一种雷达水位遥测系统和方法与流程

1.本发明涉及液位测量领域，尤其涉及一种雷达水位遥测系统和方法。


背景技术：

2.为了消除水害以及充分合理利用水资源，我国从上个世纪开始实施对水文的监测，而随着科技的发展和人们对水利工程的重视，传统人工水文监测的方式已经不适应社会的发展，中小河流水文流速测量信息系统应运而生。目前，观测河流主要依靠接触式测量方式，该方法存在一定弊端，洪水期时测流十分困难，还会增加仪器的测量误差，且河流中的悬移物质会阻碍设备和缆线的正常工作，从而危害在现场进行水文测验技术人员的生命安全。而现有技术大采用的浮子水位计，泡在水里时间长，容易损坏，压力水位计，受的气压影响，测量水位数据不准确；高度计，随水流及水下物质影响，测量精度不高。水文监测系统需要在野外长时间工作和稳定的通信方式。
3.例如，一种在中国专利文献上公开的“水位采集装置”，其公告号cn105823530a，包括水位浮子( 1 )和水位检测器(4)，水位浮子(1)上安装有速度传感器(2)，控制器(3)包括监测模块、分析模块、测量模块和通讯模块，速度传感器(2)感应水位浮子(1)的升降速度并将感应信号传送给监测模块，监测模块将接收到的感应信号传送给分析模块，分析模块分析速度信号并控制测量模块对水位的测量时间间隔，检测模块与水位检测器(4)连接并将水位数据发送给通讯模块，通讯模块连接无线网络并通过无线网络将水位信号传送给服务器终端。但是上述方案采用水位浮子测量水位，但是浮子水位计收外界环境影响大，在有浪涌的情况下，存在水位数据准确度不高，需要人工修正的问题，且采用无线网络传输，数据传输抗干扰能力弱，传输范围有限的问题。


技术实现要素：

4.本发明是为了解决现有技术的水位遥测系统存在测量数据精确度不高，数据传输可靠性低的问题，提供一种测量精确，数据传输准确范围广的雷达水位遥测系统和方法。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种雷达水位遥测系统，包括上位机、下位机、rs232串口通信模块、vpdn通信模块和电源模块，所述vpdn通信模块连接上位机和下位机，所述下位机包括单片机控制模块、若干仪器；所述若干仪器和单片机控制模块之间采用rs232串口通信模块连接，所述若干仪器包括多参数水质分析仪、adcp检测仪、awac仪、探测杆和设置在探测杆上的气象仪、雷达水位仪、避雷针，所述雷达水位仪探测水面反射，根据水面反射时间确定雷达到水面深度，所述上位机控制仪器上电或下电，所述单片机控制模块设置在采集器内。下位机支持5分钟心跳帧，多参数水质分析仪采用rbr多参数水质分析仪，awac仪采用浪龙awac仪，气象仪采用gill气象仪；探测杆根据现场河道的实际情况确定安装位置和高度；雷达水位仪通过超声波雷达，探测水面反射，根据反射时间确定雷达到水面的深度，由于雷达发射探头设定在水面上方固定位置，通过雷法探头固定位置水平高度减去测量水面高度，即可得到水位高度。本系统用于监测河流湖泊水利运行情况，实
现河流水位流量的实时连续监测和远程监控，及时掌握主要支流、重点断面水源变化状况，并将检测数据实时的传送到各地水文监测站，提高河流洪水预报预警能力及防止流域洪涝事故，为政府职能部门，进行监控、评估和决策，加快水文现代化进程方面有着重大意义。
6.作为优选，所述电源模块包括太阳能板、电源控制器、蓄电池、电源开关和雷电保护模块、电源稳压模块，所述电源稳压模块输出端与单片机控制模块连接，所述电源稳压模块输入端与电源控制器连接，所述电源稳压模块与电源控制器之间设有电源开关，所述电源和太阳能控制器分别与电源控制器连接，所述雷电保护模块一端与电源稳压模输入端连接，所述雷电保护模块另一端与地连接。太阳能板为两块，功率为200~300w，12v输出，蓄电池为两块，参数为100ah，系统由太阳能和蓄电池供电，本雷达遥测系统电池容量配置大，适应野外长时间工作，降低碳排放，助于实现碳中和、碳达峰。
7.作为优选，所述若干仪器数据信号通过格雷编码器调制后输出。格雷编码需要专用解码模块解码，抗干扰能力极强，保证数据传送的可靠性。
8.作为优选，还包括存储模块和彩色显示屏，所述存储模块与彩色显示屏分别与单片机控制模块连接。彩色显示屏内置控制端，内置若干页面，所述页面包括第一页：启动页面；第二页：多参数显示页面；第三页：浪龙数据和太阳能控制数据页面；第四页：hadcp流量、流速等数据，气象仪数据信息；第五页：为与插座一一对应的接口定义，与插座所接仪表的串口波特率。
9.作为优选，所述vpdn通信模块包括dtu。利用稳定的4g、5g网络dtu，作为无线通信，覆盖范围广，通信可靠。
10.作为优选，所述雷达水位仪设置的水平位置为在高出海平面20米。雷达水位仪通过超声波雷达，探测水面反射，根据反射时间确定雷达到水面的深度，由于雷达发射探头设定在水面上方固定位置，通过雷法探头固定位置水平高度减去测量水面高度，即可得到水位高度。
11.一种雷达水位遥测方法，包括如下步骤：步骤s1：单片机接口初始化，仪器开机；步骤s2：仪器开始测量，将测量数据转换为数字信号；步骤s3：数字信号通过rs232接口，传送给单片机控制模块接收，经过计算和转换得到水位；步骤s5：采集器确认是否收到雷达水位数据，若否则回到步骤s1，若是则进行下一步；步骤s6：采集器将水位数据发送到dtu模块，并将数据保存在储存卡上备份；同时将测量实际数据显示在彩色显示屏上；步骤s6：dtu模块将水位数据按不同时间间隔，通过移动网络上传至服务器，并保持5分钟心跳，不断线。
12.作为优选，所述步骤s2包括：仪器测量数据包括气温、气压、湿度、雨露、风速风向、水位；仪器测量气压时，每3s测量一次,每日测量采集1min，测量精确度为0.1hpa；仪器测量气温时，每3s测量一次,每日测量采集1min，测量精确度为0.1℃；仪器测量湿度时，每3s测量一次,每日测量采集1min，湿度计量以百分率表示；
仪器测量雨露时，每1min测量一次，计量单位为滴；仪器测量风速风向时，每3s测量一次瞬时风速和相应风向，每日连续采样10min；仪器测量水位时，每1min测量一次，测量精确度为0.1min。
13.采集器接收测量数据进行计算和转换，对气压数据经误差处理后计算平均值，并从每日记录的1min气压值中取最高值和最低值为日最高气压和日最低气压保存；对气温数据经误差处理后计算平均值，并从每日记录的1min气温值中取最高值和最低值为日最高气温和日最低气温保存；湿度观测时以整数记录，并从每日记录的 1min湿度中挑选出最小值作为日最小湿度保存；统计当日雨露量的合计值；从每日记录的10min平均风速和相应风向中挑选出日最大风速和相应风向，从每日记录的瞬时风速和相应风向中，并挑选出日极大风速及相应风向。
14.作为优选，所述采集器按照mobbus协议采集水位数据。
15.作为优选，所述水位数据经过卷积码编码，然后将编码后的信号进行m-qam格雷编码调制，对m-qam格雷编码调制后的信号进行功率归一化，得到归一化调制信号；归一化调制信号经过rs232接口传送，采集器接收到归一化调制信号后根据信道冲激响应进行软解调。
16.作为优选，所述软解调包括对归一化调制信号进行软比特信息计算。软比特信息计算包括本级软比特信息计算包括将上一级软比特信息取绝对值与相应修正值相减，得到本级软比特信息。
17.因此，本发明具有如下有益效果：（1）本发明雷达水位仪将模拟信号直接转换成rs232信号通过格雷编码器加密传输，并可通过dtu进行无线通信，数据传输覆盖范围广，抗干扰能力强。（2）通过蓄电池和太阳能板协作为本系统供电，电池容量配置大，便于在野外长时间工作。（3）本系统通过若干仪器检测河流湖泊水利运行情况，实现河流水位流量的实时连续检测和远程监控，及时掌握主要支流、重点断面水源变化状况。
附图说明
18.图1是本发明一实施例的雷达水位遥测系统电路图。
19.图2是本发明一实施例的雷达水位遥测系统探测杆结构示意图。
20.图3是本发明一实施例的雷达水位遥测系统数据测量方法。
21.图中：1、rs232串口通信模块 2、dtu 3、太阳能板 4、电源控制器 5、蓄电池 6、电源开关 7、雷电保护模块 8、电源稳压模块 9、单片机控制模块 11、避雷针 12、探测杆 13、雷达探头 14、气象仪。
具体实施方式
22.下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
23.实施例：如图1~2所示的一种雷达水位遥测系统，由上位机、下位机、rs232串口通信模块1、vpdn通信模块和电源模块，所述vpdn通信模块连接上位机和下位机，上位机支持下位机交互命令、vpdn通信、具有与数据到报率统计功能；vpdn通信模块为dtu2。利用稳定的4g、5g网络dtu2，作为无线通信，覆盖范围广，通信可靠。
24.下位机支持5分钟心跳帧，下位机包括单片机控制模块9、若干仪器；所述若干仪器和单片机控制模块9之间采用rs232串口通信模块1连接，所述若干仪器包括rbr多参数水质分析仪、adcp检测仪、浪龙awac仪、探测杆12和设置在探测杆12上的gill气象仪14、雷达水位仪、避雷针11，气象仪14型号为wxt530、存储模块和彩色显示屏，所述存储模块与彩色显示屏分别与单片机控制模块9连接。彩色显示屏内置控制端，内置若干页面，所述页面包括第一页：启动页面；第二页：多参数显示页面；第三页：浪龙数据和太阳能控制数据页面；第四页：hadcp流量、流速等数据，气象仪14数据信息；第五页：为与插座一一对应的接口定义，与插座所接仪表的串口波特率。探测杆12根据现场河道的实际情况确定安装位置和高度；雷达水位仪通过超声波雷达，雷达探头13探测水面反射，根据反射时间确定雷达到水面的深度，由于雷达发射探头设定在水面上方固定位置，通过雷达探头13固定位置水平高度减去测量水面高度，即可得到水位高度。所述上位机控制仪器上电或下电，所述单片机控制模块9设置在采集器内。
25.电源模块包括太阳能板3、电源控制器4、蓄电池5、电源开关6和雷电保护模块7、电源稳压模块8，所述电源稳压模块8输出端与单片机控制模块9连接，所述电源稳压模块8输入端与电源控制器4连接，所述电源稳压模块8与电源控制器4之间设有电源开关6，所述电源和太阳能控制器分别与电源控制器4连接，所述雷电保护模块7一端与电源稳压模输入端连接，所述雷电保护模块7另一端与地连接。所述电源控制器4型号为lb01-60a-24v，太阳能板3为两块，功率为200~300w，12v输出，蓄电池5为两块，参数为100ah、12v，系统由太阳能和蓄电池5供电，本雷达遥测系统电池容量配置大，适应野外长时间工作，降低碳排放，助于实现碳中和、碳达峰。
26.一种雷达水位遥测系统，采用如图3所示的测量方法；步骤如下：步骤s1：单片机接口初始化，仪器开机；步骤s2：仪器开始测量，将测量数据转换为数字信号；步骤s3：数字信号通过rs232接口，传送给单片机控制模块9接收，经过计算和转换得到水位；步骤s5：采集器确认是否收到雷达水位数据，若否则回到步骤s1，若是则进行下一步；步骤s6：采集器将水位数据发送到dtu2模块，并将数据保存在储存卡上备份；同时将测量实际数据显示在彩色显示屏上；所述水位数据经过卷积码编码，然后将编码后的信号进行m-qam格雷编码调制，对m-qam格雷编码调制后的信号进行功率归一化，得到归一化调制信号；归一化调制信号经过rs232接口传送，采集器接收到归一化调制信号后根据信道冲激响应进行软解调。所述软解调包括对归一化调制信号进行软比特信息计算。软比特信息计算包括本级软比特信息计算包括将上一级软比特信息取绝对值与相应修正值相减，得到本级软比特信息。
27.步骤s6：dtu2模块将水位数据按不同时间间隔，通过移动网络上传至服务器，并保持5分钟心跳，不断线。
28.作为优选，所述步骤s2包括：仪器测量数据包括气温、气压、湿度、雨露、风速风向、水位；仪器测量气压时，每3s测量一次,每日测量采集1min，测量精确度为0.1hpa；
仪器测量气温时，每3s测量一次,每日测量采集1min，测量精确度为0.1℃；仪器测量湿度时，每3s测量一次,每日测量采集1min，湿度计量以百分率表示；仪器测量雨露时，每1min测量一次，计量单位为滴；仪器测量风速风向时，每3s测量一次瞬时风速和相应风向，每日连续采样10min；仪器测量水位时，每1min测量一次，测量精确度为0.1min。
29.采集器接收测量数据进行计算和转换，对气压数据经误差处理后计算平均值，并从每日记录的1min气压值中取最高值和最低值为日最高气压和日最低气压保存；对气温数据经误差处理后计算平均值，并从每日记录的1min气温值中取最高值和最低值为日最高气温和日最低气温保存；湿度观测时以整数记录，并从每日记录的 1min湿度中挑选出最小值作为日最小湿度保存；统计当日雨露量的合计值；从每日记录的10min平均风速和相应风向中挑选出日最大风速和相应风向，从每日记录的瞬时风速和相应风向中，并挑选出日极大风速及相应风向。
30.本系统用于监测河流湖泊水利运行情况，实现河流水位流量的实时连续监测和远程监控，及时掌握主要支流、重点断面水源变化状况，并将检测数据实时的传送到各地水文监测站，提高河流洪水预报预警能力及防止流域洪涝事故，为政府职能部门，进行监控、评估和决策，加快水文现代化进程方面有着重大意义。
31.本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
32.尽管本文较多地使用了串口通信模块、多参数水质分析、雨露、心跳、格雷编码器等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。