基于Zigbee的多點(diǎn)采集自校正水位檢測儀及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水位測量領(lǐng)域，具體涉及一種基于Zigbee的多點(diǎn)采集自校正水位檢 測儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國水資源總量豐富，但人均占有量匱乏，是聯(lián)合國認(rèn)定的"水資源緊缺"國家，且 水資源分布嚴(yán)重不均。為了能夠合理有效地利用現(xiàn)有水資源，積極有效地推動(dòng)水利信息化 建設(shè)成為當(dāng)前刻不容緩的任務(wù)。水文信息的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、處理是水利信息化的基礎(chǔ)，水 位信息作為水庫蓄水、大壩安全、水利排灌調(diào)度、泄洪的重要參數(shù)之一，成為水利信息化建 設(shè)中不可或缺的因素?；谶@種情況需要設(shè)計(jì)一個(gè)安全穩(wěn)定，測量技術(shù)精確，適用范圍廣 泛，無線傳輸?shù)膬x器來完成這個(gè)任務(wù)。
[0003] 近年來，科技工作者在水位測量方面做了大量的工作，探討了多種接觸式和非接 觸式測量方法，諸如接觸式的壓力式、浮子式，非接觸式的超聲波式、光學(xué)式、雷達(dá)式等。這 些測量方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，比如浮子式的結(jié)構(gòu)比較簡單，但水流較大時(shí)準(zhǔn)確度較低；壓力式 大都是投入型，測量環(huán)境要求較高；雷達(dá)式測量精度高，但價(jià)格昂貴；超聲波式是比較理想 的水位測量的設(shè)備，測量精度較高，但其結(jié)果也會(huì)受到溫度濕度等環(huán)境因素的影響。且這 些水位儀大多為手持式，人工記錄結(jié)果，無法適應(yīng)目前的水利信息化建設(shè)；目前已研發(fā)出具 有自動(dòng)存儲(chǔ)傳輸?shù)乃粌x，但均未有線傳輸，且由于傳輸過程的不同干擾以及電子器件的 易損性，導(dǎo)致輸出出錯(cuò)率和漏報(bào)率較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于Zigbee的多點(diǎn)采集自校正水位檢測儀，克服了現(xiàn) 有技術(shù)的不足之處，穩(wěn)定性好，準(zhǔn)確性高，設(shè)備簡單、具有預(yù)報(bào)預(yù)警功能，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于Zigbee的多點(diǎn)采集自校正水位檢測儀，包括 一個(gè)MCU控制單元和三個(gè)數(shù)據(jù)采集單元；所述的MCU控制單元包括第一電源、第一單片機(jī) 最小系統(tǒng)、時(shí)鐘模塊、警戒水位設(shè)置模塊、液晶顯示模塊、報(bào)警模塊、第一Zigbee模塊和第 一主控芯片；所述的數(shù)據(jù)采集單元包括第二電源、第二單片機(jī)最小系統(tǒng)、水位傳感器、溫濕 度采集模塊、第二Zigbee模塊和第二主控芯片；數(shù)據(jù)采集單元通過水位傳感器和溫濕度 采集模塊將獲取的實(shí)時(shí)水位和溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)最小系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由第二 Zigbee模塊傳送至MCU控制單元；MCU控制單元對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、顯示，并將最 終數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器。
[0006] 進(jìn)一步，所述的MCU控制單元中的第一主控芯片采用STC89C55單片機(jī)，數(shù)據(jù)采集 單元中的第二主控芯片采用STC89C51單片機(jī)。
[0007] 進(jìn)一步，所述的溫濕度傳感器的型號(hào)為SHT11。
[0008] 進(jìn)一步，所述的水位傳感器為超聲波傳感器。
[0009] 本發(fā)明還包括一種基于Zigbee的多點(diǎn)采集自校正水位自動(dòng)測量方法，包括如下 步驟：
[0010]SI，通過水位傳感器和溫濕度傳感器對(duì)水位信息進(jìn)行測量；
[0011]S2,將得到的水位和溫濕度值進(jìn)行自動(dòng)校正得到多點(diǎn)水位值；
[0012]S3,三個(gè)數(shù)據(jù)采集單元將各點(diǎn)水位值數(shù)據(jù)發(fā)送至MCU控制單元；
[0013]S4,MCU控制單元將得到的多點(diǎn)水位值使用數(shù)據(jù)融合的方法得到最終的水位值。
[0014]S5，將最終水位值發(fā)送至服務(wù)器。
[0015] 進(jìn)一步，所述溫濕度傳感器測量過程如下：
[0016] 第二單片機(jī)最小系統(tǒng)控制溫濕度傳感器采集溫濕度信號(hào)，溫濕度傳感器為串行數(shù) 據(jù)輸出，第二單片機(jī)最小系統(tǒng)根據(jù)其數(shù)據(jù)格式將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的溫度值和濕度值； 由溫濕度值對(duì)聲速值進(jìn)行修正，計(jì)算公式如下所示：
[0017]V=V0+kJ+k2RH%
[0018] 其中VQ= 331. 5m/s，為零度干燥環(huán)境下的聲速；T為測的溫度值；RH%為測得的濕 度值；bk2分別為溫度值和濕度值偏斜率系數(shù)，可通過測量標(biāo)定而得到。
[0019] 進(jìn)一步，所述超聲波傳感器測量過程如下：
[0020] 當(dāng)?shù)诙纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)控制超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波信號(hào)時(shí)，第二單片機(jī)最小系 統(tǒng)同時(shí)觸發(fā)內(nèi)部定時(shí)器，開始計(jì)時(shí)；當(dāng)超聲波接受器接收到反射波時(shí)，關(guān)閉定時(shí)器；根據(jù)定 時(shí)器記錄的時(shí)間間隔即可得到水位值，計(jì)算公式如下所示：
[0022] 其中I；為定時(shí)器的計(jì)時(shí)結(jié)果；V為超聲波的修正后的波速。
[0023] 進(jìn)一步，所述的MCU控制單元接收三組數(shù)據(jù)，需要通過數(shù)據(jù)融合的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn) 行簡單處理，其處理過程如下：
[0024]S1，獲取三組數(shù)據(jù)的平均值，計(jì)算公式如下：
[0026] 其中，77為水位平均值，HpH2、成分別為獲取的三個(gè)水位值。
[0027] S2,剔除異常值，具體判斷過程如下：如果|丑1-互|>2，則舍棄氏；同理，如果 I盡-互丨2 2 ,則舍棄H2;如果|i/3 -互|> 2 ,則舍棄H3。
[0028]S3,重新計(jì)算平均值，即將未舍棄的數(shù)據(jù)計(jì)算平均值；若所有數(shù)據(jù)均在第二步中舍 棄，則此組數(shù)據(jù)全部舍棄。
[0029] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果為：
[0030] 1、本發(fā)明考慮電子器件的易損性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)某鲥e(cuò)率，采用多點(diǎn)采集，自組網(wǎng)實(shí) 現(xiàn)數(shù)據(jù)的自我校正，不僅具有較高的精確度、實(shí)時(shí)性，且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)和傳輸。
[0031] 2、本發(fā)明具有較高的實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)采集單元按照1次/分鐘的采樣頻率將數(shù)據(jù)自 動(dòng)發(fā)送至MCU控制單元。
[0032] 3、本發(fā)明具有較高的精確度，通過采集的溫濕度值對(duì)聲波波速進(jìn)行自動(dòng)修正，使 最終結(jié)果的精確度較高。
[0033] 4、本發(fā)明具有較好的交互性，不僅能夠在顯示器上動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的顯示水位，以及周 圍的溫濕度信息，還可以設(shè)置水位的警戒值并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警。
[0034] 5、本發(fā)明適合測量水庫、渠道等開放性場合的水位，產(chǎn)品便于維護(hù)及技術(shù)升級(jí)，而 不用對(duì)硬件及軟件做出太大的修改，降低了維護(hù)升級(jí)的成本。
[0035] 本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并 且在某種程度上，基于對(duì)下文的考察研宄對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可 以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。
【附圖說明】
[0036] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037] 圖2為本發(fā)明的MCU控制單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖3為本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039] 圖4為本發(fā)明中電源模塊的原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0041] 如圖1所示，本發(fā)明中的多采集自校正水位監(jiān)測系統(tǒng)包括一個(gè)MCU控制單元1和 三個(gè)數(shù)據(jù)采集單元2,各單元中均含有Zigbee模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)傳輸。如圖2所示，MCU 控制單元包括第一電源4、第一單片機(jī)最小系統(tǒng)5、警戒水位設(shè)置模塊7、液晶顯示模塊8、報(bào) 警模塊9、時(shí)鐘模塊6、第一主控芯片3和第一Zigbee模塊10,第一主控芯片3分別與各個(gè) 模塊連接。如圖3所示，數(shù)據(jù)采集單元2包括第二電源12、第二單片機(jī)最小系統(tǒng)13、水位傳 感器14、溫濕度采集模塊15、第二主控芯片11和第二Zigbee模塊16,其中的各個(gè)模塊均與 第二主控芯片11相連。數(shù)據(jù)采集單元2的水位傳感器14采用超聲波傳感器，溫濕度傳感 器15采用SHT11數(shù)字溫度傳感器。
[0042] 在MCU控制單元1中，第一主控芯片3采用STC89C55芯片，第一單片機(jī)最小系統(tǒng) 5包括晶振電路和復(fù)位電路，液晶顯不模塊8米用IXD12864液晶顯不器，時(shí)鐘模塊6米用 DS1302,警戒水位設(shè)置通過按鍵調(diào)整，報(bào)警模塊9采用聲光報(bào)警。第一Zigbee模塊10采用 F8913嵌入式Zigbee模塊，它是一種工業(yè)級(jí)芯片，適合于戶外使用。
[0043] 在