一种基于5G技术的水位监控系统

一种基于5g技术的水位监控系统
技术领域
1.本实用新型涉及水位检测和通信技术领域，主要应用于水环境监测、水产养殖、大坝修建工程等技术领域，具体涉及一种基于5g技术的水位监控系统。


背景技术：

2.水位高度参数检测与控制在水产养殖、大坝修建等领域中至关重要。现有的水位检测仪表大多是玻璃管水位计、差压型水位计、电极式水位计。例如：
3.专利号为zl201820340781.2,该水位计，属于灌溉技术领域。该水位计包括空心测杆、霍尔传感器、浮球、磁环、控制器。控制器设于空心测杆顶部，并与霍尔传感器电性连接，以对来自霍尔传感器的电压信号进行处理，获取对应的水位信息。一对磁环沿纵向对称设于浮球内，并整体可上下浮动地设在空心测杆上；多个霍尔传感器沿纵向间隔预设距离设在空心测杆的空腔内；或者，霍尔传感器设于浮球内，并整体上下浮动地设在空心测杆上；多个磁环沿纵向同轴且间隔预设距离设在空心测杆的空腔内。该水位计测量精度与空心测杆上的霍尔传感器或者磁环的布置密度相关，而它们在空心测杆上的布置及布置密度方便可调，利于显著提高水位测量精度。
4.专利号为zl201821477368.7，该雷达水位计，涉及水位测量设备技术领域，包括底座，底座上设置有用于调整雷达水位计本体位置的提升机构，提升机构上设置有用于固定雷达水位计本体的支撑机构。提升机构包括安装座，安装座上设置有相互啮合的第一啮合齿轮和第二啮合齿轮，第一啮合齿轮和第二啮合齿轮分别连接有第一限位杆和第二限位杆，第一限位杆连接有安装有雷达水位计本体的第一支撑杆。支撑机构包括第一支撑杆，第一支撑杆的端部设置有t型安装板，t型安装板的水平部上开设有用于固定雷达水位计本体的通孔。
5.但是，当前的水位检测仪表均是采用有线通信的，存在着有线网络带来的线路铺设成本高、布线复杂、维护困难等不利因素。


技术实现要素：

6.针对上述的技术问题，本技术方案提供了一种基于5g技术的水位监控系统，可实现池水水位高度监测设备的监测数据的无线传输和控制指令的无线传输，能有效的解决上述问题。
7.本实用新型通过以下技术方案实现：
8.一种基于5g技术的水位监控系统，包括设置在水池周边的控制站点，以及设置在水池内的若干个汇聚节点；所述的汇聚节点通过5g无线通信模块连接有若干个安装在水池内指定位置的传感器节点和若干个控制节点，控制节点与执行机构连接；所述的若干个传感器节点和若干个控制节点将其检测得到的信息以及工作信号通过5g无线通信模块发送到与其连接的汇聚节点，若干个汇聚节点的输出端并接至控制站点，将若干个汇聚节点的信号输出至控制站点，控制站点连接有5g无线通信模块，通过5g无线通信模块和internet
网络将其接受到的信号传送至相关管理部门的远程监测平台，将每个控制站点与监控中心进行信息交互。
9.进一步的，所述的传感器节点包括安装在水池的指定位置的无线雷达传感器和无线超声波传感器，以及与无线雷达传感器和无线超声波传感器连接的信号调理电路，信号调理电路再依次串接传感器节点单片机和5g无线通信模块；所述的雷达传感器和超声波传感器经过调理电路放大信号后传送至传感器节点单片机，然后由传感器节点单片机进行信号处理，再通过5g无线通信模块发射给汇聚节点。
10.进一步的，所述的信号调理电路包括无线雷达传感器调理电路和无线超声波传感器调理电路。
11.进一步的，所述的无线雷达传感器调理电路包括rc桥式正弦波振荡电路，以及串联接入rc桥式正弦波振荡电路电源两端的传感器电极rx和分压电阻r6，所述分压电阻r6的两端依次连接有滤波电路、放大电路和整流电路，所述分压电阻r6两端的交流电压信号通过滤波电路、放大电路和整流电路后转化为反映水位高低的直流电压信号，发送至传感器节点单片机进行数据处理；所述的传感器电极rx采用djs-10型镀铂黑电导电极rx。
12.进一步的，所述的无线超声波传感器调理电路包括由555定时器为核心的电路，555定时器连接有电阻r1、电阻r2、电容c和电容cf,形成多谐振荡器；所述的555定时器连接有声光报警电路。
13.进一步的，所述的无线超声波传感器调理电路还包括由高速模数转换器形成的采集电路，所述的高速模数转换器的最高采样速率可达10mhz,高速模数转换器的外部连接有8mhz晶体振荡器和fpga储存卡。
14.进一步的，所述的汇聚节点包括连接5g无线通信模块的汇聚节点单片机，以及分别与汇聚节点单片机连接的pc机和lcd显示器。
15.进一步的，所述的5g无线通信模块采用的是nrf2401射频芯片，所述的nrf2401射频芯片设置有与单片机的i/o口连接的pwr_up、ce、cs的控制线，以及与单片机的i/o口或spi连接的发送/接收通道一和接收通道二；所述传感节点的无线雷达传感器和无线超声波传感器将测量的信号经调理电路调理后发送至传感器节点单片机的a/d转换引脚，数据处理后通过接收通道一传输到nrf2401射频芯片，并控制nrf2401射频芯片将信号发送至汇聚节点，汇聚节点分时接收各个传感节点发送过来的数据，当接收到有效数据后，产生中断信号发送至汇聚节点单片机，通知汇聚节点单片机来取数据。
16.进一步的，所述的传感器节点单片机或汇聚节点单片机采用型号为c8051f310单片机，c8051f310单片机设置有分别与nrf2401射频芯片中pwr_up、ce、cs引脚、接收通道一和接收通道二连接的引脚。
17.进一步的，当所述的nrf2401射频芯片工作在配置模式和发射模式时，其data引脚是数据输入端口；当nrf2401射频芯片工作在接收模式时，data引脚是数据输出端口；为了实现阻抗匹配和隔离，所述c8051f310单片机的miso端口和mosi端口分别连接一个10的电阻后再与nrf2401射频芯片的data引脚相连。
18.有益效果
19.本实用新型提出的一种基于5g技术的水位监控系统，与现有技术相比较，其具有以下有益效果：
20.（1）本技术方案通过设置在水池周边的控制站点和设置在水池内的若干个汇聚节点，并让汇聚节点通过5g无线通信模块与控制站点、若干个传感器节点和若干个控制节点进行连接并传送信号；控制站点再通过5g无线通信模块和internet网络将其接受到的信号传送至相关管理部门的远程监测平台，将每个控制站点与监控中心进行信息交互。可实现池水水位高度数据的无线传输和控制指令的无线传输，能有效的解决当前水位检测仪表有线通信的不足，同时还避免了有线网络带来的线路铺设成本高、布线复杂、维护困难等不利因素。
21.（2）本技术方案中的控制站点起着所在传感器网络任务管理器的作用，而监控中心则对所有水池进行统一管理和监控。在每个水池中，汇聚节点是传感器节点、控制节点与控制站点之间连接的桥梁，所有采集数据均通过汇聚节点发送到控制站点，而控制指令则由控制站点发出后通过汇聚节点发送给控制节点，有控制节点驱动执行机构执行控制任务。
附图说明
22.图1为本实用新型的整体结构示意框图。
23.图2为本实用新型中传感器节点的示意框图。
24.图3为本实用新型中汇聚节点的示意框图。
25.图4为本实用新型中无线雷达传感器调理电路图。
26.图5为本实用新型中无线超声波传感器调理电路图。
27.图6为本实用新型中信号采集电路图。
28.图7为本实用新型中nrf2401射频芯片的电路图。
29.图8为本实用新型中c8051f310单片机的电路图。
具体实施方式
30.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。在不脱离本实用新型设计构思的前提下，本领域普通人员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本实用新型的保护范围。
31.实施例1：
32.如图1所示，一种基于5g技术的水位监控系统，包括设置在水池周边的控制站点，以及设置在水池内的若干个汇聚节点；所述的汇聚节点通过5g无线通信模块连接有若干个安装在水池内指定位置的传感器节点和若干个控制节点，控制节点与执行机构连接；所述的若干个传感器节点和若干个控制节点将其检测得到的信息以及工作信号通过5g无线通信模块发送到与其连接的汇聚节点，若干个汇聚节点的输出端并接至控制站点，将若干个汇聚节点的信号输出至控制站点，控制站点连接有5g无线通信模块，通过5g无线通信模块和internet网络将其接受到的信号传送至相关管理部门的远程监测平台，将每个控制站点与监控中心进行信息交互。
33.如图2所示，所述的传感器节点包括安装在水池的指定位置的无线雷达传感器和无线超声波传感器，以及与无线雷达传感器和无线超声波传感器连接的信号调理电路，信
号调理电路再依次串接传感器节点单片机和5g无线通信模块；所述的雷达传感器和超声波传感器经过调理电路放大信号后传送至传感器节点单片机，然后由传感器节点单片机进行信号处理，再通过5g无线通信模块发射给汇聚节点。
34.在本实施中，传感器节点单片机采用的是c8051f310单片机，以及5g无线通信模块采用的是nrf2401射频模块。
35.将若干个传感器节点和若干个控制节点的输出信号通过nrf2401射频模块发送到一个汇聚节点，再将若干个汇聚节点的输出并接到一个控制站点的输入，将每个控制站点的输入并接到监控中心的输入，控制节点连接执行机构。其中雷达传感器和超声波传感器经过调理电路放大，然后由c8051f310单片机进行信号处理，再通过nrf2401射频电路发射给汇聚节点。控制站点起着所在传感器网络任务管理器的作用，而监控中心则对所有水池进行统一管理和监控。在每个水池中，汇聚节点是传感器节点、控制节点与控制站点之间连接的桥梁，所有采集数据均通过汇聚节点发送到控制站点，而控制指令则由控制站点发出后通过汇聚节点发送给控制节点，由控制节点驱动执行机构执行控制任务。
36.如图3所示，所述的汇聚节点包括连接5g无线通信模块的汇聚节点单片机，以及分别与汇聚节点单片机连接的pc机和lcd显示器。汇聚节点的工作工程可以分为两种：
37.（1）通过nrf2401射频电路，接收传感器节点传过来的数据，并且做相应的转换后发送给pc机；
38.（2）汇聚节点单片机接收pc机的控制命令，通过nrf2401射频电路，把信号发送给传感器节点和控制节点。
39.如图4所示，所述的信号调理电路包括无线雷达传感器调理电路和无线超声波传感器调理电路。所述的无线雷达传感器调理电路包括rc桥式正弦波振荡电路，以及串联接入rc桥式正弦波振荡电路电源两端的传感器电极rx和分压电阻r6，所述分压电阻r6的两端依次连接有滤波电路、放大电路和整流电路，所述的传感器电极rx采用djs-10型镀铂黑电导电极rx。
40.rc桥式正弦波振荡电路产生一定频率和幅值的正弦信号。由于不同高度水位的导电性不同，电极两端反映的电阻值不同，从而分压电阻r6两端的分压值不同。分压电阻r6两端的交流电压信号通过滤波电路、放大电路和整流电路后转化为反映水位高低的直流电压信号，发送至c8051f310单片机进行数据处理。
41.如图5所示，所述的无线超声波传感器调理电路包括由555定时器为核心的电路，555定时器连接有电阻r1、电阻r2、电容c和电容cf,形成多谐振荡器；所述的555定时器连接有声光报警电路。
42.电路以555定时器为核心组成,用于水位监视、声光报警。当水位在两探极之上时,两极间呈低阻,c1充不上电,不满足振荡条件，无光无声,表示水位正常；若水位下降至探极之下,555定时器与电阻r1和电阻r2和电容c、电容cf组成的多谐振蔼器起振,振荡频率约为1000hz,当接收到有效数据后，产生中断通知单片机来取数据。发出声、光信号,提醒用户注意。
43.如图6所示，所述的无线超声波传感器调理电路还包括由高速模数转换器形成的采集电路，所述的高速模数转换器的最高采样速率可达10mhz,高速模数转换器的外部连接有8mhz晶体振荡器和fpga储存卡。
44.采用了高速模数转换器ad9220实现波形信号的采集，ad9220最高采样速率可达10mhz,采用外部晶体振荡器8mhz，fpga内部通过采样实现波形存储。ad9220有直流耦合，0至5v的输入方式。采用内部2.5v参考电压。由于系统垂直分辨率只需255级，故采用ad9220的高8位。
45.如图7所示，所述的5g无线通信模块采用的是nrf2401射频芯片，所述的nrf2401射频芯片设置有与单片机的i/o口连接的pwr_up、ce、cs的控制线，以及与单片机的i/o口或spi连接的发送/接收通道一和接收通道二；所述传感节点的无线雷达传感器和无线超声波传感器将测量的信号经调理电路调理后发送至传感器节点单片机的a/d转换引脚，数据处理后通过接收通道一传输到nrf2401射频芯片，并控制nrf2401射频芯片将信号发送至汇聚节点，汇聚节点分时接收各个传感节点发送过来的数据，当接收到有效数据后，产生中断信号发送至汇聚节点单片机，通知汇聚节点单片机来取数据。
46.图7左侧的为射频芯片与单片机的接口，其中：pwr_up、ce、cs为控制线，接单片机的i/o口，用于控制芯片的激活、配置和保持的工作模式；dr1、clk1、data为发送/接收通道一，dr1一般接单片机的外部中断引脚，clk1、data为时钟和数据引脚，可接单片机的i/o口或spi；dr2、clk2、dout2为接收通道二，该通道只有接收功能，没有发送功能。传感节点的雷达和超声波传感器将测量的信号经调理电路调理后送单片机的a/d转换引脚，数据处理后通过接收通道一传输到nrf2401，并控制nrf2401发送出去。汇聚节点分时接收各传感节点发送过来的数据，当接收到有效数据后，产生中断通知单片机来取数据。
47.如图8所示，所述的传感器节点单片机或汇聚节点单片机采用型号为c8051f310单片机，c8051f310单片机设置有分别与nrf2401射频芯片中pwr_up、ce、cs引脚、接收通道一和接收通道二连接的引脚。当所述的nrf2401射频芯片工作在配置模式和发射模式时，其data引脚是数据输入端口；当nrf2401射频芯片工作在接收模式时，data引脚是数据输出端口；为了实现阻抗匹配和隔离，所述c8051f310单片机的miso端口和mosi端口分别连接一个10的电阻后再与nrf2401射频芯片的data引脚相连。
48.单片机的p1.0-p1.2引脚分别接射频模块的pwr_up、ce、cs引脚，控制射频模块的工作状态。p1.3-p1.5与接收通道二相连，用软件模拟spi接口来接收有效数据。接收通道一接单片机自带的硬件spi接口，配置单片机使spi工作于三线方式，端口分配为p0.0（clk）、p0.1（miso）和p0.6（mosi）。与单片机标准的spi接口相比，nrf2401只有一个双向的数据端口（data）。当nrf2401工作在配置模式和发射模式时，它的data引脚是数据输入端口；当nrf2401工作在接收模式时，data引脚是数据输出端口。为了防止冲突，实现阻抗匹配和隔离，将单片机的p0.1（miso）和p0.6（mosi）端口分别接上一个10的电阻后再与nrf2401的data引脚相连。此外单片机的p2.0和p2.1引脚配置为模拟量输入端口，用于传感器采集信号的a/d转换；p0.4和p0.5引脚配置为uart接口，用于与上位机的串口通信。
49.本实施例在检测时先将无线雷达传感器和无线超声波传感器检测到的参数信号经过数据采集模块电路ad9220进行信号转换，然后由传感节点单片机进行信号处理，再通过射频模块发射给汇聚节点；汇聚节点通过射频模块将接收到信号后，经汇聚节点单片机进行处理，处理后发送到控制站点，控制站点和监控中心可进行双向通讯，控制站点发出的控制指令通过汇聚节点发送给控制节点；控制节点驱动执行机构执行控制任务； 监控中心对所有水池统一管理和监控，汇聚节点中单片机接收控制站点的控制命令，通过射频电路
把信号发送给传感器节点和控制节点，同时显示器显示参数值和控制执行情况。