一种基于北斗技术的水位测量装置、方法及系统

技术领域

本发明属于水位测量技术领域，尤其涉及到一种基于北斗技术的水位测量装置、方法及系统。

背景技术

水电站水位测量不仅为电站的水利设施和水利枢纽提供具有单独使用价值的资料，同时也为评估其他水文数据提供间接运用资料。水位测量装置是水电站机组优化运行、大坝水库安全防洪度汛的重要保证，它的正常运行与否决定了水电站机组发电的效率和大坝运行的安全性。传统水位测量是在现地建设水位井或者水位台用于部署水位测量装置，例如水尺和水位计等，并利用局域网或者运营商的广域网进行水位信息传输。传统水位测量存在以下不足：1)水位信息传输过于依赖于局域网或运营商的广域网，在远离水电站的偏僻监测点当网络信号消失时，水位测量装置会陷入失联状态，无法进行水位测量；2)部署水位测量装置需要建设水位井或者水位台，工程复杂，施工周期长，资金耗费大；3)装置状态检测采用人工巡检方式，增加人工成本，存在不能及时发现装置故障的风险，降低了水位测量的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于北斗卫星的水位测量装置、方法及系统，以解决传统水位测量存在的至少一个上述问题。

基于上述目的，第一方面，本发明提供一种基于北斗技术的水位测量装置，包括：自适应漂浮体，通过固定链与所述自适应漂浮体连接的沉降体，安装在所述自适应漂浮体腔体内的不含扼流圈天线的北斗定位模块、北斗通信模块和电源管理模块；所述北斗通信模块分别与所述北斗定位模块和所述电源管理模块之间通过串口连接，所述电源管理模块分别与所述北斗定位模块和所述北斗通信模块之间通过电源线连接；所述电源管理模块由不间断电源模块和波浪能发电模块组成，所述不间断电源模块和所述波浪能发电模块之间通过电源线连接；

北斗定位模块，用于获取包含装置位置信息的原始信息；

北斗通信模块，用于接收所述北斗定位模块发送的所述原始信息，以及所述北斗定位模块和电源管理模块的工作状态信息，并进行状态检测；在所有模块的工作状态信息为非故障时，将根据所述原始信息生成的第一短报文信息以预设传输速率通过北斗卫星系统传输至用户端，以供所述用户端通过预设解算软件对所述第一短报文信息进行处理得到监测点的水位高程信息；在任一模块的工作状态信息为故障时，通过所述北斗通信模块发出第二短报文信息进行状态预警；

电源管理模块，用于为所述北斗定位模块和所述北斗通信模块供电，并存储由水面晃动产生的动能转换得到的电能。

优选地，所述北斗定位模块由北斗定位接收机和扼流圈天线组成；所述北斗定位接收机安装在所述自适应漂浮体的腔体内部，所述扼流圈天线安装在所述自适应漂浮体的顶部。

优选地，所述北斗通信模块集成数据采集、传输和存储功能，含有用于传输北斗短报文信息的通信信道。

优选地，所述不间断电源模块采用12安时容量胶体蓄电池。

优选地，所述波浪能发电模块采用晃动发电机发电，所述晃动发电机包含由发电机轴承、电磁转换滑块、缓冲板、软弹簧组成的换能腔体、输出线圈和整流器；

所述输出线圈的一端与所述发电机轴承的输出端连接，另一端与所述整流器连接；所述发电机轴承的固定端与所述换能腔体的底部连接；

所述发电机轴承上依次安装有由水面晃动带动沿着所述发电机轴承运动的电磁转换滑块，以及通过所述软弹簧连接在所述换能腔体的底部的所述缓冲板。

优选地，所述自适应漂浮体包括检修口、球形腔体、连接杆、配重体和固定钩；所述球形腔体的正上方设置有所述检修口，所述球形腔体的正下方与连接杆的第一端连接，所述球形腔体的下半球表面均匀设置有用于安装所述固定链的二个固定钩；所述连接杆的第二端与所述配重体连接。

优选地，所述沉降体为正方形实心体，且所述沉降体的任一两个对应面各设置一个固定钩。

优选地，所述固定链为表面经过磷化、渗碳处理的圆环链。

第二方面，本发明提供一种基于北斗技术的水位测量装置的水位测量方法，包括：

通过北斗定位模块获取包含装置位置信息的原始信息，并将所述原始信息发送至北斗通信模块；

通过所述北斗通信模块接收所述原始信息，以及所述北斗定位模块和电源管理模块的工作状态信息，并进行状态检测；

在所有模块的工作状态信息为非故障时，通过所述北斗通信模块将根据所述原始信息生成的第一短报文信息以预设传输速率通过北斗卫星系统传输至用户端，以供所述用户端通过预设解算软件对所述第一短报文信息进行处理得到监测点的水位高程信息；

在任一模块的工作状态信息为故障时，通过所述北斗通信模块发出第二短报文信息进行状态预警。

第三方面，本发明提供一种水位测量系统，包括如上述任一项基于北斗技术的水位测量装置、北斗卫星系统和北斗卫星系统和设有北斗指挥机的用户端；

所述北斗卫星系统，用于将该装置发送的第一短报文信息和第二短报文信息发送至用户端；

所述用户端，用于通过所述北斗指挥机接收所述第一短报文信息，并通过预设解算软件对所述第一短报文信息进行处理得到监测点的水位高程信息；以及接收所述第二短报文信息，确定该装置的工作状态信息。

本发明提供的基于北斗卫星的水位测量装置、方法及系统，在装置工作时，首先通过北斗定位模块获取包含装置位置信息的原始信息并发送至北斗通信模块，然后通过北斗通信模块接收原始信息和各模块的工作状态信息，并根据状态检测结果通过北斗卫星系统向用户端传输相应的北斗短报文信息，以供用户端确定监测点的水位高程信息和装置运行状态。相较于传统水位测量，本发明通过北斗精确定位和短报文通信技术实现水位测量和装置状态监测，提高了水位测量的可靠性；其次，在装置工作时，该装置利用波浪能发电技术，通过波浪能发电模块将装置在水面晃动产生的动能转化为电能，并通过不间断电源模块存储电能，提高了装置持续工作的稳定性，且电能利用率高。以及在安装装置时，通过固定链和沉降体将自适应漂浮体维持在监测点，使得装置在监测点工作，提高了装置部署的灵活性，且装置结构简单，经济实用好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例中基于北斗技术的水位测量装置的示意图；

图2为本发明一实施例中自适应漂浮体的结构示意图；

图3为本发明一实施例中晃动发电机的结构示意图；

图4为本发明一实施例中基于北斗技术的水位测量装置的水位测量方法的流程图；

图5为本发明一实施例中水位测量系统的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于北斗技术的水位测量装置，包括自适应漂浮体10，通过固定链20与自适应漂浮体10连接的沉降体30，安装在自适应漂浮体10腔体内的不含扼流圈天线的北斗定位模块40、北斗通信模块50和电源管理模块60；北斗通信模块50分别与北斗定位模块40和电源管理模块60之间通过通信串口连接，电源管理模块60分别与北斗定位模块40和北斗通信模块50之间通过电源线连接；电源管理模块60由不间断电源模块70和波浪能发电模块80组成，不间断电源模块70和波浪能发电模块80之间通过电源线连接。

自适应漂浮体10，用于提供足够的水面浮力，并在腔体内密闭安装除扼流圈天线以外的装置部件。作为优选，如图2所示，自适应漂浮体10包括检修口101、球形腔体102、连接杆103、配重体104和固定钩105；球形腔体102的正上方设置有检修口101，球形腔体102的正下方与连接杆103的第一端连接，球形腔体102的下半球表面均匀设置有用于安装固定链20的二个固定钩105；连接杆104的第二端与配重体104连接。在本实施例中，球形腔体102为金属材质的空心体；检修口101位于球形腔体102顶部的圆形截面处，用于装置故障时进行腔体内检修；连接杆103上的配重体104为实心金属方块，用于提供向下的重力来保证自适应漂浮体10在水中保持检修口101朝上的姿态，能够有效避免球形腔体102浸水导致关键模块故障的问题。

固定链20，用于连接沉降体30与自适应漂浮体10，并提供充足的张力。作为优选，固定链20为表面经过磷化、渗碳处理的圆环链，可以避免使用过程中链条出现氧化现象进而降低使用寿命的问题。

沉降体30，用于沉入水底，通过多点放置与自身重力保证装置在监测点工作。作为优选，沉降体30为正方形实心体，且沉降体30的任一两个对应面各设置一个固定钩105。可选地，沉降体30采用钢筋混泥土材质的正方形实心体，质量可以根据需求进行选择。

在本实施例中，在监测点安装装置时，先将除扼流圈天线以外的部件均匀固定于自适应漂浮体10的球形腔体102中，关闭检修口101并部署北斗定位模块40的扼流圈天线，再选择已知水域深度的监测点放置自适应漂浮体10，并采用2根长度为2倍水域深度的固定链20进行固定，固定链20的一端与自适应漂浮体10上的固定钩105相连，另一端与沉降体30上的固定钩相连，最后以自适应漂浮体10位置为准，向上游、下游方向各投入一沉降体30，从而完成装置安装。

北斗定位模块40，用于获取包含装置位置信息的原始信息，并将原始信息发送至北斗通信模块50。北斗定位模块40，还用于获取自身的工作状态信息，北斗定位模块40的工作状态信息包含正常和故障。作为优选，北斗定位模块40由北斗定位接收机和扼流圈天线组成；北斗定位接收机安装在自适应漂浮体的腔体内部，扼流圈天线安装在自适应漂浮体的顶部，北斗定位模块40的北斗定位接收机通过扼流圈天线与北斗卫星系统进行通信。在装置工作时，北斗定位模块40的扼流圈天线接收北斗卫星系统以电磁波形式发送的卫星信号，并将卫星信号转换成电流信号发送至北斗定位接收机，北斗定位接收机对电流信号进行放大、频率转换、解扩、解频等处理之后，获得包含装置位置信息的原始信息，其中装置位置信息由码伪距观测值和载波相位观测值组成，原始信号中还包含卫星星历、卫星历书等信息。可选地，扼流圈天线采用具有IP68防护等级的高精度扼流圈天线；北斗定位接收机采用平面静态测量精度优于2.5毫米，垂直静态测量精度优于5毫米的高精度北斗定位接收机，本实施例北斗定位模块40通过高精度扼流圈天线和高精度北斗定位接收机，可以实现装置精准定位的目的。

北斗通信模块50，用于接收北斗定位模块40发送的原始信息，以及接收北斗定位模块40和电源管理模块60的工作状态信息，并对北斗定位模块40和电源管理模块60的工作状态进行检测；在北斗定位模块40和电源管理模块60的工作状态均为非故障时，根据原始信息生成第一短报文信息，并将第一短报文信息按照预设传输速率发出，以通过北斗卫星系统发送至用户端，以供用户端结合监测点的距离常数信息，通过预设解算软件对第一短报文信息进行处理得到监测点的水位高程信息，其中，监测点的距离常数信息是指安装在监测点的装置的北斗定位接收机与水面之间的距离；而在北斗定位模块40和电源管理模块60中的任一模块的工作状态为故障时，根据工作状态信息生成相应的第二短报文信息，并将第二短报文信息发出，以通过北斗卫星系统发送至用户端，以供用户端进行状态预警。其中，电源管理模块60的工作状态信息包括正常、故障和蓄电量。可选地，北斗卫星系统采用的是北斗三号系统；预设传输速率不超过每30秒传输1000字。

在本实施例中，在装置工作时，北斗通信模块50采用越限报的工作模式，也即北斗通信模块50检测到某个模块的工作状态信息发生改变或者出现故障时，则将相关信息以北斗短报文形式发送，从而代替人工巡检，此时，在北斗通信模块50检测到所有模块的工作状态为非故障时，则直接默认装置处于健康状态。而在其他实施例中，在装置工作时，北斗通信模块50可以采用定时报的工作模式，也即北斗通信模块50将北斗定位模块40和电源管理模块60的工作状态信息进行调制，以预设发送频率(例如5分钟一次的频率)将工作状态信息通过北斗短报文形式发送，此时，北斗通信模块50还用于在所有模块的工作状态信息为非故障时，生成第三短报文信息，将第三短报文信息以预设发送频率发出。

作为优选，北斗通信模块50集成数据采集、传输和存储功能，含有用于传输北斗短报文信息的通信信道。在装置工作时，北斗通信模块50通过通信信道降北斗定位模块40、不间断电源模块70和波浪能发电模块80的工作状态信息，以及北斗定位模块40获取的原始信息以北斗短报文形式发送至北斗卫星系统。在本实施例中，北斗通信模块50通过用于传输北斗短报文信息的通信信道进行数据传输，可以提高数据传输效率。

在其他实施例中，北斗通信模块50可以同时支持北斗短报文、4G和NB-IOT等多种通信协议，以北斗短报文为主要通信信道进行传输数据。

电源管理模块60，用于为北斗定位模块40和北斗通信模块50供电，并存储由水面晃动产生的动能转换得到的电能。其中，电源管理模块60包含的不间断电源模块70和波浪能发电模块80均设置有正常、故障和发电量三个工作状态信息。不间断电源模块70，用于通过自身蓄电池为装置的用电部分提供持久电源。作为优选，不间断电源模块70采用12安时容量胶体蓄电池，并以直流输出方式为装置供电，使得装置可以连续监测12小时以上。

波浪能发电模块80，用于将装置在水面晃动所产生的动能转换为电能，并将电能通过电源线输送至不间断电源模块70。作为优选，波浪能发电模块80采用晃动发电机发电，如图3所示，晃动发电机包含由发电机轴承801、电磁转换滑块802、缓冲板803、软弹簧804组成的换能腔体805、输出线圈806和整流器807。

在晃动发电机中，输出线圈806的一端与发电机轴承801的输出端连接，另一端与整流器807连接；发电机轴承801的固定端与换能腔体805的底部连接，且发电机轴承801上依次安装有由水面晃动带动沿着发电机轴承801运动的电磁转换滑块802，以及通过软弹簧804连接在换能腔体805底部的缓冲板803。可选地，电磁转换滑块802设置为球状。也即，发电机轴承801的一端穿过设置在换能腔体805顶部的出腔口与输出线圈806，另一端依次穿过电磁转换滑块802和缓冲板803的连接孔与换能腔体805顶部连接。在装置工作时，水面晃动会导致自适应漂浮体10晃动，从而引起晃动发电机的电磁转换滑块802沿发电机轴承801上下移动，当触及由两根软弹簧804支撑的缓冲板803时产生反作用力，再次移动，通过电磁转换滑块802的反复做功切割磁感线产生动能，再通过输出线圈806和整流器807之后输送至不间断电源模块70。

综上所述，本实施例提供的基于北斗技术的水位测量装置，在装置工作时，首先通过北斗定位模块30获取原始信息并发送至北斗通信模块40，然后通过北斗通信模块40接收原始信息和各模块的工作状态信息，并根据状态检测结果通过北斗卫星系统向用户端传输相应的北斗短报文信息，以供用户端确定监测点的水位高程信息和装置运行状态。本装置具有以下优点：1)利用北斗精确定位技术进行水位测量，通过北斗定位模块30完成高程信息的获取，水电高程信息的准确度可以达到厘米级别；2)利用北斗短报文通信技术将装置状态信息进行传输，完成装置状态监测，不受网络环境限制，无需人工巡检，且能够及时发现装置故障，有利于提高水位测量的可靠性；3)利用波浪能发电技术，通过波浪能发电模块80将装置在水面晃动产生的动能转化为电能，并通过不间断电源模块70存储电能，提高了装置持续工作的稳定性，且电能利用率高；4)通过固定链20和沉降体30将自适应漂浮体维持在监测点，使得装置在监测点工作，提高了装置部署的灵活性，且装置结构简单，经济实用好。

如图4所示，本发明实施例还提供了一种水位测量方法，该水位测量方法应用在如图1所示的基于北斗技术的水位测量装置中，包括如下步骤：

步骤S10，通过北斗定位模块40获取包含装置位置信息的原始信息，并将原始信息发送至北斗通信模块50。

步骤S20，通过北斗通信模块50接收原始信息，以及北斗定位模块40和电源管理模块60的工作状态信息，并进行状态检测。其中，北斗定位模块40的工作状态信息包括正常和故障，电源管理模块60的工作状态信息包括正常、故障和蓄电量。

步骤S30，在所有模块的工作状态信息为非故障时，通过所述北斗通信模块50将根据原始信息生成的第一短报文信息以预设传输速率通过北斗卫星系统传输至用户端，以供用户端通过预设解算软件对第一短报文信息进行处理得到监测点的水位高程信息。其中，北斗卫星系统为北斗三号系统，预设传输速率不超过每30秒传输1000字。

具体的，若北斗通信模块50检测到所有模块(包括北斗定位模块40、不间断电源模块70和波浪能发电模块80)的工作状态信息均为非故障时，将第一短报文信息通过北斗卫星系统传输至用户端，相应的，用户端首先通过北斗指挥机接接收第一短报文信息，然后根据预设短报文协议对第一短报文信息进行解析，得到包含卫星星历、卫星历书、码伪距观测值、载波相位观测值等的原始信息，最后通过GNSS局域差分算法消除卫星钟差、卫星星历、电离层延迟、对流程延迟等误差，得到装置所在位置的高精度三维坐标，进而计算得到监测点的水位高程。

可理解的，本实施例中的北斗通信模块50采用越限报的工作模式，此时，若北斗通信模块50检测到所有模块的工作状态信息为非故障，则无需发出第三短报文信息。需要说明的是，在其他实施例中，北斗通信模块50还可以采用定时报的工作模式，此时，若北斗通信模块50检测到所有模块的工作状态信息为非故障，则按照预设发送频率发出第三短报文信息。

步骤S40，在任一模块的工作状态信息为故障时，通过北斗通信模块50发出第二短报文信息进行状态预警。

可理解的，在装置工作时，若所有模块的工作状态信息为非故障，则用户端可以接收到第一短报文信息，并结合监测点的距离常数信息，通过预设解算软件对第一短报文信息进行解算处理之后得到监测点的水位高程信息。而若任一模块的工作状态信息为故障，则将第二短报文信息通过北斗卫星系统发送至用户端，相应的，用户端接收到第二短报文信息之后，通过预设解算软件对第二短报文信息进行解算得到异常相关信息，根据异常相关信息进行状态预警。

综上所述，本实施例提供的水位测量方法，首先通过北斗定位模块30获取原始信息并发送至北斗通信模块40，然后通过北斗通信模块40接收原始信息和各模块的工作状态信息，并根据状态检测结果通过北斗卫星系统向用户端传输相应的北斗短报文信息，以供用户端确定监测点的水位高程信息和装置运行状态。该方法通过北斗精确定位和短报文通信技术实现水位测量和装置状态监测，提高了水位测量的可靠性。

如图5所示，本发明实施例还提供了一种水位测量系统，包括上述基于北斗技术的水位测量装置、北斗卫星系统、设有北斗指挥机的用户端；其中，北斗卫星系统，用于将装置发送的第一短报文信息和第二短报文信息发送至用户端。

用户端，用于通过北斗指挥机接收第一短报文信息，并通过预设解算软件对第一短报文信息进行处理得到监测点的水位高程信息；以及接收所述第二短报文信息，确定装置的工作状态信息。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明实施例的，不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本发明实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。