基于RISC-V的浮漂测流装置及方法与流程

本发明涉及河流流速测量，具体地说是基于risc-v的浮漂测流装置及方法。

背景技术：

1、河流流速作为一种重要的水文信息，是计算河流流量估计研究的基础。传统的流速测量依赖于各种仪器，转子式流速仪在20世纪80年代被国内外广泛应用于河流断面采样点的平均流速测量并计算相应的流量，因为其结构简单、易操作并且测速稳定准确的特性一直被沿用。但这类仪器需要人工定期定长操作进行测量，且一般是在白天进行局部范围测量，对于在夜晚因降水量过大引发的洪涝灾害而言，很难及时地去发现并提前做出预报策略，由于天然河流具有复杂的流动特性，难以使用点测量技术去大范围获取水速信息，恶劣条件下的现场环境又增加了水速测验的难度，不利于现代化防汛工作的展开。除了针对汛期易出现的洪涝灾害进行及时预报，对非汛期河流流动的长期监测也有利于依据长期时间节点、水位、水速等信息构建流量模型，进行大数据平台数据模拟，增加人们对明渠流动认识，为解决水利工程中应用流动理论进行求解的流体力学问题得到一定的数据模型支撑，因此对于水利工程应用中的自然河流的水速测量具有重要的意义。

2、水文上的流速是水流质点在单位时间内沿流程移动的位移，在实际计算中，获取准确的距离尺度和时间尺度极为困难，特别是应用于流体运动的速度估计过程。天然河道和人工河渠的流速信息都是水文水情监测的关键，也是流量模型计算的基础，因此河流的流速测量具有重要的研究意义。近年来，伴随着电子技术、传感器技术、计算机视觉技术的不断发展和进步，水文监测技术和设备在计算机视觉技术与电子技术发展进步的同时，也在朝着更加简单化、智能化和高精度方向发展。截至目前，河流流速测量方法可主要分为3类：第1类是传统的接触式流速仪测量法，第2类是通过非接触式的声学多普勒效应、光学、雷达来进行测量；第3类是结合计算机视觉技术的非接触式图像测速，适用于极端测流条件下，因通过视频进行监测，因此测量的一般是河流的表面流速。

3、针对河流测速的必要性以及现有河流测速方法的弊端，如何通过传统接触式测量方法实现河流测速并提高准确度，是需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的技术任务是针对以上不足，提供基于risc-v的浮漂测流装置及方法，来解决如何通过传统接触式测量方法实现河流测速并提高准确度的技术问题。

2、第一方面，本发明一种基于risc-v的浮漂测流装置，包括浮漂检测终端和云服务器；

3、所述浮漂检测终端包括球状外壳以及封装于外壳内的微控制器以及与微控制器电连接的数据采集模块和通信模块，所述数据采集模块用于实时采集浮漂检测终端的位置信息，并将位置信息发送到微控制器，所述微控制器用于将位置信息以及时间戳作为检测数据，并通过通信模块以无线通信的方式定时将检测数据发送至云服务器

4、所述云服务器用于存储、查看并导出检测数据，并基于位置信息和时间戳对浮漂检测终端的运动轨迹进行分析形成浮漂检测终端在河流中漂流的轨迹图，并用于基于浮漂检测终端的重量以及所在河流的断面过流面积、通过浮漂法计算河流的流速。

5、作为优选，所述微控制为risc-v芯片，所述数据采集模块为gps模块；

6、所述gps模块用于采集浮漂检测终端在河流中的位置信息和速度，其中位置信息包括维度、经度和海拔；

7、所述微控制用于获取gps模块采集的位置信息和速度，将维度、经度、海拔、速度以及时间戳作为检测数据封装为json包，并通过通信模块以无线通信的方式将json包发送至云服务器。

8、作为优选，所述通信模块用于以mqtt协议与云服务器进行数据传输。

9、作为优选，基于浮漂检测终端的重量以及所在河流的断面过流面积、通过浮漂法计算河流的流速，包括如下步骤：

10、在水流中浮漂收到重力垂直向下、大小等于浮漂重量，浮力垂直向上、大小等于浮漂排水重量，浮漂检测终端受到的合力为：

11、，

12、其中，为水密度，为浮漂检测终端的密度，为中立加速度，为浮漂排水体积；

13、浮漂检测终端的运动方程为：

14、，

15、其中，为浮漂质量，为浮漂加速度；

16、浮漂检测终端的运动方程等效为：

17、，

18、其中，为浮漂检测终端的速度，为浮漂检测终端在流域内运动的距离；

19、设定河流中水流速为，浮漂检测终端的速度表示为：

20、，

21、其中，为比例常数，与浮漂检测终端的形状和水流特性相关；

22、浮漂检测终端所在流域的水量为：

23、，

24、其中，为水流流量，为流域的断面过流面积，等于断面宽度与水深的乘积。

25、作为优选，外壳内封装有配重单元。

26、第二方面，本发明一种基于risc-v的浮漂测流方法，用于通过如第一方面任一项所述的一种基于risc-v的浮漂测流装置对河流进行测流，所述方法包括如下步骤：

27、将浮漂检测终端放置于待测的河流内，浮漂检测终端将其采集的位置信息和时间戳作为检测数据定时上传云服务器；

28、基于位置信息和时间戳、对浮漂检测终端的运动轨迹进行分析形成浮漂检测终端在河流中漂流的轨迹图，并基于浮漂检测终端的重量以及所在河流的断面过流面积、通过浮漂法计算河流的流速。

29、作为优选，通过浮漂检测终端中gps模块采集浮漂检测终端在河流中的位置信息和速度，其中位置信息包括维度、经度和海拔；

30、通过微控制获取gps模块采集的位置信息和速度，将维度、经度、海拔、速度以及时间戳作为检测数据封装为json包，并通过通信模块以无线通信的方式将json包发送至云服务器。

31、作为优选，基于浮漂检测终端的重量以及所在河流的断面过流面积、通过浮漂法计算河流的流速，包括如下步骤：

32、在水流中浮漂收到重力垂直向下、大小等于浮漂重量，浮力垂直向上、大小等于浮漂排水重量，浮漂检测终端受到的合力为：

33、，

34、其中，为水密度，为浮漂检测终端的密度，为中立加速度，为浮漂排水体积；

35、浮漂检测终端的运动方程为：

36、，

37、其中，为浮漂质量，为浮漂加速度；

38、浮漂检测终端的运动方程等效为：

39、，

40、其中，为浮漂检测终端的速度，为浮漂检测终端在流域内运动的距离；

41、设定河流中水流速为，浮漂检测终端的速度表示为：

42、，

43、其中，为比例常数，与浮漂检测终端的形状和水流特性相关；

44、浮漂检测终端所在流域的水量为：

45、，

46、其中，为水流流量，为流域的断面过流面积，等于断面宽度与水深的乘积。

47、本发明的基于risc-v的浮漂测流装置及方法具有以下优点：

48、1、浮漂检测终端被投放到需测量的河流流域内，通过内置的数据采集模块，漂浮检测装置能够实时获取自身的位置等信息，并通过内置通信模块将数据实时传输到云服务器中，大大提高了测量精度，减少了人为误差的可能性，同时，极大地提高了测量效率，降低了劳动强度；

49、2、服务器端可以根据一段时间内终端设备上报的位置信息绘制出设备的漂浮轨迹，计算在不同河流段内的河水的流速和流向等数据，同时服务器支持导出各水文系统所要求的数据文件格式，并支持数据轨迹回放，方便测试人员对测量数据进行处理和分析提取有用的信息，为工程决策提供依据，同时数据保存在云服务器中，不用担心数据遗失，保证了数据的安全性和可靠性。