一种抗干扰窨井液位监测方法及系统与流程

1.本发明属于市政雨污水窨井液位监测技术领域，特别是一种抗干扰窨井液位监测方法及系统。


背景技术：

2.窨井下工况复杂，环境恶劣，大部分超声波液位监测设备易受井下梯子、线缆、井壁等障碍物的干扰，采集到的液位数据波动不稳定或者错误。
3.窨井是城市排水管网的重要组成部分，是方便日常检查、预防和疏通管道堵塞的重要设施，是智慧排水建设的重要内容。排水管理部门通过窨井水位监测可全面掌握排水管网的充满度，有效支撑排水管网的日常运维工作和汛期排涝联动。
4.数字信号处理技术是指数字信号处理理论的应用实现技术，它以数字信号处理理论、硬件技术、软件技术为基础和组成，研究数字信号处理算法及其实现方法。超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，
5.传统超声测量一般在空旷的环境使用，不存在障碍物遮挡，回波是由被测对象反射产生，测量相对稳定。由于窨井下空间狭小、环境复杂，井下梯子、线缆、井壁等障碍物对超声波反射产生虚假回波(非测量对象产生的回波)，在传统测量方法中，虚假回波会被识别成有效数据，造成测量数据大幅偏离真实值，给城市排水防涝造成极大隐患。
6.cn111076793a的专利文献公开了一种窨井专用液位测量装置及方法，具体包含控制模块、超声波探头、限幅电路、无源滤波电路，多级带通滤波电路，控制模块用于根据控制指令声称与超声波探头对应频率的频率信号；根据有效检测信号计算获得测量结果，超声波探头用于根据频率信号发射对应频率的超声波检测信号至被测区域，接受反馈的超声波反馈信号。该方案的显著缺点是：测量结果不够准确，适应性不强。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种抗干扰窨井液位监测方法，解决窨井复杂的工况下，稳定准确的采集液位信息的问题。
8.有鉴于此，本发明提供一种抗干扰窨井液位监测方法，其特征在于，包括：
9.采用编码方式产生超声波发射波形，获取窨井下空间的超声波回波信号；
10.接收所述超声波回波信号，采用iir零相移椭圆带通滤波算法对所述回波信号的波形进行滤波处理，再对滤波后的数据提取包络，查找极值，以计算液位数据；
11.通过虚假回波学习算法排除所述液位数据中的固定干扰数据进行鉴定确认，得到实际液位信息，利用nb-iot通讯将所述液位信息上传至服务器，获得窨井液位实时监测结果。
12.进一步地，接收所述超声波回波信号，获取窨井下空间的超声波回波信号，包括：
13.将接收到的所述超声波回波信号处理转化为回波包络曲线，通过对所述回波包络曲线进行分析，确定回波前沿到达的时间。
14.进一步地，采用编码方式产生超声波发射波形，获取窨井下空间的超声波回波信号，包括：
15.采用pwm编码方式控制超声波换能器发射特定序列的超声波，得到窨井下空间的超声波回波信号，将所述超声波回波信号经过放大电路进行放大，然后经过adc变为数字信号。
16.进一步地，通过虚假回波学习算法排除所述液位数据中的固定干扰数据进行鉴定确认，包括：
17.确定虚假回波设置值，存储所述虚假回波设置值范围以内所有的回波；
18.对所述虚假回波设置值范围以内所有的回波进行处学习理记录，获得回波的幅值和对应的距离值。
19.进一步地，对所述虚假回波设置值范围以内所有的回波进行处理记录，包括：
20.判断当未设置虚假回波时，第一次有效回波即正确回波；当设置了虚假回波时，先去掉学习记录的虚假回波，剩下回波中最靠前的为正确回波。
21.进一步地，还包括：判断当实际液位达到学习记录的虚假回波附近时，若实际液位的回波强度比学习记录的虚假回波的强度大6db时，不去掉虚假回波。
22.进一步地，采用iir零相移椭圆带通滤波算法对所述回波信号的波形进行滤波处理，包括：
23.首先，对所述回波信号的波形进行前向滤波；
24.其次，对前向滤波后的数据在时域做反转；
25.然后，对反转后的波形进行后向滤波；
26.最后，对后向滤波后的数据在时域做反转。
27.进一步地，通过对所述回波包络曲线进行分析，确定回波前沿到达的时间，包括：
28.首先，通过包络峰值检测确定回波峰值时间；
29.然后，减去固有时间差，确定回波前沿到达的时间。
30.本发明的另一目的在于提供一种抗干扰窨井液位监测系统，其特征在于，包括：
31.获取单元，用于采用编码方式产生超声波发射波形，获取窨井下空间的超声波回波信号；
32.处理单元，用于接收所述超声波回波信号，采用iir零相移椭圆带通滤波算法对所述回波信号的波形进行滤波处理，再对滤波后的数据提取包络，查找极值，以计算液位数据；
33.鉴定单元，用于通过虚假回波学习算法排除所述液位数据中的固定干扰数据进行鉴定确认，得到实际液位信息，利用nb-iot通讯将所述液位信息上传至服务器，获得窨井液位实时监测结果。
34.进一步地，所述获取单元包括：处理器，用于采用pwm编码方式控制超声波换能器发射特定序列的超声波。
35.本发明实现了以下显著的有益效果：
36.实现简单，包括：采用编码方式产生超声波发射波形，获取窨井下空间的超声波回
波信号；接收所述超声波回波信号，采用iir零相移椭圆带通滤波算法对所述回波信号的波形进行滤波处理，再对滤波后的数据提取包络，查找极值，以计算液位数据；通过虚假回波学习算法排除所述液位数据中的固定干扰数据进行鉴定确认，得到实际液位信息，利用nb-iot通讯将所述液位信息上传至服务器，获得窨井液位实时监测结果。有效解决解决窨井复杂的工况下，稳定准确的采集液位信息的问题。
附图说明
37.图1为本发明的一种抗干扰窨井液位监测方法的流程图；
38.图2为本发明的一种抗干扰窨井液位监测系统的实施例示意图；
39.图3为本发明的包络峰值检测的示意图；
具体实施方式
40.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均适用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
41.需要说明的是，为了清楚地说明本发明的内容，本发明特举多个实施例以进一步阐释本发明的不同实现方式，其中，该多个实施例是列举式而非穷举式。此外，为了说明的简洁，前实施例中已提及的内容往往在后实施例中予以省略，因此，后实施例中未提及的内容可相应参考前实施例。
42.虽然该发明可以以多种形式的修改和替换来扩展，说明书中也列出了一些具体的实施图例并进行详细阐述。应当理解的是，发明者的出发点不是将该发明限于所阐述的特定实施例，正相反，发明者的出发点在于保护所有给予由本权利声明定义的精神或范围内进行的改进、等效替换和修改。同样的元模块件号码可能被用于所有附图以代表相同的或类似的部分。
43.请参照图1，本发明的一种抗干扰窨井液位监测方法，包括：
44.步骤s101，采用编码方式产生超声波发射波形，获取窨井下空间的超声波回波信号；
45.步骤s102，接收所述超声波回波信号，采用iir零相移椭圆带通滤波算法对所述回波信号的波形进行滤波处理，再对滤波后的数据提取包络，查找极值，以计算液位数据；
46.步骤s103，通过虚假回波学习算法排除所述液位数据中的固定干扰数据进行鉴定确认，得到实际液位信息，利用nb-iot通讯将所述液位信息上传至服务器，获得窨井液位实时监测结果。
47.在本技术的一种实施例中，具体地，接收所述超声波回波信号，获取窨井下空间的超声波回波信号，包括：
48.将接收到的所述超声波回波信号处理转化为回波包络曲线，通过对所述回波包络曲线进行分析，确定回波前沿到达的时间。
49.在本技术的一种实施例中，具体地，采用编码方式产生超声波发射波形，获取窨井下空间的超声波回波信号，包括：
50.采用pwm编码方式控制超声波换能器发射特定序列的超声波，得到窨井下空间的
超声波回波信号，将所述超声波回波信号经过放大电路进行放大，然后经过adc变为数字信号。
51.在本技术的一种实施例中，具体地，通过虚假回波学习算法排除所述液位数据中的固定干扰数据进行鉴定确认，包括：
52.确定虚假回波设置值，存储所述虚假回波设置值范围以内所有的回波；
53.对所述虚假回波设置值范围以内所有的回波进行处学习理记录，获得回波的幅值和对应的距离值。
54.在本技术的一种实施例中，具体地，对所述虚假回波设置值范围以内所有的回波进行处理记录，包括：
55.判断当未设置虚假回波时，第一次有效回波即正确回波；当设置了虚假回波时，先去掉学习记录的虚假回波，剩下回波中最靠前的为正确回波。
56.在本技术的一种实施例中，具体地，还包括：判断当实际液位达到学习记录的虚假回波附近时，若实际液位的回波强度比学习记录的虚假回波的强度大6db时，不去掉虚假回波。
57.在本技术的一种实施例中，具体地，采用iir零相移椭圆带通滤波算法对所述回波信号的波形进行滤波处理，包括：
58.首先，对所述回波信号的波形进行前向滤波；
59.其次，对前向滤波后的数据在时域做反转；
60.然后，对反转后的波形进行后向滤波；
61.最后，对后向滤波后的数据在时域做反转。
62.在本技术的一种实施例中，具体地，通过对所述回波包络曲线进行分析，确定回波前沿到达的时间，包括：
63.首先，通过包络峰值检测确定回波峰值时间；
64.然后，减去固有时间差，确定回波前沿到达的时间。
65.请参照图2，本发明的另一目的在于提供一种抗干扰窨井液位监测系统，包括：
66.获取单元，用于采用编码方式产生超声波发射波形，获取窨井下空间的超声波回波信号；
67.处理单元，用于接收所述超声波回波信号，采用iir零相移椭圆带通滤波算法对所述回波信号的波形进行滤波处理，再对滤波后的数据提取包络，查找极值，以计算液位数据；
68.鉴定单元，用于通过虚假回波学习算法排除所述液位数据中的固定干扰数据进行鉴定确认，得到实际液位信息，利用nb-iot通讯将所述液位信息上传至服务器，获得窨井液位实时监测结果。
69.在本技术的一种实施例中，具体地，所述获取单元包括：处理器，用于采用pwm编码方式控制超声波换能器发射特定序列的超声波。
70.作为具体的实施例，窨井液位监测设备硬件系统包括：处理器、电源模块、存储模块、通信模块、温度采集、放大电路、发射电路\接收电路和换能器。
71.作为具体的实施例，处理器采用pwm编码方式控制超声波换能器发射特定序列的超声波，回波信号经过放大电路进行放大，然后经过adc变为数字信号，通过iir零相移椭圆
带通滤波算法对回波波形进行滤波处理，对滤波后的数据提取包络，查找极值，计算液位数据，通过温度校正测量误差，通过虚假回波学习算法排除固定干扰数据，通过卡尔曼滤波算法对计算的液位数据进行鉴定确认。最后将准确的液位数据通过nb-iot方式传输到后台服务器。
72.作为具体的实施例，，采用窄带物联网(narrow band internet ofthings,nb-iot)，nb-iot构建于蜂窝网络，只消耗大约180khz的带宽，可直接部署于gsm网络、umts网络或lte网络，以降低部署成本、实现平滑升级。nb-iot是iot领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(lpwan)。nb-iot支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说nb-iot设备电池寿命可以提高至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。
73.作为具体的实施例，包络峰值检测法是将接收到的超声波回波信号处理转化为回波包络曲线，通过对回波包络地分析确定回波前沿到达的时间。在使用超声波进行距离检测时，对同一个被测物体，在不同距离上产生的回波包络曲线较为相似，波形基本一致，波幅不同；对同一距离上的不同探测物体，回波包络大致相同，波幅不同。因此，可以近似认为超声回波包络曲线的形状基本不随外在条件的变化而变化，即回波前沿到达的时间与回波峰值时间的时间差基本确定。所以只要通过包络峰值检测确定回波峰值时间tp，减去固有时间差t0，就能确定回波前沿到达的时间δt＝tp-t0。距离d＝v*δt/2。速度v＝331.5 0.607*t，t为温度。示意如图3所示。
74.作为具体的实施例，首先通过处理器发送8个pwm脉冲，驱动换能器实现超声波的发送；然后通过放大电路对回波进行放大；然后对回波进行ad采集、数字滤波、包络提取、峰值位置确定；进而计算出回波的时间。受环境影响，发送一次8脉冲，会有多次回波，采取的策略是处理记录10米范围内所有的回波。当没有设置虚假回波时，采集的第一个有效回波为正确回波；当设置了虚假回波时，过滤掉虚假回波后，第一个有效回波为正确回波。为避免单次较大测量误差，采用多次测量，取平均值的策略，进行100次测量，去掉20个最大值，去掉20个最小值，剩下的60个数据取平均值。
75.作为具体的实施例，ad采集选择dma的传输方式。采样率为525khz。采样数据长度为256。开始采集的时机由外部中断控制。
76.作为具体的实施例，数字滤波器采用椭圆带通滤波器方式。椭圆滤波器会出现非线性的相移，导致滤波后波形发生变形。通过算法改进，可以实现零相移带通滤波器。算法改进方式：前向滤波-》数据在时域做反转-》后向滤波-》数据在时域做反转。
77.作为具体的实施例，包络提取选择包络检波法，包络检波法的基本原理可以看下面这个电路图，这个是最基本的半波包络检波。
78.当ui(t)》uo(t-)时uo(t)＝ui(t)；当ui(t)《uo(t-)时rcduo/dt＝uo。
79.化成差分方程为：
[0080][0081]
把这个过程用程序来实现。
[0082]
作为具体的实施例，峰值位置确定，通过数值比较，从数组中找到最大值，并返回
最大值在数组中位置。结合ad的采样率，可以计算出从ad开始采集到达到最大值这段时间值。
[0083]
作为具体的实施例，传统超声测量一般在空旷的环境，不存在障碍物遮挡，回波是由被测对象的反射产生，测量相对稳定。由于窨井下空间狭小、环境复杂，井下梯子、线缆、井壁等障碍物对超声波反射产生虚假回波(非测量目标对象回波)，如果不对虚假回波进行适当处理，虚假回波会被识别成有效数据，造成测量数据大幅偏离真实值，无法进行准确测量。虚假回波学习过程为：确定虚假回波设置值，虚假回波设置值指的是一个范围，例如设置值为2米，则需要学习记录2米以内所有的回波。虚假回波学习过程，记录40次。存储每次所有设置值范围内的回波幅值和对应的距离值。
[0084]
作为具体的实施例，判断正确回波，当未设置虚假回波时，第一次有效回波即正确回波。当设置了虚假回波时，先去掉学习记录的虚假回波，剩下回波中最靠前的为正确回波。当实际液位达到学习记录的虚假回波附近时，若实际液位的回波强度比学习记录的虚假回波的强度大6db时，不去掉虚假回波。
[0085]
从以上描述中，可以看出，本技术上述的实施例实现了如下的技术效果：
[0086]
实现简单，包括：采用编码方式产生超声波发射波形，获取窨井下空间的超声波回波信号；接收所述超声波回波信号，采用iir零相移椭圆带通滤波算法对所述回波信号的波形进行滤波处理，再对滤波后的数据提取包络，查找极值，以计算液位数据；通过虚假回波学习算法排除所述液位数据中的固定干扰数据进行鉴定确认，得到实际液位信息，利用nb-iot通讯将所述液位信息上传至服务器，获得窨井液位实时监测结果。有效解决解决窨井复杂的工况下，稳定准确的采集液位信息的问题。
[0087]
根据本发明技术方案和构思，还可以有其他任何合适的改动。对于本领域普通技术人员来说，所有这些替换、调整和改进都应属于本发明所附权利要求的保护范围。