一种河道水位远程监测系统及方法

技术领域

本发明涉及水位测量技术领域，具体为一种河道水位远程监测系统及方法。

背景技术

电网生产场所是电网系统的重要组成部分,其运行状况直接影响着电网系统的安全稳定运行。许多临近河道的电网生产场所，由于在建设时没有充分考虑防洪防涝需求,因此面临着不同程度的水灾风险。为了提高电网生产场所的防涝能力,保证电网在极端天气条件下的稳定运行,部署防洪防涝预警系统非常必要。

在电网生产场所防洪防涝工程中，河道水位监测是部署防洪防涝预警系统非常重要的前提：河道水位的上升往往是洪水灾害的前兆。通过实时监测和及时预警河道水位的变化，可以提前预知潜在的涝灾风险，使电网管理人员有足够的时间采取防范措施，减少受损和停电的风险。

当前用于监测河道水位的装置普遍安装在河岸岸边立杆上，用于测量水位的传感器通常布设在水中,使用太阳能板供电或者铺设电力网络向其供电,并且还需要在周边配套水利监测站点以实时监测水位变化。由于长期浸泡在水中可能导致电线和电缆的腐蚀，从而影响装置运行的稳定性，并且不便于人员安装以及后续维护。

发明内容

针对现有河道水位测量装置的不足以及实际应用的需求，本发明提供了一种具有免布线，免供电，无电池，低维护要求等优点的河道水位远程监测系统及方法，旨在为电网生产场所防洪防涝工程提供精准的河道水位变化数据。

第一方面，本发明所提供的河道水位远程监测系统，包括：数据采集模块，所述数据采模块安装在河道警戒线位置，所述数据采模块用于采集河水超过河道警戒线后的数据采集模块实时水位数据，所述数据采集模块，包括：传感器组件、信号发射组件、发电组件以及储能组件；其中，所述传感器组件用于采集河水超过河道警戒线后的实时水位数据；所述信号发射组件用于将所述实时水位数据传输给所述数据中转模块；所述发电组件用于将所述河道水位涨落势能转化为电能；所述储能组件用于将存储所述电能，并给所述传感器组件和所述信号发射组件提供电能。本发明所提供的河道水位远程监测系统，通过数据采集模块、传感器组件、信号发射组件、发电组件和储能组件的协同作用，实现了高效的河道水位监测。该系统不仅可以实时采集水位数据，还具备自供电和无线传输的特点，降低了维护成本，为早期洪水预警提供了关键信息，具有广泛的应用前景。

可选地，所述发电组件，包括：浮力腔、注水空腔、滚珠丝杆、丝杆螺帽、轴联器、发电机以及连接板件；其中，所述注水空腔的底部设有注水口，所述注水空腔的顶部设有出气口；所述浮力腔设置于所述注水空腔的内部，所述浮力腔通过所述连接板件与所述丝杆螺帽的外壁固定连接；所述丝杆螺帽与所述滚珠丝杆形成丝杆副；所述滚珠丝杆的一端靠近所述注水空腔的顶部，所述滚珠丝杆的另一端靠近所述注水空腔的底部，所述滚珠丝杆靠近所述注水空腔顶部的一端通过所述轴联器与所述发电机连接。本可选项所提供的发电组件利用河水涨落势能，通过浮力腔和滚珠丝杆的运动将其转化为电能，然后存储在储能组件中，供给传感器和信号发射组件使用。这一创新的设计实现了河道水位远程监测系统的自供电，降低了维护需求。

可选地，所述传感器组件，包括：支撑杆、第一微控制器以及压力水位传感器；所述第一微控制器与所述压力水位传感器信号连接；所述支撑杆和所述压力水位传感器均设置与所述注水空腔的内部，所述支撑杆的一端与所述注水空腔的顶部固定连接，所述支撑杆的另一端与所述压力水位传感器固定连接。本可选项所提供的传感器组件保证了高精度的水位监测，为系统的可靠性和实用性提供了坚实基础。

可选地，所述信号发射组件，包括：连杆和第一无线通信组件；其中，所述连杆的一端与所述连接板件固定连接，所述连杆的另一端通过所述浮力腔顶部设置的导通孔伸出所述浮力腔；所述第一无线通信组件设置于所述连杆背离所述连接板件的一端，所述第一无线通信组件与所述第一微控制器信号连接。本可选项所提供的信号发射组件，保证了数据的可靠传输和长期稳定运行。

可选地，本发明所述提供的河道水位远程监测系统，还包括：数据中转模块以及远程处理模块；所述数据中转模块与所述数据采集模块信号连接，所述远程处理模块与所述数据中转模块信号连接；其中，所述数据中转模块安装在河岸干燥位置，所述数据中转模块用于接收所述实时水位数据，并将所述实时水位数据传输至远程处理模块；所述远程处理模块设置在固定位置或者处于移动位置，所述远程处理模块用于接收来自所述数据中转模块的实时水位数据，并通过所述实时水位数据监控河道水位变化情况。本可选项提供的河道水位远程监测系统，实现了高效的水位监测和预警，提高了安全性和操作效率。

可选地，数据中转模块，包括：第二无线通信组件、第二微控制器以及网络通信组件；其中，所述第二无线通信组件分别与所述第一无线通信组件和所述第二微控制器信号连接，所述第二微控制器单元与所述网络通信组件通信连接，所述网络通信组件与所述远程处理模块通信连接。本可选项提供的数据中转模块，使得数据能够通过远程网络连接远程处理模块，实现了高效的数据传输和远程监控，为系统提供了更广泛的应用和灵活性。

可选地，所述第一无线通信组件和所述二无线通信组件均为FSK无线通信组件。本可选项所提供的无线通信组件，采用FSK通信技术，这种技术能够提供可靠的数据传输，使系统在实时水位数据传输方面更加稳定和高效，适用于各种监测环境和条件。通过采用FSK通信，系统在数据传输方面具备更高的性能和鲁棒性，确保了监测数据的可靠性和精确性。

可选地，所述网络通信组件与所述远程处理模块通过4G或者5G网络通信连接。本可选项所提供的网络通信组件，能够通过4G或5G网络与远程处理模块进行通信。这种高速网络连接提供了快速、稳定的数据传输，确保实时水位数据能够及时传送至远程处理模块，从而实现了更迅速的监测和响应，为河道水位管理和防洪等关键应用提供了更高效的解决方案。

可选地，本发明所提供的河道水位远程监测系统，包括：多个数据采集模块，一个或者多个数据中转模块以及一个或者多个远程处理模块；其中，任一个数据采集模块与一个数据中转模块信号连接，任一数据中转模块与至少一个数据采集模块信号连接，任一个远程处理模块与所有的数据中转模块信号连接。本可选项所提供的河道水位远程监测系统通过多个数据采集模块、数据中转模块和远程处理模块，以适应不同监测需求。这种可扩展性使系统能够覆盖广泛的监测区域，并实现更全面的河道水位监测。无论监测规模如何变化，系统都能够有效地扩展，提供所需的数据和分析，以满足不同用途的要求。

第二方面，为更好利用上述河道水位监测系统，为电网管理人员及时反馈达到河道水位预警，本发明还提供了一种河道水位远程监测方法，所述河道水位远程监测方法适本发明第一方面所提供的河道水位远程监测系统，所述河道水位远程监测方法，包括如下步骤：所述发电组件通过将所述河道水位涨落势能转化为电能；所述储能组件存储所述电能，并将所述电能提供给所述传感器组件和所述信号发射组件；所述传感器组件通过所述电能驱动，采集河水超过河道警戒线后的实时水位数据，并将所述实时水位数据传输给所述信号发射组件；所述信号发射组件基于所述电能驱动，将所述传感器组件采集的实时水位数据传输给所述数据中转模块；所述数据中转模块接收所述实时水位数据，并将所述实时水位数据传输至远程处理模块；所述远程处理模块接收来自所述数据中转模块的实时水位数据，并通过所述实时水位数据监控河道水位变化情况。本发明所提供的河道水位远程监测方法，使得河道水位的实时监测和预警得以实现，帮助电网管理人员在水灾风险增加时采取必要的措施，确保电网的安全和稳定运行。这种方法提供了一种高效且实用的河道水位监测解决方案，有助于提高电网的可靠性和安全性。

附图说明

图1为河道水位远程监测系统中数据采集模块的组件连接示意图；

图2为河道水位远程监测系统中数据采集模块的结构示意图；

图3为本发明所提供的河道水位远程监测系统的第一安装示意图；

图4为本发明所提供的河道水位远程监测系统的第二安装示意图；

图5为本发明所提供的河道水位远程监测方法流程图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路，软件或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。

在一个实施例中，请参见图1，图1为本发明所提供的河道水位远程监测系统中数据采集模块的组件连接示意图。如图1所示，本发明所提供的数据采模块安装在河道警戒线位置，所述数据采模块用于采集河水超过河道警戒线后的数据采集模块实时水位数据，并将所述实时水位数据传输至所述数据中转模块；进一步地，所述包括：传感器组件、信号发射组件、发电组件以及储能组件。

在本实施例中，所述传感器组件用于采集河水超过河道警戒线后的实时水位数据。所述信号发射组件用于将所述实时水位数据传输给所述数据中转模块。所述发电组件用于将所述河道水位涨落势能转化为电能。所述储能组件用于将存储所述电能，并给所述传感器组件和所述信号发射组件提供电能。

可以理解，本实施例所提供的数据采集模块，通过发电组件利用河道水位的涨落势转化为电能，满足传感器组件和信号发射组件的运行能量供应，实现了能源自给自足，无需外部电源供电，降低了能源依赖性，避免了电池更换和处理废旧电池。

针对上述数据采集模块，为实现一体化的功能集成，以减少人工安装、维护等成本，在一个可选的实施例中，请参见图2，图2为本发明所提供的河道水位远程监测系统中数据采集模块的结构示意图。

如图2所示，所述数据采集模块的发电组件包括浮力腔11、注水腔12、滚珠丝杆13、丝杆螺帽14、轴联器15、发电机16以及连接板件17。

其中，所述注水腔12的底部设有注水口，所述注水腔12的顶部设有出气口。所述浮力腔11设置于所述注水腔12的内部，所述浮力腔11通过所述连接板件17与所述丝杆螺帽14的外壁固定连接。所述丝杆螺帽14与所述滚珠丝杆13形成丝杆副。所述滚珠丝杆13的一端靠近所述注水腔12的顶部，所述滚珠丝杆13的另一端靠近所述注水腔12的底部，所述滚珠丝杆13靠近所述注水腔12顶部的一端通过所述轴联器15与所述发电机16连接。

在本实施例中，所述浮力腔11是一个密闭的腔体，与连接板件17固定连接。当河水通过注水口注入注水腔12或者流出注水腔12，注水腔12内的水位上升或者下降时，浮力腔11会受到浮力作用而上升或者下降，进而带动与连接板件17固定连接的丝杆螺帽14升降运动。随着丝杆螺帽14升降运动，滚珠丝杆13会随之旋转，进而通过轴联器15带动发电机16生成电能。进一步地，所述发电机16与所述储能组件1电连接，以存储发电组件所产生的电能，并给所述传感器组件和所述信号发射组件提供电能。

如图2所示，所述传感器组件包括支撑杆18、第一微控制器以及压力水位传感器19。

其中，所述第一微控制器与所述压力水位传感器19信号连接；所述支撑杆18和所述压力水位传感器19均设置与所述注水空腔的内部，所述支撑杆18的一端与所述注水空腔的顶部固定连接，所述支撑杆18的另一端与所述压力水位传感器19固定连接。进一步地，所述储能组件1电连接分别与所述第一微控制器和所述压力水位传感器19电连接，进而为第一微控制器和所述压力水位传感器19提供电能。

支撑杆18将整个压力水位传感器19稳固地固定在注水空腔内。其次，支撑杆18的一端固定连接到注水空腔的顶部，另一端将压力水位传感器19固定在靠近注水空腔的底部的位置，确保了压力水位传感器19能够及时探测到水位信息，并减小了水位的升降对压力水位传感器19的干扰。

在本实施例中，当注水空腔内的水位上升或者下降时，位于注水空腔底部的压力水位传感器19会检测到水压变化，并将其转化为电信号。这个电信号随后传送给第一微控制器，后者将其解释为实际的水位数据。通过这种方式，实时水位数据可以准确地采集和传输，以监测河水是否超过了警戒线。

如图2所示，所述信号发射组件包括连杆20和第一无线通信组件21。

其中，所述连杆20的一端与所述连接板件17固定连接，所述连杆20的另一端通过所述封闭空腔顶部设置的导通孔伸出所述封闭空腔；所述第一无线通信组件21设置于所述连杆20背离所述连接板件17的一端，所述第一无线通信组件21与所述第一微控制器信号连接。

FSK(Frequency Shift Keying，频率移键控)无线通信组件是一种无线通信技术组件，它用于将数字数据转换成无线信号以进行传输。FSK通信可以通过频率切换来避免某些频率上的干扰，具有一定的抗干扰能力。在本实施例中，选用FSK无线通信组件作为第一无线通信组件21，用于将水位传感器采集到的数字水位数据转化成FSK信号，以便通过无线方式传输给数据中转模块，实现河道水位监测系统的远程数据传输。

在本实施例中，连杆20一端通过封闭空腔顶部的导通孔伸出到封闭空腔外部，伸出外部的这段与第一无线通信组件21固定连接。这种设置使得第一无线通信组件21能够尽可能地远离河水，一定程度避免了河水对第一无线通信组件21的腐蚀。

如图2所示，本实施例所提供的数据采集模块实现了数据采集、电能自足以及信号发射等多种功能的一体化；并具有免布线、免供电、无电池和低维护要求等多个优点，它可以在各种地理环境和气象条件下可靠运行，减少了运维成本，提高了河道水位远程监测系统的稳定性和可持续性。

基于上述数据采集模块，为进一步实现高效率的数据传输，并实现及时的预警信号提示，在一个可选的实施例中，请参见图3，图3为本发明所提供的河道水位远程监测系统的第一安装示意图。如图3所示，本发明所提供的河道水位远程监测系统，还包括：数据中转模块以及远程处理模块。

所述数据中转模块安装在河岸干燥位置，所述数据中转模块与所述数据采集模块信号连接，所述数据中转模块用于及时接收所述实时水位数据，并将所述实时水位数据高效率地传输至远程处理模块。

所述远程处理模块设置在固定位置或者处于移动位置，所述远程处理模块与所述数据中转模块信号连接，所述远程处理模块用于接收来自所述数据中转模块的实时水位数据，并通过所述实时水位数据监控河道水位变化情况。

本实施例所提供的河道水位远程监测系统，通过数据采集模块，数据中转模块以及远程处理模块相互协作，实现了水位数据的高效、可靠且及时地传输，有助于在洪水或涝灾风险出现时及早采取行动；同时，本实施例所提供的河道水位远程监测系统中远程处理模块允许用户从固定或移动位置监测河道水位，无需亲临现场，进一步提高了本发明的实用性，还有助于减少人员风险，并有助于适用更广泛的监测覆盖范围。

基于上述实施例中，所述信号发射组件的第一无线通信组件，为更好实现数据采集模块与数据中转模块的高效数据传输，在一个可选的实施例中，所述数据中转模块，包括第二无线通信组件、第二微控制器以及网络通信组件。

其中，所述第二无线通信组件分别与所述第一无线通信组件和所述第二微控制器信号连接，所述第二微控制器单元与所述通信组件通信连接。

在本实施例中，所述第二无线通信组件为FSK无线通信组件，所述网络通信组件为4G或5G网络通信组件。进一步地，基于上述实施例中所述采用的第一FSK无线通信组件，第二FSK无线通信组件通过无线通信协议，接收来自第一FSK无线通信组件的数据，并将接收到的数据送入第二微控制器单元；第二微控制器单元将接收到的FSK信号进行解码和处理，并将处理后的数据传递给网络通信组件。网络通信组件通过4G或5G通信技术与远程服务器或监测中心(远程处理模块)建立通信链接，并将数据上传至远程位置。

为实现更广泛的监测覆盖范围，在一个可选的实施例中，请参见图4，图4为本发明所提供的河道水位远程监测系统的第二安装示意图。如图4所示，所述河道水位远程监测系统包括多个数据采集模块，一个或者多个数据中转模块以及一个或者多个远程处理模块。

其中，任一个数据采集模块与一个数据中转模块信号连接，任一数据中转模块与至少一个数据采集模块信号连接，任一个远程处理模块与所有的数据中转模块信号连接。进一步地，当有多个数据中转模块时，数据采集模块根据就近原则，与空间距离最近的数据中转模块信号连接。

本实施例所提供的河道水位远程监测系统，通过多模块的实施方式，实现了广泛的监测覆盖范围，通过多个数据采集模块、数据中转模块和远程处理模块的组合，能够同时监测多个地点的河道水位，提供全面的水位数据。其次，系统具有高度的冗余性和可靠性，即使发生模块故障，其他模块也能保持正常运行，确保了系统的稳定性。此外，它具备灵活性和扩展性，可以根据需要轻松扩展，适应不同规模和地理条件下的监测需求。另外，系统采用就近连接原则，减少了数据采集模块与数据中转模块之间信号传输的延迟和能耗，确保了数据的及时传输和实时监测。同时，远程处理模块综合分析来自不同地点的水位数据，为水位监测提供更全面的视角，有助于提高水灾风险的理解和管理。

综上，本实施例所提供的多模块河道水位监测系统不仅提供了更全面、可靠的监测，还具备灵活性、扩展性和高效的数据传输，为确保河道水位的准确监测和水灾预警提供了卓越的性能和效益。

为更好利用上述河道水位监测系统，为电网管理人员及时反馈达到河道水位预警，在一个可选的实施例中，请参见图5，图5为本发明所提供的河道水位远程监测方法流程图。如图5所示，所述河道水位远程监测方法，包括如下步骤：

S01、所述发电组件通过将所述河道水位涨落势能转化为电能。

在本实施例中，基于上述实施例所提供的发电组件，该组件中的浮力腔随着河水的涨落而上下移动，带动滚珠丝杆旋转，从而通过发电机将水位变化的势能转化为电能。

具体地，当河水上涨时，浮力腔上升，滚珠丝杆旋转，发电机生成正相(反相)电流，当河水上涨时，浮力腔下降，滚珠丝杆旋转，发电机生成反相(反相)电流；通过整流电路，生成可用于驱动传感器组件和所述信号发射组件的正常电流。

S02、所述储能组件存储所述电能，并将所述电能提供给所述传感器组件和所述信号发射组件。

在本实施例中，基于上述实施例所提供的储能组件，在步骤S02中，储能组件接收从发电组件产生的电能并将其储存；同时，通过电连接向传感器组件和信号发射组件提供所需的电能，以确保它们的正常运行。

S03、所述传感器组件通过所述电能驱动，采集河水超过河道警戒线后的实时水位数据，并将所述实时水位数据传输给所述信号发射组件。

在本实施例中，基于上述实施例所提供的传感器组件，在步骤S03中，传感器组件使用储存的电能，通过压力水位传感器采集河水超过河道警戒线后的实时水位数据。

S04、所述信号发射组件基于所述电能驱动，将所述传感器组件采集的实时水位数据传输给所述数据中转模块。

在本实施例中，基于上述实施例所提供的信号发射组件，在步骤S03中，通过无线通信组件，将传感器组件采集的实时水位数据传输给数据中转模块。这确保了数据的高效传输，以便进一步的处理和监测。

S05、所述数据中转模块接收所述实时水位数据，并将所述实时水位数据传输至远程处理模块。

数据中转模块位于河岸干燥位置，利用其第二无线通信组件接收来自就近位置处数据采集模块所采集的实时水位数据，再利用其网络通信组件通过4G或5G通信技术将数据上传至远程位置。

S06、所述远程处理模块接收来自所述数据中转模块的实时水位数据，并通过所述实时水位数据监控河道水位变化情况。

远程处理模块位于固定或移动位置，接收来自数据中转模块的实时水位数据，并分析、监控河道水位的变化情况。如果水位超过了警戒线，远程处理模块将发出警报，及时通知电网管理人员。

本实施例所提供的河道水位远程监测方法，使得河道水位的实时监测和预警得以实现，帮助电网管理人员在水灾风险增加时采取必要的措施，确保电网的安全和稳定运行。这种方法提供了一种高效且实用的河道水位监测解决方案，有助于提高电网的可靠性和安全性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。