本實用新型涉及一種水位監(jiān)測裝置，具體地說是一種水庫水位測量裝置。

背景技術(shù)：

水庫水位測量是水文水利部門的重點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生惡劣的天氣情況時，如果沒有及時進(jìn)行精確而有效的水位監(jiān)測，水位超出達(dá)警戒線，會造成嚴(yán)重的水澇災(zāi)害。

在水利行業(yè)應(yīng)用中，水位檢測目前主要使用浮子式、壓力傳感式、超聲波式、雷達(dá)和激光等應(yīng)用的水位計。這些水位計因構(gòu)造原理不同，在實際應(yīng)用前需要考慮適用范圍、建設(shè)成本以及施工難度等制約和影響。視頻水位計提供了一種新的水位檢測手段，它不但可以檢測水位，而且依賴網(wǎng)絡(luò)同時上傳的視頻/ 圖像還能證明該技術(shù)檢測結(jié)果的正確性。此外，該技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)用和維護(hù)的成本也非常低。因此，該技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景和市場需求。在實際中，該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵是必須解決好光照和天氣等自然條件對其檢測結(jié)果的不利影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述不足，本實用新型提供了一種水庫水位測量裝置，能夠提高水庫水位測量的可靠性和檢測精度。

本實用新型解決其技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是：一種水庫水位測量裝置，包括水位尺和水位檢測裝置，其特征是，所述水位尺包括帶刻度的標(biāo)尺，標(biāo)尺設(shè)置在底座上，在標(biāo)尺上設(shè)置有沿標(biāo)尺隨水位升降而上下移動的浮標(biāo)，所述浮標(biāo)朝向水位檢測裝置的一側(cè)面上設(shè)置有反光條，所述標(biāo)尺的上端設(shè)置有球狀防脫帽；所述水位檢測裝置包括殼體以及設(shè)置在殼體內(nèi)的攝像頭、補(bǔ)光燈、STM32F407單片機(jī)、存儲器、雨量傳感器、25M有源晶振、STM8L151單片機(jī)、太陽能電池板、充電控制電路、鋰電池、開關(guān)控制電路、穩(wěn)壓電路和GPRS模塊，所述STM32F407單片機(jī)分別與攝像頭、補(bǔ)光燈、存儲器、25M有源晶振、STM8L151單片機(jī)和穩(wěn)壓電路連接，所述充電控制電路分別與太陽能電池板和鋰電池電連接，所述鋰電池分別與STM8L151單片機(jī)和開關(guān)控制電路連接，所述開關(guān)控制電路的控制端與STM8L151單片機(jī)連接，所述穩(wěn)壓電路分別與STM32F407單片機(jī)和攝像頭連接，所述GPRS模塊與STM8L151單片機(jī)連接；在殼體朝向水位尺的側(cè)面上設(shè)置有通孔，所述攝像頭正對通孔設(shè)置，在殼體通孔處的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)置有通孔開關(guān)機(jī)構(gòu)，用以遮擋通孔。

優(yōu)選地，所述通孔開關(guān)機(jī)構(gòu)包括固定在殼體內(nèi)側(cè)壁上的支架板，在支架板一端設(shè)置有與通孔相應(yīng)大小的通光孔，支架板另一端設(shè)置有水平的軌道孔，軌道孔與通光孔聯(lián)通，在支架板靠近殼體側(cè)壁一側(cè)設(shè)置有滑槽，在滑槽內(nèi)設(shè)置有左右移動的遮擋板，所述遮擋板背面設(shè)置有在軌道孔左右移動的齒條，所述齒條與設(shè)置在旋轉(zhuǎn)軸上的齒輪嚙合，所述旋轉(zhuǎn)軸的上端與固定在支架板上的步進(jìn)電機(jī)的輸出軸連接，旋轉(zhuǎn)軸的下端設(shè)置在固定在支架板上的軸承座內(nèi)，在支架板左右兩端對應(yīng)齒條移動行程的位置分別設(shè)置有一個限位開關(guān)；所述支架板上還設(shè)置有拉式電磁鐵，當(dāng)遮擋板遮擋通光孔和通孔時拉式電磁鐵的擋頭下落在齒條遠(yuǎn)離通光孔的一端；所述限位開關(guān)的輸出端與STM32F407單片機(jī)連接，所述步進(jìn)電機(jī)的控制端通過驅(qū)動電路與STM32F407單片機(jī)連接，所述拉式電磁鐵的控制端與STM32F407單片機(jī)連接。

優(yōu)選地，所述水位檢測裝置還包括雨量傳感器，所述雨量傳感器設(shè)置在殼體上方且雨量傳感器的數(shù)據(jù)輸出端與TM32F407單片機(jī)連接。

優(yōu)選地，所述攝像頭采用OV2640攝像頭，所述攝像頭連接有24M有源晶振，所述存儲器采用AT24C02存儲芯片。

優(yōu)選地，所述GPRS模塊包括SIM800C模塊、SIM卡和MIC29302芯片，所述SIM800C模塊分別與STM8L151單片機(jī)和電源模塊連接，所述SIM卡設(shè)置在SIM800C模塊的卡槽內(nèi)，所述MIC29302芯片的控制端與STM8L151單片機(jī)連接。

本實用新型的有益效果是：

本實用新型的水位尺可在常規(guī)的水位尺加裝上下移動的浮標(biāo)，浮標(biāo)正對攝像頭的側(cè)面帶反光材料，常規(guī)水位尺的四面均帶有刻度，此刻度僅作為人工目測使用，不作為拍攝識別符使用。水位尺的上段裝飾球體防脫帽，用以裝飾和限制浮標(biāo)脫落，水位尺的下端用鑄鐵或水泥澆灌而成，放在水庫中合適的位置，起牢固作用。

本實用新型通過在水位尺上加裝帶反光橫條的浮標(biāo)，浮標(biāo)隨水位變化而上下浮動，對浮標(biāo)上的反光條進(jìn)行拍攝，水位尺具有易識別和簡單實用的優(yōu)點(diǎn)，在水位尺上具有隨時同水面一起起伏的浮標(biāo)，而帶反光橫條浮標(biāo)與水體具有較大的區(qū)別，極容易正確識別出水位線；攝像頭對水位尺進(jìn)行拍攝獲取一維圖像，由此圖像求得所在圖像區(qū)域的縱向位置，即可精度測量水位高度。水位檢測裝置控制核心采用低功耗單片機(jī)來管理整個系統(tǒng)，極大降低了功耗，采用太陽能電池供電，便于安裝，水位檢測裝置密封在殼體內(nèi)，通過控制通孔開關(guān)機(jī)構(gòu)打開遮擋板進(jìn)行攝像；該水位檢測裝置具有雨量傳感器，可根據(jù)雨量情況智能監(jiān)測水庫水位情況，不受環(huán)境影響，晝夜均可工作。該裝置軟硬件成本低，功能強(qiáng)，測量精度高，誤差小，便于產(chǎn)業(yè)化。

附圖說明

圖1（a）和圖1（b）為現(xiàn)有技術(shù)的水位尺示意圖；

圖2為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實用新型所述水位尺的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4（a）、圖4（b）和圖4（c）為本實用新型的水檢測原理示意圖，圖4（a）為初始圖像示意圖，圖4（b）為水庫水位上升圖像示意圖，圖4（c）為水位線下降圖像示意圖；

圖5為本實用新型所述水位檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本實用新型所述水位檢測裝置的控制核心電路原理圖；

圖7為本實用新型所述GPRS模塊的電路原理圖；

圖8為本實用新型所述通孔開關(guān)機(jī)構(gòu)（支架板背離殼體側(cè)壁一側(cè)）的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為本實用新型所述通孔開關(guān)機(jī)構(gòu)（支架板靠近殼體側(cè)壁一側(cè)）的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1為水位檢測裝置，11為帶刻度的標(biāo)尺，12為底座，13為浮標(biāo)，14為反光條，15為球狀防脫帽，2為水位尺，3為水庫壩體，4為水庫；501為支架板、502為通光孔、503為軌道孔、504為滑槽、505為遮擋板、506為齒條、507為旋轉(zhuǎn)軸、508為齒輪、509為步進(jìn)電機(jī)、510為軸承座、511和512為限位開關(guān)、513為拉式電磁鐵。

具體實施方式

為能清楚說明本方案的技術(shù)特點(diǎn)，下面通過具體實施方式并結(jié)合其附圖對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)闡述。下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現(xiàn)本實用新型的不同結(jié)構(gòu)。為了簡化本實用新型的公開，下文中對特定例子的部件和設(shè)置進(jìn)行描述。此外，本實用新型可以在不同例子中重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設(shè)置之間的關(guān)系。應(yīng)當(dāng)注意，在附圖中所圖示的部件不一定按比例繪制。本實用新型省略了對公知組件和處理技術(shù)及工藝的描述以避免不必要地限制本實用新型。

如圖2和圖3所示，本實用新型的一種水庫水位測量裝置，它包括水位尺1和水位檢測裝置2，所述水位尺1設(shè)置在水庫4中，所述水位檢測裝置2設(shè)置在水庫壩體3上用以采集水庫水位數(shù)據(jù)；所述水位尺1包括帶刻度的標(biāo)尺11，標(biāo)尺11設(shè)置在底座12上，在標(biāo)尺11上設(shè)置有沿標(biāo)尺隨水位升降而上下移動的浮標(biāo)13，所述浮標(biāo)13朝向水位檢測裝置的一側(cè)面上設(shè)置有反光條14；所述標(biāo)尺11的上端設(shè)置有球狀防脫帽15。帶浮標(biāo)的水位尺可在常規(guī)的水位尺加裝上下移動的浮標(biāo)，浮標(biāo)正對攝像頭的側(cè)面帶反光材料，常規(guī)水位尺的四面均帶有刻度，此刻度僅作為人工目測使用，不作為拍攝識別符使用。水位尺的上段裝飾球體防脫帽，用以裝飾和限制浮標(biāo)脫落，水位尺的下端用鑄鐵或水泥澆灌而成，放在水庫中合適的位置，起牢固作用。

如圖5和圖6所示，所述水位檢測裝置包括殼體以及設(shè)置在殼體內(nèi)的攝像頭、補(bǔ)光燈、STM32F407單片機(jī)、存儲器、雨量傳感器、25M有源晶振、STM8L151單片機(jī)、太陽能電池板、充電控制電路、鋰電池、開關(guān)控制電路、穩(wěn)壓電路和GPRS模塊，所述STM32F407單片機(jī)分別與攝像頭、補(bǔ)光燈、存儲器、25M有源晶振、STM8L151單片機(jī)和穩(wěn)壓電路連接，所述充電控制電路分別與太陽能電池板和鋰電池電連接，所述鋰電池分別與STM8L151單片機(jī)和開關(guān)控制電路連接，所述開關(guān)控制電路的控制端與STM8L151單片機(jī)連接，所述穩(wěn)壓電路分別與STM32F407單片機(jī)和攝像頭連接，所述GPRS模塊與STM8L151單片機(jī)連接；在殼體朝向水位尺的側(cè)面上設(shè)置有通孔，所述攝像頭正對通孔設(shè)置，在殼體通孔處的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)置有通孔開關(guān)機(jī)構(gòu)，用以遮擋通孔。

所述水位檢測裝置還包括雨量傳感器，所述雨量傳感器設(shè)置在殼體上方且雨量傳感器的數(shù)據(jù)輸出端與TM32F407單片機(jī)連接；所述攝像頭采用OV2640攝像頭，所述攝像頭連接有24M有源晶振，所述存儲器采用AT24C02存儲芯片。

如圖7所示，所述GPRS模塊包括SIM800C模塊、SIM卡和MIC29302芯片，所述SIM800C模塊分別與STM8L151單片機(jī)和電源模塊連接，所述SIM卡設(shè)置在SIM800C模塊的卡槽內(nèi)，所述MIC29302芯片的控制端與STM8L151單片機(jī)連接。

如圖8和圖9所示，所述通孔開關(guān)機(jī)構(gòu)包括固定在殼體內(nèi)側(cè)壁上的支架板501，在支架板1一端設(shè)置有與通孔相應(yīng)大小的通光孔502，支架板501另一端設(shè)置有水平且與通光孔502聯(lián)通的軌道孔503，在支架板501靠近殼體側(cè)壁一側(cè)設(shè)置有滑槽504，在滑槽504內(nèi)設(shè)置有左右移動的遮擋板505，所述遮擋板505背面設(shè)置有在軌道孔左右移動的齒條506，所述齒條506與設(shè)置在旋轉(zhuǎn)軸507上的齒輪508嚙合，所述旋轉(zhuǎn)軸507的上端與固定在支架板上的步進(jìn)電機(jī)509的輸出軸連接，旋轉(zhuǎn)軸的下端設(shè)置在固定在支架板上的軸承座510內(nèi)，在支架板左右兩端對應(yīng)齒條移動行程的位置分別設(shè)置有一個限位開關(guān)511和512；所述支架板1上還設(shè)置有拉式電磁鐵513，當(dāng)遮擋板遮擋通光孔和通孔時拉式電磁鐵的擋頭下落在齒條506遠(yuǎn)離通光孔的一端；所述限位開關(guān)的輸出端與STM32F407單片機(jī)連接，所述步進(jìn)電機(jī)的控制端通過驅(qū)動電路與STM32F407單片機(jī)連接，所述拉式電磁鐵的控制端與STM32F407單片機(jī)連接。

通孔開關(guān)機(jī)構(gòu)的工作原理如下：步進(jìn)電機(jī)的輸出軸與旋轉(zhuǎn)軸固定在一起，旋轉(zhuǎn)軸跟齒輪固定一起，齒輪與齒條咬合一起，當(dāng)電機(jī)工作時，旋轉(zhuǎn)軸和齒輪旋轉(zhuǎn)，帶動齒條移動，齒條和遮擋板固定在一起上，從而帶動遮擋板移動打開或關(guān)閉通光孔和通孔。當(dāng)齒條移動到指定位置時會碰觸限位開關(guān)，限位開關(guān)會給STM32F407單片機(jī)一個信號，STM32F407單片機(jī)停止驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)工作。當(dāng)齒條移動碰觸到開進(jìn)通光孔處的限位開關(guān)時，遮擋板將通光孔關(guān)閉，此時給拉式電磁鐵斷電，拉式電磁鐵的擋頭會落下，擋住齒條，使齒條不能向遠(yuǎn)通光孔方向移動，防止外力將遮擋板打開，增強(qiáng)安全性。下次開啟時，首先給拉式電磁鐵上電，使擋頭抬起。通孔開關(guān)機(jī)構(gòu)通過STM32F407單片機(jī)的控制，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)自動打開和關(guān)閉通光孔和通孔。當(dāng)檢測水庫水位時，其自動將通光孔打開，使攝像頭穿過通光孔和通孔拍攝水位尺；當(dāng)檢測完成時，自動關(guān)閉通光孔和通孔，防止灰塵、雨水等進(jìn)入殼體內(nèi)，不僅減少了人工參與，節(jié)約了成本，而且做到了隨時檢測的目的。

在本實用新型檢測系統(tǒng)中，STM32F407單片機(jī)通過DCMI接口和I2C接口與攝像頭OV2640相連，單片機(jī)負(fù)責(zé)拍攝二維碼圖像并通過算法識別出真實讀數(shù)。STM32F407單片機(jī)和攝像頭分別提供25MHz和24MHz有源晶振，保證了系統(tǒng)時鐘的穩(wěn)定性，提高了抗干擾能力。在夜晚或在光線情況不好的時候拍攝，會對照片清晰度造成影響，因此需要通過補(bǔ)光燈（LED射燈）進(jìn)行燈光補(bǔ)償，STM32F407單片機(jī)管腳PB9控制LED的亮滅。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片L298N與STM32F407單片機(jī)相連，步進(jìn)電機(jī)通過4線制方式與驅(qū)動電路相連，單片機(jī)通過控制I/O的點(diǎn)評輸出高低以及順序來控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而控制通孔開關(guān)機(jī)構(gòu)動作。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動到指定位置時，碰觸限位開關(guān)，限位開關(guān)給單片機(jī)一個低電平中斷信號，STM32F407單片機(jī)停止驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。雨量傳感器通過放大電路與STM32F407單片機(jī)模擬引腳PA7相連，通過AD轉(zhuǎn)換，來判斷當(dāng)前是否是在下雨，若在下雨，則不拍照檢測。防止因下雨造成檢測結(jié)果的偏差。穩(wěn)壓電路的LDO芯片RT9193-1.8、RT9193-2.8為攝像頭提供穩(wěn)定的1.8V、2.8V電壓，RT9193-3.3為STM32F407單片機(jī)提供3.3V電壓，它們均能提供300mA以上電流，滿足系統(tǒng)工作。攝像頭在工作是的功耗在30mA左右，在攝像頭不工作時，可以使用STM32F407單片機(jī)管腳PA5控制攝像頭電源，使其工作在低功耗模式，在低功耗模式其工作電流是0.9mA，同時STM32F407單片機(jī)在空閑時也工作在低功耗模式，只有10μA，這樣就大大降低了功耗。

本實用新型的工作過程為：STM32F407單片機(jī)首先開啟PA7管腳的AD轉(zhuǎn)換，并根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果判斷此時是否下雨，若沒有下雨則開始檢測。STM32F407單片機(jī)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，帶動通孔開關(guān)機(jī)構(gòu)動作，打開殼體通孔，當(dāng)檢測到限位開關(guān)信號時，停止步進(jìn)電機(jī)動作。STM32F407單片機(jī)置低PA5管腳，使攝像頭切換到正常模式，并通過I2C接口與攝像頭通信，開始拍攝水位尺照片，通過DCMI接口讀取拍到的照片數(shù)據(jù)；然后識別出水位尺的真實水位讀數(shù)。STM32F407單片機(jī)拉高PA5管腳，使攝像頭工作在低功耗模式，然后STM32F407單片機(jī)切換到低功耗模式，完成水位檢測。

本實用新型進(jìn)行水庫水位測量的過程如下：

1）調(diào)節(jié)水位檢測裝置的角度和攝像頭的焦距，并使攝像頭正對水位尺且圖像清晰，對拍攝的圖像進(jìn)行圖像處理的特征圖像作為初始圖像，并根據(jù)基準(zhǔn)線標(biāo)定水庫水位高度為H；

2）通過雨量傳感器獲取雨量數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前是否是在下雨，如果不下雨進(jìn)入下一步，如果下雨則直接退出；

3）通過控制通孔開關(guān)機(jī)構(gòu)打開遮擋板對水位尺進(jìn)行拍攝；

4）對拍攝的圖像進(jìn)行處理得到特征圖像；

5）將實時拍攝的圖像與初始圖像進(jìn)行對比來判斷水位的升降情況。根據(jù)實時拍攝的圖像與初始圖像的對比獲取水位變化高度△h，如果實時水位高于基準(zhǔn)線，則水庫水位的高度為H+△h，如果實時水位低于基準(zhǔn)線，則水庫水位的高度為H-△h。

如圖4所示，攝像頭調(diào)整合適的焦距（拍攝距離設(shè)定范圍），通過對待浮標(biāo)的水位尺進(jìn)行拍攝，經(jīng)過圖像處理可以獲得特征圖像。圖4（a）為初始圖像，標(biāo)定水庫水位高度為H，當(dāng)水位線下降后，獲得圖像如圖4（c），通過圖像基準(zhǔn)線可求得水面下降△h，此刻水庫水面高度為H-△h；同理當(dāng)水庫水位上升，獲得圖像如圖4（b），此刻水庫水位高度為H+△h。通過該水位尺求得水位的精度很高，測量精度基本上是圖像的像素點(diǎn)的誤差。

此外，本實用新型的應(yīng)用范圍不局限于說明書中描述的特定實施例的工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法及步驟。從本實用新型的公開內(nèi)容，作為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地理解，對于目前已存在或者以后即將開發(fā)出的工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟，其中它們執(zhí)行與本實用新型描述的對應(yīng)實施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結(jié)果，依照本實用新型可以對它們進(jìn)行應(yīng)用。因此，本實用新型所附權(quán)利要求旨在將這些工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟包含在其保護(hù)范圍內(nèi)。