CN202102582U - 一种水文状况监测*** - Google Patents

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魏剑平
樊勇
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Abstract

本实用新型提供了一种水文状况监测***，包括：一个或多个无线网关、上位机；一个或多个用于采集水文数据并上报给所述无线网关的无线传感器节点设备；各所述无线网关分别用于从本无线网关覆盖范围内的一或多个无线传感器节点设备接收水文数据，汇聚后发送给所述上位机，以及从所述上位机接收配置命令发送给所述无线传感器节点设备。本实用新型能够实现低成本、低复杂度的水文监测相关的传感器数据的采集、监测。

Description

一种水文状况监测***
技术领域
本实用新型涉及监测领域，具体涉及一种水文状况监测***。 
背景技术
城区主要河道既是景观河道又是城区主要排洪通道，城市雨洪管理面临着一些特殊问题。一方面，保持城市景观需要河道运行在较高水位；另一方面，局地暴雨产生较大径流入河，如不及时控制河道水位将影响排水的效率，甚至造成顶托和城区积水。为满足精细化调度的目标，迫切需要掌握内城河湖及管网的水位、流量、工程基础参数等信息，为合理、有效、及时地进行城区河湖水流调度提供一种技术手段。 
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种水文状况监测***，能够实现低成本、低复杂度的水文监测相关的传感器数据的采集、监测。 
为了解决上述问题，本实用新型提供了一种水文状况监测***，包括： 
一个或多个无线网关、上位机； 
一个或多个用于采集水文数据并上报给所述无线网关的无线传感器节点设备； 
各所述无线网关分别用于从本无线网关覆盖范围内的一或多个无线传感器节点设备接收水文数据，汇聚后发送给所述上位机；从所述上位机接收配置命令发送给所述无线传感器节点设备。 
优选地，所述无线传感器节点设备包括： 
采集电路，用于采集水文数据； 
无线射频电路，用于发送水文数据和接收配置命令； 
微处理器，用于将变化幅度超出预置的对应阈值范围的水文数据通过所述无线射频电路发送。 
优选地，所述无线传感器节点设备还包括： 
定时时间为采集周期的定时器，用于在定时时间到达时启动所述无线射频电路发送所述水文数据。 
优选地，所述无线传感器节点设备还包括： 
电压自检电路，用于进行定时电压自检，将检测到的电压发送给所述无线网关，以及当电压正常时，向所述无线网关发送心跳信号。 
优选地，所述无线传感器节点设备还包括： 
用于与外界交互水文数据和/或参数的蓝牙接口。 
优选地，所述无线网关包括： 
用于接收全球定位***GPS卫星的授时信号的GPS芯片； 
用于根据该授时信号进行本无线网关的时间校准，以及对本无线网关覆盖区域内的各无线传感器节点设备进行时间校准的校时模块。 
优选地，所述无线传感器节点设备和无线网关包括直流供电和太阳能供电***的接口。 
优选地，所述上位机包括： 
数据接收模块，用于接收网络上传来的水文数据； 
数据发送模块，用于进行配置命令的封装； 
数据转换模块，用于将采集到的水文数据从物理量原始值转换成物理量真实值； 
数据存储模块，用于保存采集到的水文数据，以及各所述无线传感器节点设备的唯一标识信息和该无线传感器节点设备坐标之间的对应关系。 
本实用新型的技术方案能解决目前水文数据监测站分散、布线难、户外供电难、成本高、同步精度低的问题，提高了水务工作的效率，降低了人工劳动强度，实现了水文数据的实时无人监测，促进了水务监测、水流调度之 间的数据共享，为防汛调度等提供了更加精细化的管理；另外，***组网、部署灵活、提升应急处理能力。数据采集、数据上传均采用无线传输，实施时免布线，可快速搭建***，大大降低了***部署的难度和成本，在应急处理时可迅速搭建采集***并为决策提供数据；而且***扩展性强，在原有***上扩展数据采集接点方便，适合大范围内的***搭建，例如城市、地区的泛在网接入。 
本实用新型的优化方案能使全网全设备的时间同步精确，这对实时展现水情数据具有重要意义；且时间能够精确到ms级，这对数据的实时性和同步性具有重要的意义。 
本实用新型的另一个优化方案可采用智能数据采集发送模式，只在水情数据隐含潜在险情的情况下才发送数据，而水文数据常态期和水文险情数据持续期相比远远大于后者，可大大减少通过无线网关上传的网络流量，从而显著地降低无线带宽租用费用，同时也降低了网关的网络负载。 
本实用新型的又一个优化方案能够在采集丰富水文数据的同时监测设备自身的健康状态，提醒用户进行设备维护，提高了水务信息化的智能化水平。 
本实用新型的又一个优化方案能采用太阳能供电***，解决水文数据监测区域供电难的问题；能量自供应，解决了监测站点无电源的问题。 
本实用新型的又一个优化方案在实现水文数据采集的同时，对水文数据采集的传感器节点设备进行了标识，有利于对设备的管理；进一步地，利用巡检***可以现场检查参数和数据，大大提高了监管水平。 
附图说明
图1为实施例一的水文状况监测***的示意框图； 
图2为实施例一的无线传感器节点设备的上报水文数据的流程图； 
图3为实施例一的水文数据上行传输流程示意图； 
图4为实施例一的下行配置、命令数据传输流程图； 
图5为实施例一的报警配置模块的报警处理示意图。 
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本实用新型的技术方案进行更详细的说明。 
需要说明的是，如果不冲突，本实用新型实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本实用新型的保护范围之内。 
本文中所说的水文数据，不仅包括环境中的水情数据，如水位、流速等，也包括水文工程或设备的工情数据，如闸门开度等。 
实施例一，一种水文状况监测***，如图1所示，包括：一个或多个无线网关、上位机； 
一个或多个用于采集水文数据并上报给所述无线网关的无线传感器节点设备； 
各所述无线网关分别用于从本无线网关覆盖范围内的一或多个无线传感器节点设备接收水文数据，汇聚后发送给所述上位机；从所述上位机接收配置命令发送给所述无线传感器节点设备。 
本实施例中，所述无线传感器节点设备可以但不限于包括闸门开度无线传感器设备、无线水位传感器设备、无线流量传感器设备等各种可获得水文数据的无线传感器设备。 
本实施例中，可以在一个监测站点配置一个或多个无线传感器节点设备，如果是比较大的监测站点，还可以配置一个或多个无线网关。 
本实施例中，所述无线网关可以但不限于为GPRS无线网关。 
所述无线传感器节点设备的数据上报方式可根据所述配置命令设置，可以但不限于包括以下三种： 
(1)即时上报；所述无线传感器节点设备当收到设置为该数据上报方式的配置命令后，采集当前的水文数据并上报； 
(2)周期上报；所述无线传感器节点设备当收到设置为该数据上报方式的配置命令后，周期性上报采集的水文数据；水文数据可以是事先采集好的，也可以是在上报前临时采集的，还可以是一直采集并缓存水文数据，当上报的周期到达时统一上报； 
(3)智能上报；所述无线传感器节点设备当收到设置为该数据上报方式的配置命令后，从所采集的水文数据中，筛选出变化幅度超出对应的阈值范围的水文数据上报；各类水文数据分别对应不同的阈值范围，该阈值范围可以预置在无线传感器节点设备中，直接在无线传感器节点设备中更改，也可以通过配置命令设置或更改。 
以上数据上报方式可组合使用，比如同时采用周期上报和智能上报；再比如采用周期上报和/或智能上报时，如果需要当前数据，则可以通过配置命令要求一次即时上报。 
本实施例中，所述无线传感器节点设备可以包括： 
采集电路，用于采集水文数据； 
无线射频电路，用于发送水文数据和接收配置命令； 
微处理器，用于将变化幅度超出预置的对应阈值范围的水文数据通过所述无线射频电路发送。 
本实施例中，所述无线传感器节点设备还可以包括定时时间为采集周期的定时器，用于在定时时间到达时启动所述无线射频电路发送所述水文数据。 
本实施例中，所述微处理器还可以当收到要求即时上报的配置命令时启动所述无线射频电路发送所述水文数据。 
实际应用中，所述上位机还可以发送其它用途的配置命令，以控制所述无线网关或无线传感器节点设备执行命令，或配置参数。 
本实施例中，各所述无线网关可以分别和与本无线网关覆盖范围内的无线传感器节点设备构成一无线个人局域网PAN；覆盖区域内各无线传感器节点设备上报的水文数据可通过该无线PAN实现汇聚与融合，还可以通过该无线PAN接收所述上位机的配置命令。 
本实施例中，所述无线传感器节点设备还可以用于进行自组网路由，能够将所在的无线PAN里不可直达该无线PAN中无线网关的无线传感器节点设备上报的水文数据转发给该无线网关；反方向地，能够将该无线PAN中无线网关的下行配置命令转发到该无线PAN中目的无线传感器节点设备。 
本实施例中，所述无线网关可以包括： 
用于接收GPS(Global Positioning System，全球定位***)卫星的授时信号的GPS芯片； 
用于根据该授时信号进行本无线网关的时间校准，以及对本无线网关覆盖区域内的各无线传感器节点设备进行时间校准的校时模块。 
本实施例中，各所述无线传感器节点设备还用于在发送水文数据给无线网关时，在所发送的水文数据中增加时间戳。 
可见，本实施例中，所述无线网关能够通过GPS卫星的授时信号进行时间校准，进而对所在的无线PAN区域内的所有无线传感器节点设备进行时间校准；这样就能保证该无线PAN内的准确时间同步。一个水文数据监测***下会有若干个无线PAN，这样能够保证全监测***下所有设备的精确同步；通过无线传感器节点设备采集丰富的水文数据后加盖精确的时间戳，通过无线网关设备集中汇聚，统一发送到上位机为进行显示、数据分析拟合以及记录备案，为上位机的实时展现工情和水情数据提供基础。 
本实施例中，所述无线传感器节点设备还可以包括一电压自检电路，用于进行定时电压自检，将检测到的电压发送给所述无线网关，以及当电压正常时，向所述无线网关发送心跳信号，以提供本身的健康指数。 
所述无线网关还可以用于当未收到覆盖范围内一个无线传感器节点设备发送的心跳信号超过一时间阈值时，通知所述上位机该无线传感器节点设备故障。 
本实施例中，所述无线传感器节点设备与所述无线网关之间的数据交互可采用应答机制，以保证数据传输的可靠性。 
本实施例中，所述无线传感器节点设备还可以包括蓝牙接口，用于接收蓝牙命令，可通过蓝牙方式与外界交互水文数据和/或参数等；这样就可以利用巡检***现场检查参数，通过蓝牙读写器与手机软件结合实现移动用户对现场水文数据的采集。 
本实施例中，为适应不同的安装环境，可根据供电条件，无线传感器节点设备和无线网关还可以包括可直流供电和太阳能供电***的接口。 
本实施例中，所述上位机还可用于以列表和折线图的方式实时展现工情 和水情数据，为用户提供***配置、***数据查询、***维护等功能，并且，提供与其它***的共享接口，如与水流调度***的接口，为水流调度***提供依据。 
本实施例中，无线传感器节点设备上报水文数据的一种实现流程如图2所示，包括： 
步骤S201：接收到上位机的配置命令，解析出配置参数，并配置“数据上报方式”；如果配置为周期上报，则还可以配置上报的周期长度；如果配置为智能上报，则还可以配置各类水文数据的阈值范围，比如可以配置时间长度(比如N分钟，N为正整数)，及在该时间长度内的正、负增量阈值(也可以只配置一个增量阈值，用变化量的绝对值进行比较)； 
步骤S202：如果无线传感器节点设备接收到上位机下发的要求采用即时上报方式的配置命令“召测实时数据命令”，则进行步骤S206；在没收到“召测实时数据命令”时进行步骤S203； 
步骤S203：若数据上报方式为周期上报，则进行步骤S204，如果数据上报方式为智能上报，则进行步骤S205； 
步骤S204：无线传感器节点设备按照配置的周期进行水文数据采集，并发送水文数据，直到报送完毕，返回步骤S202； 
步骤S205：根据水文数据的变化量，无线传感器节点设备决定是否应向上位机发送数据，若传感器物理量原始值单位时间变化量(比如在N分钟内的变化量，N为正整数)超出[负增量阈值，正增量阈值]区间，则向上位机发送水文数据；直到报送完毕，返回步骤S202； 
步骤S206：无线传感器节点设备立即报送实时水文数据，直到报送完毕，返回步骤S202。 
如图3所示，为上一例子中水文数据上行传输流程示意图，水文数据上行传输主要经过以下几步： 
步骤S301：无线传感器节点设备发送的条件触发，触发条件有三个：a)步骤S202中收到“召测实时数据命令”；b)步骤204中采集周期到达；c)步骤205中，采集到的物理量原始值在指定时间长度的变化量超出[负增量阈 值，正增量阈值]区间； 
步骤S302：无线传感器节点设备对水文数据进行包的封装形成数据包P，并经由无线射频发送出去； 
步骤S303：数据包P在自组网中路由； 
步骤S304：数据包P到达无线网关，无线网关进行水文数据汇聚； 
步骤S305：无线网关将汇聚后的数据经由GPRS发送给上位机。 
当上行数据发送到无线网关后，无线网关会发送应答包，无线传感器节点设备与无线网关之间的包交互可采用应答机制，保证数据传输的可靠性。 
如图4所示，为本实施例中下行配置命令传输流程图。下行配置命令传输流程分如下几个步骤： 
步骤S401：在上位机上生成配置命令，以对特定设备进行参数配置或发送命令，上位机的发送模块将配置命令封装成配置命令包进行发送； 
步骤S402：配置命令包经由专网、GPRS移动网络到达目的无线网关； 
步骤S403：若无线网关判断该配置命令包是发送给本无线网关的，则进行包解析，并按照解析出的配置命令，进行参数配置或执行命令；如果是发送给本无线网关覆盖范围中的某无线传感器节点设备的，则进行步骤S404； 
步骤S404：无线网关转发配置命令包； 
步骤S405：配置命令包经自组网路由后最终到达目的无线传感器节点设备； 
步骤S406：无线传感器节点设备进行包解析，按照解析出的配置命令，进行参数配置或者执行命令。 
本实施例中，所述上位机具体可以包括以下模块中的任一个或任几个： 
数据接收模块，用于接收网络上传来的水文数据； 
数据发送模块，用于进行配置命令的封装并发送； 
数据转换模块，用于将采集到的水文数据从物理量原始值通过公式计算转换成物理量真实值(如：厘米、米/秒等)； 
数据存储模块，用于保存采集到的水文数据，以及各所述无线传感器节 点设备的唯一标识信息和该无线传感器节点设备坐标之间的对应关系；还可以用于根据综合考虑数据库容量以及实时性能的问题，设置数据库所存储的数据的上限和历史报警数据的上限；还可以用于保存各监测站点的无线传感器节点设备配置了哪些传感器，各传感器的类型，物理量名称以及单位等。 
所述上位机还可以包括以下模块中的任一个或任几个： 
数据上报方式配置模块，用于将某个或某些无线传感器节点设备的数据上报方式配置为周期上报和/或智能上报； 
召测实时数据命令模块，用于当用户对某个或某些监测点的数据感兴趣时，可通过该模块发送召测实时数据命令，用户可即时获得相关数据； 
实时数据显示模块，用于以列表和折线图的方式实时展示水文数据，且可列表显示无线传感器节点设备的节点号、名称、采样时间、物理量原始值、物理量真实值、板载电压、以及在线/离线状态； 
***配置模块，用于配置本上位机和生成配置命令；可配置上位机按照所述实时数据显示模块的显示模式、每页日志显示条数、报警突出显示颜色等等，管理水文数据实时监测网络如无线传感器节点设备和无线网关的添加、修改和删除，并在监测站点和设备之间建立对应的关系； 
所述上位机还可以包括以下模块中的任一个或任几个： 
报警和日志显示查询模块，用于基于设备本身的板载电压值和心跳数据产生设备本身的报警信号，提醒维护人员进行相关维护，实现***的健康状态自监测；还用于显示设备的板载电压值和心跳数据，设置一个时间阈值，若在设定时间内没有接收到节点心跳数据，则判断该节点为离线，否则为在线；设置一个板载电压报警值，板载电压过低时报警显示；还用于对软件的异常以及发送的数据进行统一记录，日志文件保存一周以上的记录； 
历史数据查询模块，用于通过节点号、采样时间查询保存在数据库中的历史数据以及历史报警数据，并以折线图的形式显示； 
web访问模块，用于方便用户对上位机的灵活访问； 
开放数据接口，用于实现友方***能顺利从本方***中取到各种水文数据。 
所述上位机还可以包括： 
专家分析***，用于以上、下游的水位代表相邻河段水位，或结合模型计算河道水面线，从而判断是否对排水入河口造成顶托；以及根据水位和闸门开度，结合水位-开度流量关系公式，计算出通过泵站出水池水流量，判断泵站是否正常运行、以及排水是否通畅。 
所述上位机还可以包括： 
报警配置模块，设置分别对应于不同报警区间的多个数值范围，以及分别对应于不同报警区间的多个采样周期；将本次上报的物理量原始值所在报警区间对应的采样周期，设置为新的传感器采样周期，并通知所述***配置模块下发相应的配置命令；另外，不同报警区间还可以分别对应于不同的报警方式，这样当物理量原始值落在不同报警区间时就可以采用不同的报警方式；可以为不同类型的传感器各设置其对应的多个数值范围。 
比如设置三个级别的报警值来划分出4个数值范围(4个报警区间)，分别有各自对应的采样周期，如图5所示，根据本次采样得到的物理量原始值的不同，判断该值落在哪一个报警区间，以决定下一次的采样周期； 
当物理量大于一级报警值时，为一级报警区间，采用该区间的采样周期；当物理量小于或等于一级报警值，大于二级报警值时，为二级报警区间，采用该区间的采样周期；当物理量小于或等于二级报警值，大于三级报警值时，为三级报警区间，采用该区间的采样周期；当物理量小于或等于三级报警值，为不报警区间，采用该区间的采样周期；实际应用中，每个报警区间的采样周期和报警区间的阈值可设置。 
本领域普通技术人员可以理解，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本实用新型不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。 
当然，本实用新型还可有其他多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型的权利要求的保护范围。 

Claims (8)

1.一种水文状况监测***，其特征在于，包括：
一个或多个无线网关、上位机；
一个或多个用于采集水文数据并上报给所述无线网关的无线传感器节点设备；
各所述无线网关分别用于从本无线网关覆盖范围内的一或多个无线传感器节点设备接收水文数据，汇聚后发送给所述上位机；从所述上位机接收配置命令发送给所述无线传感器节点设备。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述无线传感器节点设备包括：
采集电路，用于采集水文数据；
无线射频电路，用于发送水文数据和接收配置命令；
微处理器，用于将变化幅度超出预置的对应阈值范围的水文数据通过所述无线射频电路发送。
3.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述无线传感器节点设备还包括：
定时时间为采集周期的定时器，用于在定时时间到达时启动所述无线射频电路发送所述水文数据。
4.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述无线传感器节点设备还包括：
电压自检电路，用于进行定时电压自检，将检测到的电压发送给所述无线网关，以及当电压正常时，向所述无线网关发送心跳信号。
5.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述无线传感器节点设备还包括：
用于与外界交互水文数据和/或参数的蓝牙接口。 
6.如权利要求1到5中任一项所述的***，其特征在于，所述无线网关包括：
用于接收全球定位***GPS卫星的授时信号的GPS芯片；
用于根据该授时信号进行本无线网关的时间校准，以及对本无线网关覆盖区域内的各无线传感器节点设备进行时间校准的校时模块。
7.如权利要求1到5中任一项所述的***，其特征在于：
所述无线传感器节点设备和无线网关包括直流供电和太阳能供电***的接口。
8.如权利要求1到5中任一项所述的***，其特征在于，所述上位机包括：
数据接收模块，用于接收网络上传来的水文数据；
数据发送模块，用于进行配置命令的封装；
数据转换模块，用于将采集到的水文数据从物理量原始值转换成物理量真实值；
数据存储模块，用于保存采集到的水文数据，以及各所述无线传感器节点设备的唯一标识信息和该无线传感器节点设备坐标之间的对应关系。 
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