本實用新型涉及明渠流量計量技術領域，尤其涉及一種明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置。
背景技術：
目前，國家正在進行水資源稅試點項目，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。實時的在線監(jiān)測、準確的計量是實現(xiàn)節(jié)水灌溉的基礎條件。因此，這就對農(nóng)田灌溉用水實時監(jiān)測、計量準確度和自動化程度提出了新的要求。
目前，明渠的流量計量方法有很多，但是隨著實時在線監(jiān)測和自動化程度要求的提高，都存在一些不足。常用的流量計量方法有：流速面積法，該方法需要人工操作，實時性和自動化程度低；堰槽法，該方法可以準確測量流量，但測量精度受淤泥影響大；采用價格昂貴的進口設備進行在線監(jiān)測和計量。
大部分灌溉明渠的閘門處沒有電源，所以對在線監(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。另外設備安裝在戶外，需要有防盜和防破壞功能。
技術實現(xiàn)要素：
本實用新型的目的是針對明渠灌溉用水計量提出的新的要求，以及解決現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種高度集成、低功耗、高準確度、自動化的明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置。
為了實現(xiàn)本實用新型的目的，所采用的技術方案是：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、閘后水位計、閘門開度儀、箱門狀態(tài)傳感器、電池、移動終端和服務器，在線監(jiān)測器通過有線通信電路分別與閘前水位計、閘后水位計、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、閘后水位計、閘門開度儀識別明渠的堰流和閘孔出流的工況，服務器通過無線通信電路與在線監(jiān)測器進行數(shù)據(jù)交互，移動終端通過服務器與在線監(jiān)測器進行數(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、放置角度及放置位置的變化，閘前水位計和閘后水位計均通過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行自動補償，結合逐次逼近迭代算法計算明渠過閘流量，GPRS/CDMA通信模塊用于實現(xiàn)MCU控制器與服務器的無線連接。
作為本實用新型的優(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、閘后水位計、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實現(xiàn)。
作為本實用新型的優(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，震動傳感器用于監(jiān)測明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置的震動情況。
本實用新型具有積極的效果：1)本實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計，降低了整體成本，簡化了安裝流程。本實用新型采用低功耗模塊設計，單個電池可連續(xù)工作3年以上，可以應用于無電源供給的場所；相對太陽能供電方式，節(jié)約了成本，降低了破壞和盜竊的風險。多傳感器組合的安防功能，提高了報警靈敏度，而且通過無線網(wǎng)絡將安防信息實時上傳服務器并可以以短信的方式發(fā)送給指定的移動終端。本實用新型通過無線網(wǎng)絡接口實現(xiàn)遠程監(jiān)測和控制并在無線信號覆蓋不到的區(qū)域可以啟用備用的北斗信道進行數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)信號覆蓋無死角，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、以及明渠的相關特征參數(shù)，自動識別堰流、閘孔出流工況，按照不同的工況對計算結果進行自動補償，并結合逐次逼近迭代算法提高流量計算的精度。裝置的無線信道可以連接4個服務器，可以很好的滿足多個服務器的要求，并可以根據(jù)服務器的級別設置不同的權限。
2)本實用新型實現(xiàn)了對明渠過閘流量計量裝置高度集成化、低功耗、安全防盜、高度自動化、以及計量精度的要求，為實現(xiàn)節(jié)水灌溉提供全面、準確的計量數(shù)據(jù)。
附圖說明
下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型作進一步詳細的說明。
圖1是本實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，3、閘后水位計，4、閘門開度儀，5、箱門狀態(tài)傳感器，6、電池，7、移動終端，8、服務器，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。
具體實施方式
在本實用新型的描述中，需要理解的是，術語“徑向”、“軸向”、“上”、“下”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，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、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。在本實用新型的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。
在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“安裝”、“設置”、“連接”應做廣義理解，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。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。
如圖1所示，本實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2、閘后水位計3、閘門開度儀4、箱門狀態(tài)傳感器5、電池6、移動終端7和服務器8，在線監(jiān)測器1通過有線通信電路分別與閘前水位計2、閘后水位計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2、閘后水位計3、閘門開度儀4識別明渠的堰流和閘孔出流的工況，服務器8通過無線通信電路與在線監(jiān)測器1進行數(shù)據(jù)交互，移動終端7通過服務器8與在線監(jiān)測器1進行數(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。移動終端7可以是手機或PC機，通過安裝APP實現(xiàn)相應的查看和控制功能。
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、放置角度及放置位置的變化，閘前水位計2和閘后水位計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行自動補償，結合逐次逼近迭代算法計算明渠過閘流量，GPRS/CDMA通信模塊14用于實現(xiàn)MCU控制器13與服務器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的直流信號采集，可根據(jù)需求連接相應的智能傳感器。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，輸出接點的容量可達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2、閘后水位計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實現(xiàn)。其中，低功耗電源模塊11使用低靜態(tài)損耗和低關斷損耗的高頻線性穩(wěn)壓器，通過與MCU控制器13組合實現(xiàn)低功耗，整個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，根據(jù)需要通過多路直流模擬量采集電路采集相關數(shù)據(jù)并計算流量，并將數(shù)據(jù)上傳給服務器8和數(shù)據(jù)存儲，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和停止，從而滿足低功耗的需求。休眠模式時，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，震動傳感器用于監(jiān)測明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置的震動情況。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實時時鐘模塊，RTC實時時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，時間不會丟失；MCU控制器13還連接有存儲模塊，存儲模塊存儲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2和閘后水位計3相連，實現(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4路服務器8，MCU控制器13通過GPRS/CDMA通信模塊14實現(xiàn)與服務器8的無線通信交互，其中第4路服務器8可作為維護服務器，實現(xiàn)裝置遠程軟件升級等維護功能；
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，通過多路直流模擬量采集電路實時監(jiān)測所需傳感器的數(shù)據(jù)，當明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置發(fā)生震動、放置角度及放置位置的變化，均可實時監(jiān)測，當變化幅度大于設定值時，將及時上報服務器8以及短信報警；在休眠模式，提高震動傳感器的靈敏度，發(fā)生震動時通過IO接口喚醒MCU控制器13進入工作模式，從而實現(xiàn)安防功能，另外箱門狀態(tài)發(fā)生變化時可以通過IO接口喚醒MCU控制器13進入工作模式，實現(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)存儲使用SPI接口形式的32M存儲容量的Flash。
明渠的同一位置最多支持三個閘門開度儀4的接入，閘門開度儀4選擇拉繩式閘位計。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個閘門的開度、以及明渠的相關特征參數(shù)，自動識別堰流、閘孔出流工況，按照不同的工況對計算結果進行自動補償，并結合逐次逼近迭代算法提高流量計算的精度。
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器8進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)遠程數(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路服務器，第1路用于與省級數(shù)據(jù)中心通信，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測；第2路用于與市級數(shù)據(jù)中心通信，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測；第3路用于與區(qū)縣級數(shù)據(jù)中心通信，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測、遠程控制；第4路用于與廠家維護服務器連接，實現(xiàn)遠程參數(shù)設置、遠程軟件升級等功能?？蛻舳塑浖?如：手機APP，PC端瀏覽器)可以通過服務器與明渠過閘流量在線監(jiān)測裝置進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測、遠程控制和遠程維護功能。在一些GPRS和CDMA信號都無法覆蓋的地區(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。
應當理解，以上所描述的具體實施例僅用于解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。由本實用新型的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本實用新型的保護范圍之中。