基于物联网的水文智能感知设备及其智能诊断和预警方法与流程

1.本发明涉及水文智能感知技术领域，具体是一种基于物联网的水文智能感知设备及其智能诊断和预警方法。


背景技术：

2.雨水管网是现代化城市的重要基础设施，主要包括用于收集和排除建筑屋面、地面、墙面等雨雪水的排水管网以及为了定期检查、清洁和疏通雨水的排水管道，在雨水管网的管道交汇处、转弯处、管径或坡度改变处以及在直线管段上每隔一定的距离处均需要设立检查井。
3.目前，雨水管网大多采用人工监测的方式获取雨水管网检查井的水文水质数据，这种人工监测的方式获取到的水文水质数据实时性差，并且该监测方式不能长时间对雨水管网检查井进行数据监测。另一方面部分企业利用雨水管网将生产污水排入雨水管道，从而对受纳水体造成污染。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种基于物联网的水文智能感知设备及方法，以解决传统人工监测方式中获取水文水质信息实时性差以及无法长时间对雨水管网检查井进行数据监测的问题。
5.本发明的技术方案是：
6.一种基于物联网的水文智能感知设备，其特征在于：该设备包括感知器、传感器、外置天线；所述感知器中分别设有低功耗微控制器、电路板、电池、通讯模块；所述电路板分别电连接低功耗微控制器、传感器、电池、通讯模块；所述通讯模块电连接外置天线；所述传感器包括液位传感器、水浸传感器、电导率传感器；所述电路板上设有采集电路以及供电电路。
7.所述采集电路包括液位传感器采集电路、水浸传感器采集电路、电导率传感器采集电路。
8.所述液位传感器采集电路中，场效应管q13的栅极通过电阻r49接地，场效应管q13的源极接地，场效应管q13的漏极电连接场效应管q9的栅极并且还通过电阻r42电连接场效应管q9的源极，场效应管q9的漏极先电连接电阻r43，再通过并联的电阻r45和电容c66接地，端口j6的2接口电连接场效应管q9的源极，端口j6的3接口接地；低功耗微控制器的液位adc使能引脚电连接场效应管q13的栅极，低功耗微控制器的液位adc采样引脚通过电阻r43电连接场效应管q9的漏极，供电电路电连接端口j6的1接口。
9.所述水浸传感器采集电路中，场效应管q11的栅极通过电阻r47接地，场效应管q11的源极接地，场效应管q11的漏极电连接场效应管q7的栅极并且还通过电阻r38电连接场效应管q7的源极，场效应管q7的漏极通过电阻r39和电容c64接地，场效应管q7的漏极还通过电阻r39电连接端口j7的1接口，端口j7的2接口接地；低功耗微控制器的水浸adc使能引脚
电连接场效应管q11的栅极，低功耗微控制器的水浸adc采样引脚电连接端口j7的1接口，供电电路电连接场效应管q7的源极。
10.所述电导率传感器采集电路中，第一芯片的b1引脚电连接第二芯片的ro引脚，第一芯片的b2引脚电连接第二芯片的di引脚，第一芯片的b3引脚同时电连接第二芯片的re引脚与de引脚，第二芯片的a引脚通过电阻r53电连接端口j10的1接口，第二芯片的a引脚通过电阻r53和双向tvs二极管d14接地，第二芯片的a引脚通过电阻r54连接供电电路，第二芯片的b引脚通过电阻r51电连接端口j10的2接口，第二芯片的b引脚通过电阻r51和双向tvs二极管d11接地，第二芯片的b引脚通过电阻r50接地，端口j10的1接口与2接口之间还并联电阻r52与双向tvs二极管d13，第一芯片的vcca引脚、vccb引脚、oe引脚以及第二芯片的vcc引脚电连接供电电路，第一芯片的gnd引脚与第二芯片的gnd引脚接地；低功耗微控制器的rx引脚电连接第一芯片的a1引脚，低功耗微控制器的tx引脚电连接第一芯片的a2引脚，低功耗微控制器的dir引脚电连接第一芯片的a3引脚。
11.所述低功耗微控制器为stm32l051c8t6单片机；所述通讯模块为bc25通讯模块；所述第一芯片为rs0104yq单片机，第二芯片为5hvd3082edr单片机。
12.所述供电电路包括控制器供电电路、通讯模块供电电路、液位传感器供电电路、水浸传感器供电电路、电导率传感器供电电路。
13.所述感知器上还设有与电路板电连接的调试端口。
14.所述液位传感器电连接端口j6；所述水浸传感器电连接端口j7；所述电导率传感器电连接端口j10。
15.一种基于物联网的水文智能感知设备的智能诊断和预警方法，包括以下步骤：
16.步骤1、利用液位传感器检测雨水管网检查井内的液位深度；
17.步骤2、计算液位深度变化率δz/δt，δz为水位差，δt为时间间隔，如果δz/δt小于事先设定的标准值或3倍标准差3σ，σ为液位变化率标准差，则液位变化属于正常波动，否则液位变化初步归类为异常变化，进入下一步；
18.步骤3、利用水浸传感器检测液面是否超过设定的水位警戒值，并累计高水位持续时间t1，进一步判断液位变化是否为异常变化，如属于异常变化则进入下一步；
19.步骤4、利用电导率传感器检测水体的电导率，电导率低于1000μs/cm时表示液体为雨水，电导率在1500-2000μs/cm时表示液体为未经处理的生活污水，电导率大于2000μs/cm时表示液体为工业废水；
20.步骤5、水文智能感知设备向远程的云平台发送数据，云平台结合检查井周边的雨量做进一步分析和判断，如果周边的雨量值较小甚至为0，判断为企业污水借助雨水管网偷排；
21.步骤6、云平台进行预警动作，将预警信息发送给工作人员。
22.本发明的有益效果是：
23.本发明用于解决传统人工监测方式获取到的水文水质信息存在实时性差的问题以及人工监测方式无法长时间对雨水管网检查井进行数据监测的问题；本发明通过降低设备的功耗，维持对雨水管网检查井进行长期有效的监测，并且将监测到的数据信息上传至云平台，保证监测数据的实时性，若部分企业利用雨水管网将生产污水排入雨水管道，对受纳水体造成污染，远程的云平台通过获取水文智能感知设备上传的数据信息以及周围的降
雨量信息，可以判断雨水管网有无发生污水偷排的现象。
附图说明
24.图1是本发明的水文智能感知设备的示意图。
25.图2是本发明的水文智能感知设备的连接关系示意图。
26.图3是本发明的水文智能感知设备的供电电路的连接关系示意图。
27.图4是本发明的水文智能感知设备的液位传感器采集电路原理图。
28.图5是本发明的水文智能感知设备的水浸传感器采集电路原理图。
29.图6是本发明的水文智能感知设备的电导率传感器采集电路原理图。
30.图7是本发明的水文智能感知设备的通讯模块的引脚图。
具体实施方式
31.以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
32.如图1所示，一种基于物联网的水文智能感知设备，包括感知器1、传感器、外置天线7。所述感知器中分别设有低功耗微控制器、电路板2、电池3、通讯模块、调试端口。
33.所述电路板分别电连接低功耗微控制器、传感器、电池、通讯模块、调试端口。所述通讯模块电连接外置天线。所述传感器包括液位传感器4、水浸传感器5、电导率传感器6，这些传感器用于分别获取排水管网检查井中水体的液位深度、水体的警戒值以及水体的电导率。
34.所述电路板上设有采集电路以及供电电路。所述采集电路包括液位传感器采集电路、水浸传感器采集电路、电导率传感器采集电路。所述供电电路包括控制器供电电路、通讯模块供电电路、液位传感器供电电路、水浸传感器供电电路、电导率传感器供电电路。所述供电电路为常规电路。
35.所述低功耗微控制器通过串口2和调试端口电连接，用于程序的调试。所述低功耗微控制器与控制器供电电路电连接，控制器供电电路对低功耗微控制器进行供电。低功耗微控制器还分别电连接通讯模块供电电路、液位传感器供电电路、水浸传感器供电电路、电导率传感器供电电路，低功耗微控制器通过控制各个供电电路，进一步控制液位传感器、水浸传感器、电导率传感器以及通讯模块的睡眠状态和工作状态。
36.所述低功耗微控制器通过电导率传感器采集电路获取电导率传感器的电导率数值，低功耗微控制器通过水浸传感器采集电路获取水浸传感器电压来辨别水浸传感器是否处于浸水状态，低功耗微控制器通过液位传感器采集电路获取液位传感器的电压值来判断液位高度，并且进一步将上述采集到的传感器数据处理后，通过串口1与通讯模块进行通讯，再利用外置天线把处理后的数据发送至远程的云平台。
37.所述控制器供电电路中设有tps78218dccr开关电源芯片，tps78218dccr开关电源芯片将电压降压到1.8v电压后给低功耗微控制器供电。所述通讯模块供电电路中设有ap2280-1wg开关电源芯片。所述液位传感器供电电路中设有tps61070ddcr开关电源芯片。所述水浸传感器供电电路中设有tps61070ddcr开关电源芯片。所述电导率传感器供电电路中设有tps61070ddcr开关电源芯片。各tps61070ddcr开关电源芯片将电压升压到5v后再给液位传感器、水浸传感器、电导率传感器进行供电。当水文智能感知设备进入睡眠状态时，
各供电电路降低供电能力，以减少电池电量的损耗。考虑到设备需要长期在检查井中进行工作，在保证设备正常运行的同时，为延长设备的使用时间，还可外接3.7v的锂电池给整个设备供电。
38.所述液位传感器采集电路中，场效应管q13的栅极通过电阻r49接地，场效应管q13的源极接地，场效应管q13的漏极电连接场效应管q9的栅极并且还通过电阻r42电连接场效应管q9的源极，场效应管q9的漏极先电连接电阻r43，再通过并联的电阻r45和电容c66接地，端口j6的2接口电连接场效应管q9的源极，端口j6的3接口接地。低功耗微控制器的液位adc使能引脚电连接场效应管q13的栅极，低功耗微控制器的液位adc采样引脚通过电阻r43电连接场效应管q9的漏极，供电电路(液位传感器供电电路)电连接端口j6的1接口。所述液位传感器电连接端口j6。
39.当低功耗微控制器的液位adc使能引脚导通时，场效应管q13与场效应管q9导通，液位传感器采集电路通过j6端口的2号引脚获取液位传感器信号，并将采集到的液位压力值转换成的电压信号，低功耗微控制器通过液位adc采样引脚采集液位传感器的电压，并将采集到的电压信号转换为相应的水位深度。低功耗微控制器定期获取液位传感器数据，数据采集任务结束时，低功耗微控制器控制液位传感器供电电路降低液位传感器的供电能力，使得液位传感器进入睡眠状态。
40.所述水浸传感器采集电路中，场效应管q11的栅极通过电阻r47接地，场效应管q11的源极接地，场效应管q11的漏极电连接场效应管q7的栅极并且还通过电阻r38电连接场效应管q7的源极，场效应管q7的漏极通过电阻r39和电容c64接地，场效应管q7的漏极还通过电阻r39电连接端口j7的1接口，端口j7的2接口接地。低功耗微控制器的水浸adc使能引脚电连接场效应管q11的栅极，低功耗微控制器的水浸adc采样引脚电连接端口j7的1接口，供电电路(水浸传感器供电电路)电连接场效应管q7的源极。所述水浸传感器电连接端口j7。
41.当低功耗微控制器的水浸adc使能引脚导通时，场效应管q11与场效应管q7导通，水浸传感器采集电路通过j7端口的1号引脚获取水浸传感器电压信号，并且将电压信号传输给低功耗微控制器，低功耗微控制器通过水浸传感器电压值判断雨水排水管网检查井内液位是否到达设定的警戒值。低功耗微控制器定期获取数据采集模块中的水浸传感器数据，数据采集任务结束时，低功耗微控制器控制水浸传感器供电电路，降低水浸传感器的供电能力，使得水浸传感器进入睡眠状态。
42.所述电导率传感器，用于监测水体中的电导率，因为电导率是衡量水质的一个重要指标，它表示水中存在电解质的浓度，其值的大小与其所含无机酸、碱、盐的量有一定关系，并且和溶解固体量浓度成正比。不同类型的水体有不同的电导率，水体中电导率的突然升高或降低可能表明存在污染。由于污水中含有额外的氯离子、磷酸根、硝酸根和金属离子，因此污水泄漏将增加电导率。而漏油或添加其他有机化合物会降低电导率，因为这些元素不会分解成离子。通常雨水会保持相当稳定的电导率，其电导率数值一般低于1000μs/cm，未经处理的生活污水电导率在1500-2000μs/cm，而工业废水中通常含有更多的盐成分、离子成分、杂质成分，因此工业废水中的电导率往往在几千到几万μs/cm的范围，因此可通过检测水体中电导率值的大小来判断液位异常变化的原因是雨水还是企业污水偷排导致。
43.所述电导率传感器采集电路中，第一芯片的b1引脚电连接第二芯片的ro引脚，第一芯片的b2引脚电连接第二芯片的di引脚，第一芯片的b3引脚同时电连接第二芯片的re引
脚与de引脚，第二芯片的a引脚通过电阻r53电连接端口j10的1接口，第二芯片的a引脚通过电阻r53和双向tvs二极管d14接地，第二芯片的a引脚通过电阻r54连接供电电路(电导率传感器供电电路)，第二芯片的b引脚通过电阻r51电连接端口j10的2接口，第二芯片的b引脚通过电阻r51和双向tvs二极管d11接地，第二芯片的b引脚通过电阻r50接地，端口j10的1接口与2接口之间还并联电阻r52与双向tvs二极管d13，第一芯片的vccb引脚、oe引脚以及第二芯片的vcc引脚电连接电导率传感器供电电路，第一芯片的vcca引脚电连接控制器供电电路，第一芯片的gnd引脚与第二芯片的gnd引脚接地；低功耗微控制器的rx引脚电连接第一芯片的a1引脚，低功耗微控制器的tx引脚电连接第一芯片的a2引脚，低功耗微控制器的dir引脚电连接第一芯片的a3引脚。所述电导率传感器电连接端口j10。
44.当低功耗微控制器的dir引脚导通时，第一芯片与第二芯片进行通讯，电导率传感器采集电路通过j10端口的1和2号引脚获取电导率传感器信号，并将采集到的电导率数据通过第一芯片传输给低功耗微控制器。低功耗微控制器定期获电导率传感器数据，数据采集任务结束时，低功耗微控制器控制电导率传感器供电电路，降低电导率传感器的供电能力，使得电导率传感器进入睡眠状态。
45.所述低功耗微控制器对采集到的数据(液位深度、水体的警戒值和水体的电导率)进行处理，通过通讯模块发送至远程的云平台。当数据发送完成后，低功耗微控制器控制通讯模块供电电路，降低通讯模块的供电能力，使得低功耗通讯模块进入睡眠状态。云平台获取到上传的数据信息后，再结合周围的雨量站的降雨量信息，判断雨水管网有无污水偷排现象。所述通讯模块可以接收云平台下发的指令操作，低功耗微控制器接收到下发指令后，对设备的整体软件系统进行升级。
46.所述低功耗微控制器为32位的单片机，用于控制水文智能感知设备的正常运行，低功耗微控制器为stm32l051c8t6单片机。所述通讯模块为bc25通讯模块。所述第一芯片为rs0104yq单片机，第二芯片为5hvd3082edr单片机。这些部件均可外购获得。
47.一种基于物联网的水文智能感知设备的智能诊断和预警算法，包括以下步骤：
48.步骤1、利用液位传感器检测雨水管网检查井内的液位深度；
49.步骤2、计算液位深度变化率δz/δt，δz为水位差，δt为时间间隔，如果δz/δt小于事先设定的标准值或3倍标准差3σ，σ为液位变化率标准差，则液位变化属于正常波动，否则液位变化初步归类为异常变化，进入下一步；
50.步骤3、利用水浸传感器检测液面是否超过设定的水位警戒值，并累计高水位持续时间t1，进一步判断液位变化是否为异常变化(事先设定标准值，持续时间t1达到标准值则为异常)，如属于异常变化则进入下一步；
51.步骤4、用电导率传感器检测水体的电导率，依据电导率来判断液位异常增加的原因是雨水还是污水导致；
52.判断的依据是：雨水的电导率相当稳定，其电导率数值低于1000μs/cm；未经处理的生活污水电导率数值在1500-2000μs/cm的范围内；工业废水中通常含有更多的盐成分、离子成分、杂质成分，因此工业废水中的电导率往往在几千到几万μs/cm的范围内，以电导率数值大于1000μs/cm为判断标准，可根据实际情况调整；
53.步骤5、水文智能感知设备向远程的云平台发送数据，云平台结合检查井周边的雨量做进一步分析和判断，如果周边的雨量值较小甚至为0，判断为企业污水借助雨水管网偷
排；可以在检查井周边设置的雨量计或者采用周边雨量站的数据进行对比；
54.步骤6、云平台进行预警动作，将预警信息发送给工作人员。