用于城市积水监测的低功耗导波管式一体化超声波液位计的制作方法

本实用新型属于水位测量技术领域，具体涉及一种用于城市积水监测的低功耗导波管式一体化超声波液位计。

背景技术：

近年来，由强降雨引起的城市下穿隧道及立交桥下低洼处存在大量积水的现象时有发生，且有愈演愈烈的趋势。在我国南方多雨的城市，积水有时竟然高达一米以上，且长时间不能及时排走，给人们的出行带来了很大的不便，严重时竟引发行人的死亡和失踪事件。此现象已经引起市政、防汛、路政等政府有关部门的高度关注：一方面要积极修建并管理好排水设施，另一方面建设城市防汛预警监测应急系统。而防汛预警监测应急系统的关键是积水水位的实时测量。

目前，常规的城市内涝监控方式均为积水观测人员人工监测的形式和自动预警方式。人工监测时一般采用浮子式、压力式、超声波式或雷达式等传感器，现场监测读数。自动预警的城市积水水位监测一般也采用浮子式、压力式、超声波式或雷达式等传感器，仪器需现场供电，数据通过外置无线模块传输到监测数据中心。

可知，现有观测人员人工监测效率较低，另外，人工监测和自动监测时采用的浮子式、压力式、超声波式或雷达式等传感器，在实际应用过程中普通存在着一定的缺陷，例如，浮子式水位计工作稳定，但安装和维护复杂，施工难度大，造价高，浮子时间长了很容易卡住，影响测量。超声波水位计利用超声波在空气中的传播来测量水位，测量过程完全由电子电路来实现，因而比较容易实现自动遥测，但超声波水位计的安装需要一个支撑杆，由于是立杆悬臂梁式安装，过往车辆、行人和车辆停在超声波探头下必然导致数据异常报警。压力式水位计通过压力传感器测量水中的静压力来测量水位，测量过程由电子电路来实现，因而比较容易实现自动遥测，但测量精度受温度影响较大，受淤积影响严重，如果安装传感器的位置有淤积则压力式水位计不能使用。雷达式水位计是一种新型的水位测量设备，利用雷达波在空气中的传播来测量水位，测量过程完全由电子电路来实现，因而比较容易实现自动遥测。其测量原理与超声波水位计类似，但测量精度较高。雷达式水位计的安装也需要一个支撑杆，过往车辆、行人和车辆停在下面必然导致数据异常报警。同时，现有水位监测装置许多需要外部供电或者外部配置无线模块，安装施工和选址有较高要求，不方便使用。

而本实用新型提出的用于城市积水监测的低功耗导波管式一体化超声波液位计，则从根本上解决了上述传感器的诸多缺陷。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供了用于城市积水监测的低功耗导波管式一体化超声波液位计，无需外部供电，内自带无线通讯模块，低成本、安装简单、方便实用，抗干扰能力强的自动水位测量装置，能及时掌握城区积水情况，把积水情况实时数据传送到数据中心。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了用于城市积水监测的低功耗导波管式一体化超声波液位计，其特征是，包括封闭式的壳体，壳体外部顶端连接有太阳能电池板，壳体空腔内设有电源管理电路、蓄电池、控制器、超声激振测量电路以及无线通信模块，在壳体的底部探出有收发一体的超声波换能器；

太阳能电池板的输出端连接电源管理电路，电源管理电路连接蓄电池，电源管理电路的输出端连接控制器、超声激振测量电路和无线通信模块以为其提供工作电源，控制器连接超声激振测量电路，控制器连接无线通信模块以通过其与远程数据中心进行通信，超声激振测量电路连接超声波换能器，在超声波换能器的下端套设有中空的导波管，导波管的底部开口处封装有滤网；

控制器控制超声激振测量电路驱动超声波换能器朝水面发射出超声波，超声波在导波管中传播至水面后返回，回波经超声波换能器接收传输至超声激振测量电路，进一步的在上传至控制器，控制器根据超声波的传输时间获得积水水位，并将此水位数据通过无线通信模块上传至数据中心。

进一步的，导波管的半径小于0.05m。

进一步的，无线通信模块采用GPRS通信方式。

进一步的，电源管理电路包括4.3V降压电路以及3.3V降压电路，4.3V降压电路采用LT3481芯片，蓄电池电源经4.3V降压电路进行降压后输出4.3V电压，4.3V电压输入3.3V降压电路进行降压输出3.3V电压。

进一步的，电源正极连接LT3481芯片引脚4，并在引脚4端并联电容C55和C61后接地进行滤波，蓄电池电源负极连接LT3481引脚11，引脚9串联电阻R52和电容C56后与引脚10串联R53后共连接地，引脚2端连接电容C57和稳压管D4后接地，引脚3连接C57与稳压管之间的连接点后，串联电感L3、电阻R56、R55即R54后接地，引脚7连接电感L3与电阻R56之间的连接点，引脚8连接电阻R55与R54之间的连接点，根据R54,R55,R56和反馈电压输出4.3V，引脚1作为电源输出端，并联电容C58和电容C60后输出稳定的4.3V电压。

进一步的，超声激振测量电路包括超声波激振电路和超声波测量电路。

进一步的，超声波激振电路由脉冲变压器T1实现，电源管理电路输出的3.3V电源连接脉冲变压器T1输入端1，控制器芯片产生激振脉冲连接MOS管的栅极，MOS管的源极接地，MOS管的漏极连接脉冲变压器输入端2，脉冲变压器输出端3连接并联的正反向二极管后输出高压激振信号连接超声换能器；脉冲变压器输出端5一路串联电阻R8后连接超声换能器，另一路串联电阻R6后接地。

进一步的，超声波测量电路包括依次相连的钳压电路、放大电路、带通滤波电路和积分电路，其中钳压电路包括并联的正反向二极管，输出超声波的回波信号；积分电路包括并联的电阻R27和电容C24，放大滤波后的数据经R27,C24组成的积分电路连接控制器芯片进行监测回波信号。

与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果是：导波管可以保证全量程范围内超声波传输路径上无干扰，同时导波管直径较小，半径小于0.05m，不会占用较大路面资源。而由于存在导波管，安装方式也多样化，可以立杆悬臂梁式安装也可以底部固定安装或者中间固定安装。本实用新型成本低，功耗低，同时，内置无线通信模块，水位数据通过无线传输，不需要现场布线，更利于选址安装。

附图说明

图1为本实用新型超声波液位计的原理框图；

图2是本实用新型超声波液位计的应用示图；

图3是实施例中控制器STM32L151的电路图；

图4是实施例中电源管理电路的电路图；

图5是实施例中超声激振测量电路的电路图；

图6是实施例中无线通信芯片WISMO228的电路图。

附图标记：1、壳体；2、导波管；3、滤网；A、水面；B、路面。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

本实用新型的用于城市积水监测的低功耗导波管式一体化超声波液位计，如图1所示，包括封闭式的壳体1，壳体1外部顶端连接有太阳能电池板，壳体1空腔内设有电源管理电路、蓄电池、控制器、超声激振测量电路以及无线通信模块，在壳体1的底部探出有收发一体的超声波换能器；

太阳能电池板的输出端连接电源管理电路，电源管理电路连接蓄电池，电源管理电路的输出端连接控制器、超声激振测量电路和无线通信模块以为其提供工作电源，控制器连接超声激振测量电路，控制器连接无线通信模块以通过其与远程数据中心进行通信，超声激振测量电路连接超声波换能器，在超声波换能器的下端套设有中空的导波管2，导波管2的底部开口处封装有滤网3；

控制器控制超声激振测量电路驱动超声波换能器朝水面发射出超声波，超声波在导波管2中传播至水面后返回，回波经超声波换能器接收传输至超声激振测量电路，进一步的再上传至控制器，控制器根据超声波的传输时间获得积水水位，并将此水位数据通过无线通信模块上传至数据中心。

作为本实用新型的优选实施例，超声波换能器采用收发一体的气介式超声波换能器，导波管2的半径小于0.05m。

本实用新型超声波液位计在具体应用时的示图如图2所示，导波管2伸入水面A以下，在安装时测量已知的导波管2长度以及导波管2底部距离地面B的距离，其具体工作过程为：太阳能电池板作为电源的主要来源，蓄电池作为辅助能源，通过电源管理电路为控制器、超声激振测量电路和无线通信电路供电，蓄电池的电源使用完毕可以更换蓄电池；控制器控制超声激振测量电路激励超声波换能器产生超声信号，超声信号在导波管2中传播；导波管2下面通过滤网3和积水水位形成导通，内外水位高度一致；超声信号在水面处反射；回波信号被收发一体的超声波换能器接收，传送至超声激振测量电路进行滤波放大，然后在上传至控制器中；控制器根据超声传输时间结合超声声速可以得到超声波换能器到水面的距离；结合导波管长度和安装时导波管离地面的距离可以得到积水水位；控制器控制无线通信模块将水位数据传输到数据中心，为数据中心监控预警提供数据支持。

控制器采用现有技术中低功耗的单片机，在不需要测量水位时，让单片机进入休眠模式，需要工作时，在启动单片机进行测量工作。单蓄电池可以使用200天， 采用导波管式一体化超声波液位计测量城市积水水位，无需外部供电，内自带无线通讯模块，低成本、安装简单、方便实用，抗干扰能力强。

安装不限于悬臂式安装，由于导波管的存在，可以因地制宜选择不同安装方式，比如底部固定或者中间固定等等，同时内置蓄电池（可外接太阳能电池板）和无线模块，可以在任意位置安装使用。

现有超声波测量水位的方法最大的缺陷是超声波水位计的安装需要一个支撑杆，由于是立杆悬臂梁式安装，同时由于超声波具有一个发射角度，需要一个较大空间，2m量程的超声波水位计需要以超声波换能器为中心，半径0.4m到路面之间的区域内不能有干扰物，过往车辆、行人和车辆停在超声波换能器下必然导致数据异常报警。如果圈起此区域不让车辆行人通过，会占用较大路面资源，影响交通。本发明超声波在导波管内传播，超声波会在里面多次反射，但水面反射波会最先被气介式超声波换能器接收，不会影响测量结果和测量精度，也不会衰减或增强超声信号。这样可以保证全量程范围内超声波传输路径上无干扰，同时导波管直径较小，半径小于0.05m，不会占用较大路面资源。而由于存在导波管，安装方式也多样化，可以立杆悬臂梁式安装也可以底部固定安装或者中间固定安装。滤网可以过滤水中的杂质，以防污染超声波液位计。

实施例

下面对各模块及电路进行详细介绍：

控制器采用现有技术中低功耗ARM STM32L151芯片，STM32L151芯片是采用高性能ARM Cortex-M3 RISC内核的高性能超低功耗32位MCU，工作频率高达32 MHz (33.3 DMIPS)，集成了USB连接电源、存储器保护单元(MPU)、高速嵌入存储器(512KB 闪存和80KB RAM)，以及连接到两个APB总线的增强I/O和外设。

其与无线通信模块以及超声激振测量电路的连接电路图见图3所示，其引脚45（PB8）、46（PB9）、11（PA1）、12（PA2）、13（PA3）连接无线通讯模块，引脚45连接无线通信芯片以控制此芯片工作启停（即作为WSM_ON/OFF功能引脚）、引脚46连接无线通信芯片以控制此芯片复位（即作为WSM_RST功能引脚）、引脚11连接无线通信芯片以控制此芯片开始传输数据（即作为WSM_RDY功能引脚），也就是说引脚45、46和11用于控制无线通讯的状态，引脚12作为WSM_TXD连接无线通信芯片的串行接收引脚、引脚13作为WSM_RXD连接无线通信芯片的串行发送引脚，即引脚12、13用来与无线通信芯片进行数据传输。

引脚19（PB1）、25（PB12）连接超声激振测量电路，引脚19产生激振脉冲发送至超声激振测量电路，超声激振测量电路接收的回波信号经引脚25连接至ARM内部比较器，以监测是否有回波信号并触发中断计算水位。

为了保证STM32L151芯片能够正常工作还需要搭建匹配的电源电路以及调试电路。电源引脚35（VSS_2），36（VDD_2）连接电源管理电路输出的3.3V，并且在两引脚之间并联电容C34进行滤波稳压，引脚47（VSS_3），48（VDD_3），连接电源管理电路输出的3.3V，并且在两引脚之间并联电容C35进行滤波稳压，引脚23（VSS_1），24（VDD_1）连接电源管理电路输出的3.3V，并且在两引脚之间并联电容C43进行滤波稳压，引脚8（VSSA），9（VDDA）连接电源管理电路输出的3.3V，并在两引脚之间并联电容C40、电容C41、串联的R33和电容C42进行滤波和稳压。引脚3（OSC32_IN）引脚4（OSC32_OUT）连接外部32768Hz晶振作为RTC时钟源，引脚5（OSC_IN）引脚6（OSC_OUT）连接外部6MHz晶振作为控制器的外部工作时钟源。引脚31（PA10）和引脚32（PA11）作为串口的发射端和接收端与上位机进行通信，以便进行参数设置以及调试。引脚37至引脚41作为JTAG引脚使用，方便进行在线调试。

在不需要液位计工作的时候，让STM32L151芯片引入休眠模式，在需要液位计进行工作时，触发引脚10（PA0_WKUP1）进行启动。

电源管理电路见图4所示，由于蓄电池电压一般6～34V，无法直接给控制器、超声激振测量电路和无线通信电路提供3.3V或4.3V正常工作电源，需要增加降压电路，本实施例中由LT3481配合MAX604实现，为控制器、超声激振测量电路和无线通信电路提供工作电源。

本实施例中电源管理电路包括4.3V降压电路以及3.3V降压电路，4.3V降压电路采用LT3481芯片实现，蓄电池电源正极连接LT3481芯片引脚4，并在引脚4端并联电容C55和C61后接地进行滤波，蓄电池电源负极连接LT3481引脚11（GND），引脚9串联电阻R52和电容C56后与引脚10串联R53后共连接地，此电阻R52、电容C56以及电阻R53起到滤波作用，引脚2端连接电容C57和稳压管D4后接地，引脚3连接C57与稳压管之间的连接点后，串联电感L3、电阻R56、R55即R54后接地，引脚7连接电感L3与电阻R56之间的连接点，引脚8连接电阻R55与R54之间的连接点，根据R54,R55,R56和反馈电压输出4.3V，引脚1作为电源输出端，并联电容C58和电容C60后输出稳定的4.3V电压，4.3V电压连接无线通信电路为其提供工作电源。

输出的4.3V电压连接3.3V降压电路进行降压后输出稳定的3.3V电源，此3.3V降压电路采用MAX604芯片，芯片的引脚1连接4.3V降压电路输出的4.3V电源，并在引脚1处并联电容C45、C46进行滤波，引脚2、3、6、7、5共连接地，引脚8作为电源输出端，并联电容C53,C54后输出稳定的3.3V电压，电容C53,C54对3.3V电压进行滤波， 3.3V电压连接控制器和超声激振测量电路为其提供工作电源。

超声激振测量电路见图5，包括超声波激振电路和超声波测量电路，超声波激振电路由脉冲变压器T1实现，电源管理电路输出的3.3V电源连接脉冲变压器T1输入端1，ARM芯片引脚19产生激振脉冲连接MOS管的栅极，MOS管的源极接地，MOS管的漏极连接脉冲变压器输入端2，脉冲变压器输出端3连接并联的正反向二极管后输出高压激振信号连接超声换能器；脉冲变压器输出端5一路串联电阻R8后连接超声换能器，另一路串联电阻R6后接地。

超声波测量电路包括依次相连的钳压电路、放大电路、带通滤波电路和积分电路，回波信号经过钳压、放大、有源带通滤波即积分后连接ARM芯片引脚25。其中钳压电路包括并联的正反向二极管，输入信号串联电阻R19、R21和电容C19后连接并联二极管的一端输出，此端也作为钳压电路的输出端，输出超声波的回波信号，并联二极管的另一端接地，并联的二极管D6,D7阻止激振信号通过，使超声回波信号通过。

放大电路包括三极管Q5，钳压电路的输出端串联电阻R22、电容C20、电阻R23后连接三极管Q5的基极，三极管的发射极串联电阻R29后接地，三极管的集电极连接工作电源，同时在三极管的基极与集电极之间连接电阻R18，放大后的回波信号有集电极端输出。回波信号经过电容C20滤掉直流信号，然后经三极管Q5放大。

放大后的回波信号经带通滤波电路进行再次放大和带通滤波，带通滤波电路包括级联第一比较器U6和第二比较器U5，此滤波电路属于现有技术，此处不多赘述，从图4可知，U6的引脚8连接电源管理电路的3.3V，U6通过R15,R16,R20,C16,C18组成RC带通滤波器，U5通过R13,R17,R24,C15,C22组成带通滤器。

积分电路包括并联的电阻R27和电容C24，放大滤波后的数据经R27,C24组成的积分电路连接ARM的引脚25进行监测回波信号。

无线通信模块采用GPRS通讯方式，无线通讯模块把控制器得到的水位数据传输到数据中心。无线通信模块的电路见图6，采用现有技术中WISMO 228芯片实现，WISMO 228是GSM / GPRS工业级无线通讯模块，它具有体积小，易用性强，内嵌TCP/IP协议栈。WISIO228的引脚8（SIM_VCC），9(SIM_CLK)，10（SIM_IO），11（SIM_RST）连接SIM卡卡槽U7；引脚40（RXD）和38（TXD）连接ARM芯片的引脚13、12进行串口通信，引脚37（ON/~OFF），7（WISMO_READY），12（~RESET）连接ARM芯片的引脚45、11、46进行无线通信控制；引脚21（ANT）连接天线；引脚29（VBAT），30（VBAT）连接电源管理电路中4.3V降压电路输出的4.3V电源，同时在引脚29、30之间并上电容C21,C22,C23,L1组成的电源滤波电路进行滤波。

综上所述，本实用新型的各模块及电路可采用现有市场上可购买到的电子芯片来实现，成本低，结构简单，易实现。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。