CN114220251A - 一种水位监测预警电路、方法和电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水位监测技术领域，尤其涉及一种水位监测预警电路、方法和电子设备，电路包括MCU和多个信号检测单元，多个信号检测单元分别与所述MCU相连，多个信号检测单元之间并联；多个信号检测单元分别设于不同的水平高度，信号检测单元用于检测所处水平高度的水位信号，当信号监测单元内部电路导通，信号检测单元产生水位信号并发送MCU；MCU收到水位信号判断是否发出预警信号。本发明提供的水位监测预警电路，利用水具有一定的导电能力的特点，当水淹没信号检测单元后，信号检测单元发出所处位置的水位信号，MCU检测到水位信号高于警戒值时则发出预警信号至预警***，方便预警***及时作出响应。

Description

一种水位监测预警电路、方法和电子设备

技术领域

本发明涉及水位监测技术领域，尤其涉及一种水位监测预警电路、方法和电子设备。

背景技术

目前的水位监测方案分两种：

一种是机械方式，即通过水的浮力推动与水位监测筒滑动连接的浮板，通过观察检测筒的刻度线来判断水位。然而该方案需要人工实时观察，效率极低，并且无法保证工作人员的安全。

另一种是通过电子预警方案，但仅限于小范围区域，并且只是在洪水到达某个水位点才开始预警，如果瞬时降雨量较大，会出现预警不及时的情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水位监测预警电路，旨在实现水位上升速度和降雨量的瞬时监测，及时发出预警。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种水位监测预警电路，包括：

MCU和多个信号检测单元，多个所述信号检测单元分别与所述MCU相连，多个所述信号检测单元之间并联；

多个所述信号检测单元分别设于不同的水平高度，所述信号检测单元用于检测所处水平高度的水位信号，当所述信号检测单元内部电路导通，所述信号检测单元产生水位信号并发送MCU；

所述MCU根据所述水位信号判断是否发出预警信号。

进一步地，所述信号检测单元包括第一电极、第二电极和开关管组件，所述第一电极与所述第二电极位于同一水平位置，所述第一电极与第二电极之间具有预定距离，所述第一电极与电源相连，所述第二电极与所述开关管组件相连，所述开关管组件与所述MCU的输入接口相连；

若所述第一电极与所述第二电极通电导通，所述信号检测单元产生水位信号并发送至所述MCU。

进一步地，所述开关管组件为三极管，所述三极管的基极与所述第二电极相连，所述三极管的发射集接地，所述三极管的集电极与MCU的输入接口相连，所述三极管的集电极还连接电阻的一端，所述电阻的另一端与电源相连。

进一步地，所述开关管组件为NMOS管或MOS管，所述输入接口为GPIO。

相应地，还提供一种电子设备，所述电子设备包括上述的水位监测预警电路。

相应地，还提供一种水位监测预警方法，所述方法包括以下步骤：

当信号检测单元中的第一电极和第二电极连通时，所述信号检测单元通过开关组件发送出电平信号至MCU；

MCU根据收到的所述电平信号将所述信号检测单元对应的GIPO电平拉低；

MCU根据GIPO电平的状态判断是否发出预警信号。

进一步地，所述“MCU根据GIPO电平的状态判断是否发出预警信号”具体包括：

MCU判断拉低的GIPO电平对应的信号检测单元所处位置是否为警戒位置，或者是否高于警戒位置，如果是，所述MCU则发出预警信号。

进一步地，所述“MCU根据GIPO电平的状态判断是否发出预警信号”具体包括：

MCU记录两个相邻信号检测单元对应的GIPO电平被拉低的时间点，分别为第一时间点和第二时间点；

MCU根据所述第一时间点和第二时间点计算出时间差；

MCU获取两个相邻信号检测单元所处位置的高度，并计算得到两个相邻信号检测单元之间的高度差；

MCU根据所述高度差和所述时间差的比值计算得到水位上升速度；

MCU判断水位上升速度是否大于预定速度，如果是，所述MCU则发出预警信号。进一步地，所述“MCU根据GIPO电平的状态判断是否发出预警信号”具体包括：

MCU记录两个相邻信号检测单元对应的GIPO电平被拉低的时间点，分别为第一时间点和第二时间点；

MCU根据所述第一时间点和第二时间点计算出时间差；

MCU获取两个相邻信号检测单元所处位置的高度，并计算得到两个相邻信号检测单元之间的高度差；

MCU计算两个相邻信号检测单元之间的区域容积；

MCU根据所述时间差、高度差和区域容积计算得到水位上升速度；

MCU判断水位上升速度是否大于预定速度，如果是，所述MCU则发出预警信号。

进一步地，所述“MCU计算两个相邻信号检测单元之间的区域容积”具体包括：

建立三维坐标系，通过测绘技术获取两个相邻信号检测单元之间区域的地形地貌的尺寸信息，并在三维坐标系中绘制两个相邻信号检测单元之间区域的立体图形，最后利用积分法计算出区域容积；

所述积分法是将获取的立体图形分割为n个底面为1cm²的小立方体，每个小立方体的体积加起来即为区域容积，即区域容积

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的水位监测预警电路，利用水具有一定的导电能力的特点，当水淹没信号检测单元后，信号检测单元发出所处位置的水位信号，MCU检测到水位信号高于警戒值时则发出预警信号至指挥中心，方便指挥中心及时作出响应；除此之外，本发明通过设置多个信号检测单元在不同的高度，满足不同高度的水位监测需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明实施例水位监测预警电路示意图；

图2是本发明实施例信号检测单元的示意图；

图3是本发明另一实施例水位监测预警电路示意图；

图4是本发明实施例水位监测预警***示意图；

图5是本发明实施例水位监测预警方法流程图。

附图标记：

100-MCU；200-信号检测单元；210-第一电极；220-第二电极；300-无线通信模块；400-预警***。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本发明中涉及“第一”“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

图1为本发明提供的水位监测预警电路实施例的示意图。

请参考图1，该实施例用于水位的监测预警，具体包括MCU100和若干个信号检测单元200。若干个信号检测单元200分别与MCU100相连，若干个信号检测单元200之间并联。

其中多个信号检测单元200分别设于不同的水平高度，信号检测单元200用于检测所处水平高度的水位信号，当信号监测单元200被水淹没时内部电路导通，信号检测单元200将检测的水位信号发送MCU；MCU100为微控制单元，MCU收到水位信号判断是否发出预警信号至预警***，预警***可以为防汛指挥中心。

具体地，如图2所示，信号检测单元200包括第一电极210、第二电极210和开关管组件230。其中，第一电极210与第二电极220位于同一水平位置，第一电极210与第二电极220之间具有一定的距离，在保证不短路的情况下两个电极可以靠近放置，避免距离太远导致误测，具体地，距离大小范围可在5～8mm之间。第一电极210与电源VCC相连，第二电极220与开关管组件230相连，开关管组件230与MCU100的输入接口相连。当第一电极210与第二电极220被水淹没时，由于水具有一定的导电能力，此时水充当第一电极210和第二电极220之间的导电介质，信号检测单元200的回路导通，信号检测单元200产生水位信号传递至MCU100。

本实施例中，开关管组件230可以选用为三极管、NMOS或者其他开关。下面以三极管为例进一步说明，图2中的开关管组件230为三极管，MCU的输入接口为GPIO，三极管的基极与第二电极220相连，三极管的发射集接地，三极管的集电极与MCU的GPIO相连接，三极管的集电极还连接电阻的一端，电阻的另一端与电源VCC相连。一旦信号检测单元中的第一电极210和第二电极220被水淹没，两者之间的电路导通，此时该信号检测单元对应的GPIO被拉低，MCU通过被拉低的GPIO来判断水位高低。

本实施例中，还包括无线通信模块300，无线通信模块300通过UART总线或I2C总线与MCU100相连，MCU100发出的预警信息通过无线通信模块300以无线的形式发送至预警***。

本实施例在具体应用中，可根据实际情况选择增加或减少信号检测单元200的个数。通过多个信号检测单元200组合的方式判断水位高低、获取水位上升速度和瞬时降雨量信息，获得的数据更准确、可靠，能够为指挥中心的防汛工作提供可靠的数据支撑。一般来说，信号检测单元200和GPIO的数量越多，信号检测单元200中的第一电极210与第二电极220的位置越近，则监测的数据越精确。然而对于洪水监测预警，本实施例电路主要是作为预警的手段，因此信号检测单元200的数量不必过多，一般来说从区域地形最低点开始放置，三到五个即可满足预警需求，具体可根据当地地形适当增减。

具体地，在本实施例中，信号检测单元200的数量选用4个，如图3所示，四个信号检测单元200从区域的最低点往上依次设置，依次为第一信号检测单元、第二信号检测单元、第三信号检测单元和第四信号检测单元，相邻信号监测单元200之间的距离可以相同，也可以不同，并且距离越近，监测的数据越精确。以郑州特大暴雨为例，1小时降雨量达到600mm，为了安全起见，需要让指挥中心在10分钟内获得预警信息，通过计算可以得到：600mm/60min*10min＝100mm，那么在相邻信号监测单元200的间距至少要为100mm。信号检测单元200对应的MCU100中的GIPO数量也为四个，从上往下分别为GPIO1、GPIO2、GPIO3和GPIO4。

各信号检测单元的GPIO电平-水位状态表如下：

GPIO1	GPIO2	GPIO3	GPIO4	水位状态
					1	1	1	0	低
1	1	0	0	中
					1	0	0	0	高
0	0	0	0	预警

如上表所示，当水位到达第一信号检测单元的位置时，此时第一信号检测单元的电路连通，输出水位信号至GPIO4，拉低GPIO4的电平，其余GPIO1、GPIO2和GPIO3为高电平，MCU判断此时水位为低水位。当水位到达第二检测单元的位置时，GPIO3和GPIO4为低电平，GPIO1和GPIO2为高电平，MCU判断此时水位为中水位；当水位达到第三检测单元的位置时，GPIO2、GPIO3和GPIO4为低电平，GPIO1为高电平，MCU判断此时水位为高水位；当水位到达第四检测单元的位置时，此时所有的GPIO都为低电平，MCU此时判断水位超过警戒位置，发出预警信号至预警***进行预警。

本发明提供的水位监测预警电路实施例，利用水具有一定的导电能力的特点，当水淹没信号检测单元后，信号检测单元发出所处位置的水位信号，MCU检测到水位信号高于警戒值时则发出预警信号至指挥中心，方便指挥中心及时作出响应。

本发明还提供一种电子设备实施例，该电子设备安装有上述的水位监测预警电路。将该设备设于水位监测点，通过电子的方式实现水位监测，使得水位监测更加及时，并且可以替代人工现场监测，确保监测工作人员的安全。

图4为本发明提供的水位监测预警***实施例的示意图。

请参考图4，该***实施例包括上述的水位监测预警电路实施例，还包括预警***400，水位监测预警电路将发出的预警信号通过无线通信的方式发送至基站，基站将收到的预警信号发送至预警***400。

由于本实施例中的水位监测预警电路具有无线通信模块，因此本***实施例具备远程数据上传功能，可在全市范围内铺设，并通过总***统一管理各个区域数据，方便防汛办及时掌握全市范围内积水情况及瞬时降雨量，方便指导民众避难。可用于城市防汛或江河沿岸洪灾预警方案。

本发明还提供一种水位监测预警方法实施例，该方法实施例通过上述的水位监测预警电路实现，如图5所示，具体包括以下步骤：

S100、信号检测单元检测所处位置的水位信号

当水位的水位涨到到达信号检测单元的所处位置后，水位会将信号检测单元中第一电极和第二电极的连通，进而将信号检测单元的电路导通，此时信号检测单元通过三极管发送出一个电平信号至MCU中。

S200、判断水位信号是否为警戒水位

MCU收到信号检测单元发出的电平信号后，信号检测单元对应的GIPO电平被拉低，MCU通过被拉低的GPIO判断水位的高低，若拉低的GPIO满足警戒水位的条件则发出预警信号。

MCU发出的预警信号通过无线通信模块发送至预警***，进而完成预警工作。

本实施例中，还包括获取水位上升速度的步骤，MCU判断水位上升速度是否满足预定速度，若满足，则发出预警信号。具体地，获取水位上升速度包括以下步骤：

S300、计算相邻信号检测单元发出的水位信号之间的时间差

第一信号检测单元与第二信号检测单元为相邻的信号检测单元。当水位到达第一信号检测单元后，第一信号检测单元发出水位信号至MCU，MCU中对应的GPIO拉低，MCU记录GPIO拉低的时间点，设该时间点为第一时间点；当水位到达第二信号检测单元后，第二信号检测单元发出水位信号至MCU，MCU中对应的GPIO拉低，MCU记录GPIO拉低的时间点，设该时间点为第二时间点。MCU对第一时间点与第二时间点相减计算得到时间差。

S400、计算相邻信号检测单元之间的高度差

MCU根据第一信号检测单元所处位置的高度，以及第二信号检测单元所处位置的高度，将两者相减得到高度差。

S500、根据高度差和时间差的比值得到水位上升速度。

本实施例方法除了利用两个相邻信号检测单元对应GPIO拉低的时间间隔，配合被检测区域地形计算出水位上升速度外，还可以计算得到瞬时降雨量。

具体地，若被测量区域为规则区域，例如在一个规则的100m*100m*10m的立方体区域，相邻两个信号检测单元之间的间隔为0.5m，在10min内水位从第一信号检测单元涨到第二信号检测单元的位置，则水位的上升速度为0.05m/min，洪水将在100min内上升到距离最低点5m的位置，并且对应的降雨量为50mm/min。

若被测量区域为不规则区域，则可以通过测绘技术建立数学模型。具体地，可以建立三维坐标系，通过测绘技术获取不规则区域地形地貌的尺寸信息，并在坐标系中绘制不规则区域的立体图，最后利用积分法计算出体积，从而计算出被测量区域不同海拔高度以下的容积，进一步获取水位上升速度及降雨量信息。

其中，积分法计算体积内容如下：将获得的立体图形分割为n个底面为1cm²的小立方体，每个小立方体的体积加起来即为区域容积即

本发明实施例提供的方法一旦检测到水位高于警戒值或水位上升速度/瞬时降雨量高于某个值，MCU及时将水位信息及水位上涨速度通过无线网络传递给指挥中心(预警***)，方便指挥中心及时作出响应。

对应地，本发明还提供一种计算机可读存储介质实施例，计算机可读存储介质上存有储水位监测预警方法的程序，基于水位监测预警方法的程序可被一个或者多个处理器执行，以实现水位监测预警方法的步骤。处理器通常包括单片机，包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

综上所述，本发明以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种水位监测预警电路，其特征在于，包括：

MCU和多个信号检测单元，多个所述信号检测单元分别与所述MCU相连，多个所述信号检测单元之间并联；

多个所述信号检测单元分别设于不同的水平高度，所述信号检测单元用于检测所处水平高度的水位信号，当所述信号检测单元内部电路导通，所述信号检测单元产生水位信号并发送MCU；

所述MCU根据所述水位信号判断是否发出预警信号。

2.根据权利要求1所述的一种水位监测预警电路，其特征在于，

所述信号检测单元包括第一电极、第二电极和开关管组件，所述第一电极与所述第二电极位于同一水平位置，所述第一电极与第二电极之间具有预定距离，所述第一电极与电源相连，所述第二电极与所述开关管组件相连，所述开关管组件与所述MCU的输入接口相连；

若所述第一电极与所述第二电极通电导通，所述信号检测单元产生水位信号并发送至所述MCU。

3.根据权利要求2所述的一种水位监测预警电路，其特征在于，所述开关管组件为三极管，所述三极管的基极与所述第二电极相连，所述三极管的发射集接地，所述三极管的集电极与MCU的输入接口相连，所述三极管的集电极还连接电阻的一端，所述电阻的另一端与电源相连。

4.根据权利要求2所述的一种水位监测预警电路，其特征在于，所述开关管组件为NMOS管或MOS管，所述输入接口为GPIO。

5.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1～4任一项所述的水位监测预警电路。

6.一种水位监测预警方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

当信号检测单元中的第一电极和第二电极连通时，所述信号检测单元通过开关组件发送出电平信号至MCU；

MCU根据收到的所述电平信号将所述信号检测单元对应的GIPO电平拉低；

MCU根据GIPO电平的状态判断是否发出预警信号。

7.根据权利要求6所述的一种水位监测预警方法，其特征在于，所述“MCU根据GIPO电平的状态判断是否发出预警信号”具体包括：

MCU判断拉低的GIPO电平对应的信号检测单元所处位置是否为警戒位置，或者是否高于警戒位置，如果是，所述MCU则发出预警信号。

8.根据权利要求6所述的一种水位监测预警方法，其特征在于，所述“MCU根据GIPO电平的状态判断是否发出预警信号”具体包括：

MCU记录两个相邻信号检测单元对应的GIPO电平被拉低的时间点，分别为第一时间点和第二时间点；

MCU根据所述第一时间点和第二时间点计算出时间差；

MCU获取两个相邻信号检测单元所处位置的高度，并计算得到两个相邻信号检测单元之间的高度差；

MCU根据所述高度差和所述时间差的比值计算得到水位上升速度；

MCU判断水位上升速度是否大于预定速度，如果是，所述MCU则发出预警信号。

9.根据权利要求6所述的一种水位监测预警方法，其特征在于，所述“MCU根据GIPO电平的状态判断是否发出预警信号”具体包括：

MCU记录两个相邻信号检测单元对应的GIPO电平被拉低的时间点，分别为第一时间点和第二时间点；

MCU根据所述第一时间点和第二时间点计算出时间差；

MCU获取两个相邻信号检测单元所处位置的高度，并计算得到两个相邻信号检测单元之间的高度差；

MCU计算两个相邻信号检测单元之间的区域容积；

MCU根据所述时间差、高度差和区域容积计算得到水位上升速度；

MCU判断水位上升速度是否大于预定速度，如果是，所述MCU则发出预警信号。

10.根据权利要求9所述的一种水位监测预警方法，其特征在于，所述“MCU计算两个相邻信号检测单元之间的区域容积”具体包括：

建立三维坐标系，通过测绘技术获取两个相邻信号检测单元之间区域的地形地貌的尺寸信息，并在三维坐标系中绘制两个相邻信号检测单元之间区域的立体图形，最后利用积分法计算出区域容积；

所述积分法是将获取的立体图形分割为n个底面为1cm²的小立方体，每个小立方体的体积加起来即为区域容积，即区域容积

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