80℃ |
| 输出信号 | 电流：4-20mA |
| 工作电压 | 12VDC或24VDC |
(SEBAPULS系列雷达水位传感器原理：SEBAPULS系列雷达水位传感器是利用微波脉冲通过天线发射并接受。雷达水位传感器雷达波以光速运行，运行时间可以通过高速电路被转换为水位信号。SEBAPULS系列雷达水位传感器测量不受温度、湿度、风速、降雨等环境因素影响。雷达水位传感器以非接触方式测量水位，不受水体影响。雷达波的测距精度为毫米级，水位计通过内部波浪滤波功能，SEBAPULS30雷达水位传感器实测水位精度可达1至2厘米，量程范围最大可达35米(雷达探头到水面的距离)。SEBAPULS系列雷达水位传感器输出信号为电流：4-20mA)
表2超声波多普勒流量传感器技术参数
| 测量流速范围 | 0.02m/s～5.00m/s |
| 测量分辨率 | 1mm/s |
| 精度 | 测量流速的±2～3％ |
| 工作温度 | 0～50℃ |
| 输出信号 | RS485 |
| 工作电压 | 12VDC～15VDC |
表3水位和径流量数据表
(注：表3中数据dws：(distance of water surface)雷达水位传感器探头距离水面距离；dwb：(distance of water bottom)雷达水位传感器探头至水底距离；水位dw：(depth of water)，dw＝dwb-dws；A：河流断面积)
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种水位和径流量数据采集和处理***，其特征在于，包括水位数据采集终端和数据中心，所述水位数据采集终端和数据中心之间为无线通信链路；所述水位数据采集终端包括雷达水位传感器、控制电路、数据采集电路、电流转换电路、GPS模块和GPRS无线通信模块，所述控制电路分别与数据采集电路、电流转换电路、GPRS无线通信模块连接，所述电流转换电路与雷达水位传感器连接，所述数据采集电路和GPS模块连接，所述电流转换电路、数据采集电路、GPRS无线通信模块依次连接；所述数据中心包括实时通信服务器、数据库服务器、WebGIS服务器、局域网、Web服务器、Internet网络、便携电脑、PDA；
所述水位和径流量数据采集终端自动观测河流、湖泊水位，采集水位数据和河流径流量数据，所述雷达水位传感器位于水面上方，所述控制电路定时启动雷达水位传感器准确测量超声波传感器探头到水面距离，结合超声波探头到水底距离得到水位数据，其中水位＝超声波探头到水底距离-探头到水面距离，径流量Q＝河流断面积A×流速V，所述控制电路通过与数据采集电路连接的GPS模块得到数据采集时间和观测位置经纬度；
所述数据采集电路采用UDP无线通信协议，通过GPRS无线通信模块对16进制编码数据进行无线数据传输；
所述数据服务器通过连接网络的实时通信服务器接收并解析数据采集电路通过GPRS无线通信模块传输的16进制数据；
所述远程控制计算机通过实时通信服务器向水位数据采集终端发送指令读取终端工作状态并设置数据采集频率；
所述Web服务器自动扫描水文数据库并通过Web服务器发布水位和径流量数据；
所述WebGIS服务器根据观测点的经纬度在电子地图上显示观测点的空间地理位置和水位、径流量数据。
2.根据权利要求1所述的水位和径流量数据采集和处理***，其特征在于，所述控制电路中设有SD卡，所述SD卡自动保存水位数据、采集时间和观测位置经纬度。
3.根据权利要求1所述的水位和径流量数据采集和处理***，其特征在于，所述数据中心的数据库服务器设有数据处理模块，将水位和径流量数据、采集时间和观测位置经纬度自动存储在数据服务器的水文数据库中。
4.根据权利要求1所述的水位和径流量数据采集和处理***，其特征在于，所述数据中心的数据库服务器设有数据分析模块，根据水文数据库观测水位和径流量的时间序列计算出水位和径流量随时间和季节和气象变化情况并自动给出统计分析结果。
5.根据权利要求1所述的水位和径流量数据采集和处理***，其特征在于，所述数据中心的数据库服务器设有数据分析模块，通过水位、径流量数据和气象数据建立洪水或干旱预警***，当水位和径流量达到洪水水位和径流量阈值时发布洪水预警信息，连续观测降至干旱水位和径流量阈值时启动干旱缺水预警或枯水预警信息。
6.一种水位和径流量数据采集和处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)、确定观测位置，架设雷达水位传感器和超声波多普勒流速传感器，测量雷达水位传感器探头与水底距离dwb，从稳定度和精准度的情况考虑，在雷达水位传感器探头正下方水面安放圆形浮标；
步骤(2)、接通电源给雷达水位传感器和超声波多普勒流速传感器供电，雷达水位传感器输出为4-20mA电流信号，通过电流转换电路和控制电路，将雷达水位传感器输出电流信号转换为采用RS485串行数据通信协议的16进制编码串行数据，超声波多普勒流速传感器输出采用RS485串行通信协议的流速数据；
步骤(3)、数据采集电路通过GPRS无线数据传输模块采用UDP协议向数据中心无线传输16进制编码并采用CRC循环冗余校验算法附加校验位的水位和径流量数据；
步骤(4)、连接Internet并具有固定IP的数据中心服务器通过自动运行的数据接收程序自动接收并解析16进制编码的水位数据；数据处理程序根据dwb和dws计算出水位数据并将水位数据和径流量数据存储于水位数据库中；
步骤(5)、数据发布程序定时自动扫描数据库并通过Web服务器向访问水位数据的授权用户实时按照数据表格式发布水位和径流量数据；或者根据用户端查询条件给出符合查询要求的水位和径流量数据，WebGIS服务器根据观测点的经纬度在电子地图上显示观测点的空间地理位置，授权用户通过鼠标单击电子地图上观测点的图标弹出窗口动态数据，主要包括观测点水位和径流量数据、雷达水位传感器信息、超声波多普勒流速传感器信息、观测点图片；数据中心服务器数据分析程序自动根据水位数据库观测水位的时间序列计算出水位和径流量随时间和季节和气象变化情况并自动给出统计分析结果；输出要素为年、月、季度、日水位最大值、最小值均值和年、月、季度、日累计径流量，根据气象观测数据和水位数据进行水位、径流量、降水及气温的相关性分析和评估；
步骤(6)、在步骤(5)分析的基础上通过水位和径流量数据和气象数据建立洪水或干旱预警***，当水位和径流量达到洪水水位和径流量阈值时发布洪水预警信息，连续观测降至干旱水位和径流量时启动干旱缺水预警或枯水预警信息。
7.根据权利要求6所述的水位和径流量数据采集和处理方法，其特征在于，步骤(2)中，将雷达水位传感器输出电流信号转换为采用RS485串行数据通信协议的16进制编码串行数据的具体转换过程为：首先通过雷达水位传感器输出电流计算传感器距离水面浮标距离dws并将其转换为RS485数据，传感器探头距离水面距离dws＝(雷达水位传感器输出电流值-4mA)×雷达水位传感器量/(20mA-4mA)；在试验中所用传感器量程0-35m，那么dws＝(雷达水位传感器输出电流值-4mA)×35/(20mA-4mA)＝2.1875×(雷达水位传感器输出电流值-4mA)；如果雷达水位传感器输出电流值为4mA，那么根据以上计算公式计算得到dws＝0，通过水位标尺测量的传感器至水底距离dwb，水位dw＝dwb-dws＝dwb，如果雷达水位传感器电流值＝20mA,那么dws＝35m，水位dw＝dwb-35；水位计算在数据中心服务器上根据dwb、dws、水位传感器量程和计算公式自动完成；处理器对水位和径流量数据进行16进制编码并应用CRC循环冗余校验算法生成数据的校验位。
8.根据权利要求6所述的水位和径流量数据采集和处理方法，其特征在于，步骤(5)中，符合查询要求的水位和径流量数据为某一时段所有观测量的水位和径流量数据或某一观测点的所有时间序列的水位和径流量数据。
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