本實用新型涉及一種水位監測裝置，具體地說是一種水庫壩體滲流監測裝置。

背景技術：

水庫大壩是水利工程建設中常見的工程項目，大壩失事時有發生，造成的巨大災害引起了國際社會的高度重視。大壩的安全穩定對于確保群眾的生命財產安全起著十分重要的作用，所以在水庫運行過程中必須要確保大壩的安全穩定。影響水庫大壩安全的主要因素是滲漏，滲漏對于大壩的穩定會產生重要的影響。水庫大壩測壓管水位的變化能反映大壩滲流情況，因此測壓管水位變換情況可反映出大壩質量的好壞。大壩測壓水管的安裝位置和數量是根據地理位置等環境而設計的，一般如圖1所示，監測大壩安全情況主要指標就是監測每個測壓管的水位，根據各水位情況定性分析測壓管水位變化過程、位勢過程、滲漏量過程等。建立測壓管水位、滲漏量回歸統計模型，定量分析了測壓管水位的影響因素。對大壩進行安全警示，有效地防止大壩失事情況發生。

為了建立滲流自動檢測系統，許多單位采用不同的傳感器或儀表如激光式、聲波式、電容式、壓力傳感器式、浮標式的監測儀器等進行在線監測測壓管水位，但目前仍沒有一種儀器投入大范圍應用，其原因是價格昂貴(激光式)、精度差(聲波式、電容式)、工作不穩定及可靠性差(壓力傳感器式)、機械故障多(浮子式)等。相對應的大壩安全自動監測系統更為偏少，

國外所設計的大壩測壓管監測儀器基本上是針對大型甚至超大型水庫的，這類水庫周圍環境相對穩定，而國內中小型水庫居多且環境多樣化，這些儀器應用于中小型水庫有以下問題：一方面受環境因素等限制，監測儀器不能完全發揮自己的優勢：另一方面儀器的日常維護費用大，勢必會增加水庫運行的負擔。

目前，測壩體水位的傳感器應用較多是以重力卷揚收攬傳感器，但該傳感器存在許多不足。張敏的《一種重力卷揚收纜浮子式水位計》實用新型專利(專利號：ZL200610085948.7)詳細闡明該浮子式水位計結構和原理上的缺點、不足及應用的局限性，更不適應目前信息化市場的需要。《一種重力卷揚收纜浮子式水位計》實用新型專利在于克服以往技術的缺點與不足之處，提供一種測井中無平衡錘，只以細小浮子或球形浮子跟蹤水位變化，能用于地表水、地下水、大壩測壓管水位測量或斜井水位測量的全新構造浮子式水位計。其技術方案是：以重力卷揚收纜裝置取代公知平衡錘，以新型細長小直徑浮子和球形浮子取代公知浮子，只以浮子自動跟蹤水位變化并能克服測纜參重誤差影響的浮子式水位計。該重力卷揚收纜浮子式水位計，包括浮子、測纜、水位輪、水位編碼器、重力卷揚收纜裝置。測纜從收纜裝置引出繞經水位輪后與浮子連接，測井中只有浮子隨水位升降變化，實現水位實時在線測量。該實用新型得到實際應用，優點是可靠、穩定；但存在諸多缺點：誤差大(系統誤差大0.5-2cm),機械故障率多，水位計的控制部分沒有智能化，組網需要連線，通過水位機來求得水位高度，更，格雷碼編碼器屬于精密儀器，用較惡劣的環境中，制作成本和維護成本都很高。

目前我國測深水位的傳感器和儀表主要應用浮子式水位計、是投入式水位計(變阻、變容式)、測壓管水位計(自收攬浮子式)、振弦式測壓管水位計(屬于投入式)。這幾種水位計個有自己的優點，但各有缺陷，共同的缺陷需要線供電、智能化低、網絡化功能差等。

技術實現要素：

針對上述不足，本實用新型提供了一種水庫壩體滲流監測裝置，其不僅能夠有效監測水庫壩體的滲流情況，而且運行可靠、測量精度高。

本實用新型解決其技術問題采取的技術方案是：一種水庫壩體滲流監測裝置，包括測壓管和水位監測終端，所述測壓管包括若干個用于對壩體進行監測用的測壓管，所述水位監測終端用以測量測壓管內的水位，其特征是，所述水位監測終端包括包括水位采集裝置和數據采集裝置；

所述水位采集裝置包括水位輪、測纜、浮子、卷揚輪、齒輪組、蝸桿、牙輪、字輪組和恒轉矩電機，所述測纜纏繞于卷揚輪工作圓周的凹槽中，其引出端繞經水位輪的工作圓周后與位于水位輪下方的浮子相連接，所述卷揚輪與水位輪在同一垂直面上工作，所述恒轉矩電機的輸出軸與卷揚輪的驅動輪嚙合連接，水位輪與齒輪組中相同周長的齒輪共軸，所述齒輪組與蝸桿嚙合，蝸桿軸與牙輪軸連接，牙輪分別與字輪組中對應的字輪嚙合；所述浮子隨測壓管內水位的變化而上下浮動，所述的水位輪、卷揚輪、齒輪組、蝸桿、牙輪、字輪組和恒轉矩電機設置在測壓管內上端，所述字輪組中每個字輪圓周表面指代0～9的十個弧段上分別設置有對應數值0～9的二維碼標識；

所述數據采集裝置包括STM8L151單片機、電源控制電路、電機驅動電路、GPRS模塊、攝像頭、補光燈、STM32F407單片機、存儲器和電源模塊，所述STM8L151單片機分別與電源控制電路、電機驅動電路和GPRS模塊相連，所述電源控制電路與數據采集終端相連，所述電機驅動電路與恒轉矩電機的控制端相連，所述攝像頭正對字輪組設置，所述補光燈設置在攝像頭附近且光線射向字輪組，所述STM32F407單片機分別與攝像頭、補光燈、存儲器和STM8L151單片機相連，所述電源模塊分別與電源控制電路、攝像頭和STM32F407單片機電連接。

優選地，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單片機和電源模塊連接，所述SIM卡設置在SIM800C模塊的卡槽內，所述MIC29302芯片的控制端與STM8L151單片機連接。

優選地，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；所述TM32F407單片機還連接有供電電源、25M有源晶振和溫度傳感器，所述溫度傳感器為DS18B20數字溫度傳感器。

優選地，所述供電電源包括太陽能電池板、充電控制電路和充電鋰電池，所述充電控制電路分別與太陽能電池板、充電鋰電池、STM8L151單片機和數據采集終端的電源模塊電連接。

優選地，所述二維碼標識粘貼或者印制在字輪圓周表面。

優選地，所述二維碼標識包括依次設置的數值上半部識別區、上半部間隔區、數值下半部識別區和下半部間隔區；所述數值上半部識別區和數值下半部識別區均包括二進制表示的定位信息、位數信息、數值半部位置信息和數值信息；每一個數值0～9的二維碼標識所包含的數值上半部識別區和數值下半部識別區的位數信息和數值信息是相同的。

優選地，所述定位信息包括設置在數值上半部識別區或數值下半部識別區的左上角三組信息和右下角三組信息，所述位數信息包括設置在數值上半部識別區或數值下半部識別區右上角的三組信息，所述數值半部位置信息包括設置在數值上半部識別區或數值下半部識別區中心位置的一組信息，所述數值信息包括設置在數值上半部識別區或數值下半部識別區左下角的四組信息。

優選地，所述的定位信息、位數信息、數值半部位置信息和數值信息中的每組信息為NXN點陣，N為大于等于3的正整數。

本實用新型的有益效果是：

本實用新型通過水位輪來驅動字輪，并采用二維碼替代字輪上的數字，大大增加了水位采集裝置的水位數據的識別率；采用帶剎車機構的恒轉矩電機實現自收攬自平衡組織，采用低功率STM32單片機進行智能控制采集，采用GPRS可以實現數據遠程傳輸，采用太陽能電池供電；本實用新型極大降低成本、提高測量精度、可靠運行、安裝方便、太陽電池供電實行低功耗模式、可遠程聯網；通過監測水庫壩體的各測壓管的水位和溫度，并通過GPRS將該監測點的水位、溫度上傳給上位機以便對大壩進行安全警示，有效地防止大壩失事情況發生。

本實用新型通過將字輪的數字改為及其容易識別的二維碼將徹底克服了數字的識別率低和工作量大的不足，本實用新型采用二維碼的識別技術對水位測量裝置字輪圖像進行黑白識別，并進行相似程度判斷，采用廉價攝像頭的像素點點陣就能確定水位讀數，其不僅不受光線、灰塵、位置變動、字滾動等各種外界因素的影響，抗干擾能力極強，而且減低了成本，滿足了識別要求；本實用新型極低的成本實現了對大中小水庫的壩體安全實現在線自動監測并對大壩進行安全警示，有效地防止了大壩失事情況的發生。

附圖說明

圖1為現有技術對壩體進行滲漏監測的測壓管分布圖；

圖2為本實用新型的系統結構示意圖；

圖3為本實用新型所述水位測量裝置的結構示意圖；

圖4為本實用新型所述字輪的結構示意圖；

圖5為本實用新型中水位測量裝置和數據采集終端的電路原理圖；

圖6為本實用新型所述GPRS模塊的電路原理圖；

圖7為傳統字輪的圖像示意圖；

圖8為本實用新型字輪水表采用二維碼標識的字輪讀數示意圖；

圖9為本實用新型所示二維碼標識的數值上半部識別區和上半部間隔區的結構示意圖(即圖8中個位數值圖像的上半部，且每組信息為3X3點陣方塊的示意圖)；

圖10為對圖9圖像進行二值化處理后的圖像信息示意圖；

圖11為表盤圖像中每個字輪圖片包含兩組完整的定位信息的圖像示意圖(即圖8中個位數值圖像中每組信息為3X3點陣方塊時的示意圖)；

圖12為表盤圖像中每個字輪圖片包含一組完整的定位信息的圖像示意圖；

圖1中，1為水庫水位，2為水庫壩體，3為測壓管；

圖4中，4為字輪，5-0至5-9為二維碼標識：5-0為數值0的二維碼標識、5-1為數值1的二維碼標識，5-2為數值2的二維碼標識，5-3為數值3的二維碼標識，5-4為數值4的二維碼標識，5-5為數值5的二維碼標識，5-6為數值6的二維碼標識，5-7為數值7的二維碼標識，5-8為數值8的二維碼標識，5-9為數值9的二維碼標識。

具體實施方式

為能清楚說明本方案的技術特點，下面通過具體實施方式并結合其附圖對本實用新型進行詳細闡述。下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現本實用新型的不同結構。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置進行描述。此外，本實用新型可以在不同例子中重復參考數字和/或字母。這種重復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/或設置之間的關系。應當注意，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及工藝的描述以避免不必要地限制本實用新型。

如圖2至圖6所示，本實用新型的一種水庫壩體滲流監測裝置，包括測壓管和水位監測終端，所述測壓管包括若干個用于對壩體進行監測用的測壓管，所述水位監測終端用以測量測壓管內的水位，其特征是，所述水位監測終端包括包括水位采集裝置和數據采集裝置。

如圖3所示，所述水位采集裝置包括水位輪、測纜、浮子、卷揚輪、齒輪組、蝸桿、牙輪、字輪組和恒轉矩電機，所述測纜纏繞于卷揚輪工作圓周的凹槽中，其引出端繞經水位輪的工作圓周后與位于水位輪下方的浮子相連接，所述卷揚輪與水位輪在同一垂直面上工作，所述恒轉矩電機的輸出軸與卷揚輪的驅動輪嚙合連接，水位輪與齒輪組中相同周長的齒輪共軸，所述齒輪組與蝸桿嚙合，蝸桿軸與牙輪軸連接，牙輪分別與字輪組中對應的字輪嚙合；所述浮子隨測壓管內水位的變化而上下浮動，所述的水位輪、卷揚輪、齒輪組、蝸桿、牙輪、字輪組和恒轉矩電機設置在測壓管內上端，所述字輪組中每個字輪圓周表面指代0～9的十個弧段上分別設置有對應數值0～9的二維碼標識。如圖4所示，所述字輪組中每個字輪圓周表面指代0～9的十個弧段上分別設置有對應數值0～9的二維碼標識，即在每個字輪4圓周表面依次設置有數值0的二維碼標識5-0、數值1的二維碼標識5-1、數值2的二維碼標識5-2、數值3的二維碼標識5-3、數值4的二維碼標識5-4、數值5的二維碼標識5-5、數值6的二維碼標識5-6、數值7的二維碼標識5-7、數值8的二維碼標識5-8和數值9的二維碼標識5-9。

如圖5所示，所述數據采集裝置包括STM8L151單片機、電源控制電路、電機驅動電路、GPRS模塊、攝像頭、補光燈、STM32F407單片機、存儲器和電源模塊，所述STM8L151單片機分別與電源控制電路、電機驅動電路和GPRS模塊相連，所述電源控制電路與數據采集終端相連，所述電機驅動電路與恒轉矩電機的控制端相連，所述GPRS模塊用以將水位數據發送上位機；所述攝像頭正對字輪組設置，所述補光燈設置在攝像頭附近且光線射向字輪組，所述STM32F407單片機分別與攝像頭、補光燈、存儲器和STM8L151單片機相連，所述電源模塊(U3和U5及其外圍電路)分別與電源控制電路(Q3等)、攝像頭和STM32F407單片機電連接。

優選地，所述攝像頭采用OV2640攝像頭U1，所述攝像頭連接有24M有源晶振Y1，所述存儲器采用AT24C02存儲芯片；所述TM32F407單片機還連接有供電電源、25M有源晶振Y3和溫度傳感器，所述溫度傳感器為DS18B20數字溫度傳感器。

優選地，所述供電電源包括太陽能電池板、充電控制電路和充電鋰電池，所述充電控制電路分別與太陽能電池板、充電鋰電池、STM8L151單片機和水位數據采集終端的電源模塊電連接。

如圖6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單片機和電源模塊連接，所述SIM卡設置在SIM800C模塊的卡槽內，所述MIC29302芯片的控制端與STM8L151單片機連接。

在具體實施過程中，STM32F407單片機通過DCMI接口和IIC接口與攝像頭OV2640相連，單片機負責拍攝二維碼圖像并通過算法識別出表盤上的真實水位讀數。STM32F407單片機和攝像頭分別提供25MHz和24MHz有源晶振，保證了系統時鐘的穩定性，提高了抗干擾能力。

STM8L151低功耗單片機保證系統處于低功耗工作模式，降低系統功耗。單片機控制恒轉矩電機和電磁閥；STM8L151與GPRS電路的MIC29302電源、SIM800C接口相連，加SIMCard實現第成本數據遠程傳送。在低功耗模式下控制GPRS電源，實現低功耗。

STM8L151單片機控制STM32F407單片機和攝像頭模塊的電源，只有在系統工作時才給STM32F407和攝像頭模塊供電，這樣能夠保證系統極低的功耗。STM8L151與STM32F407單片機通過UART相連，它們之間可以相互通信，將設置參數傳輸給STM32F407，同時讀取STM32F407識別出的表盤讀數。

充電鋰電池給系統供電，充電控制電路與太陽能板相連，給鋰電池充電。保證系統能夠持續運行。

在空閑狀態下，單片機STM8L151將單片機STM32F407、攝像頭模塊，GPRS模塊的電源全部斷掉，同時它工作在低功耗模式，此時單片機STM8L功耗在10μA左右。

GPRS模塊可以工作在三種工作模式下，如下表所示：

通常，GPRS工作在定時喚醒模式時，系統平均功耗在2mA左右。使用的鋰電池容量為2000mA/H，因此在不充電的情況下系統理論上可待機1000小時左右。所以太陽能電池板僅用小塊即可。

該水位監測系統工作原理：水位測量裝置的監測頻率可以通過上位機進行調整，設置時間放在STM8L151單片機中。STM8L151單片機具有內部喚醒功能，當內部定時到退出休眠模式，進入工作狀態。

通過GPRS獲取上位機的指令，為了節能可以設置每5秒鐘STM8L151單片機喚醒一次，查看GPRS的狀態是否有上位機呼叫，有則給STM32F407單片機通電，進入監測狀態，沒指令，則STM8L151單片機再進入休眠狀態。

工作時，單片機STM8L151從低功耗模式切換到正常工作模式(外部喚醒和內部定時喚醒)，給STM32F407單片機供電，使其處于工作狀態；STM8L151單片機給恒轉矩電機送電，這樣剎車功能釋放，卷纜輪和水位輪會在浮子作用下進行自平衡過程，當直達到平衡一段時間后，攝像模塊開始拍攝，獲取新的水位數值，同時通過溫度傳感器DS18B20獲取外界溫度，將兩數值存入STM8L151單片機內部EEPROM中。STM8L151單片機關閉驅動恒轉矩電機，STM8L151單片機通過關閉CMOS三極管關閉STM32F407單片機的所有電源。然后STM8L151單片機關閉GPRS模塊后進入休眠模式。

如圖8和圖9所示，所述二維碼標識包括依次設置的數值上半部識別區、上半部間隔區、數值下半部識別區和下半部間隔區；所述數值上半部識別區和數值下半部識別區均包括二進制表示的定位信息、位數信息、數值半部位置信息和數值信息；每一個數值0～9的二維碼標識所包含的數值上半部識別區和數值下半部識別區的位數信息和數值信息是相同的。

圖7是傳統字輪圖像示意圖，它用攝像來識別的困難在于數字滾動過程中的識別，視覺識別技術來確定個位是“9”還是“8”需要用樣本來訓練。最難的是識別的是圖7個位上的數值。如果要提高識別率，對不同的廠家，不同的字的位置、機械結構差異以及環境光線等都都需要訓練樣本，工作量很大，且有些樣本只能在一定條件下進行。所以當如環境光線等條件變化，識別率就下降。本實用新型將字輪的字改為及其容易識別的二維碼將徹底改變這些弱點，如圖10所示。本實用新型識別原理：找到基準點，基于預期模型，進行黑白識別，進行相似程度判斷，即使有較強的干擾-光線、灰塵、位置變動、字滾動等都基本沒影響。

如圖9所示，所述定位信息包括設置在數值上半部識別區或數值下半部識別區的左上角三組信息(圖9中A1標示區域)和右下角三組信息(圖9中A2標示區域)，所述位數信息包括設置在數值上半部識別區或數值下半部識別區右上角的三組信息(圖9中B1、B2、B3標示區域)，所述數值半部位置信息包括設置在數值上半部識別區或數值下半部識別區中心位置的一組信息(圖9中C標示區域)，所述數值信息包括設置在數值上半部識別區或數值下半部識別區左下角的四組信息(圖9中D1、D2、D3、D4標示區域)

優選地，所述的定位信息、位數信息、數值半部位置信息和數值信息中的每組信息為NXN點陣，N為大于等于3的正整數。在具體實施例中，本實用新型以每組信息為3X3點陣為例，如圖8至圖12所示。

優選地，所述二維碼標識粘貼或者印制在字輪圓周表面。

如圖8和圖9所示，本實用新型的二維碼的點陣為15×15，它包含的信息：(1)定位信息，(2)位數信息，(3)數值半部位置信息，(4)水位的數值信息。每一個信息至少3×3點陣。其信息特點說明如下：

(1)定位信息

如圖8所示，由左上角三組信息(111，即圖9中A1標示區域)和右下角三組信息(111，即圖9中A2標示區域)組成，每位一組有3×3點陣

(2)位數信息

如圖8所示，由右上角的三組信息(圖9中B1、B2、B3標示區域)組成，每一組有3×3點陣，3組信息可組成3位二進制數：001，010，011，100，101，110，111，分別表示1，2，3，4，5，6，7。圖8所示的位數表示1，即位數為個位。本實用新型以字輪的位數為5位為例。

(3)數值半部位置信息

如圖8所示，由中心位置的一組信息(圖9中C標示區域)組成，0代表數值上半部識別區，1代表數值下半部識別區。圖8所示的數值半部位置信息為0，即為數值上半部識別區。

(4)水位的數值信息

如圖8所示，由左下角的四組信息(圖9中D1、D2、D3、D4標示區域)組成，每一組有3×3點陣，4組信息組成4位二進制數：0000，0001，0010，0011,0100，0101,0110,0111，1000，1001，分別表示0，1，2，3，4，5，6，7，8，9。圖8所示的水位的數值信息為7。

在上述4種信息的基礎上，本實用新型設計了一幅二維碼的信息圖片，點陣為15×15。而攝像頭采集的每個字輪圖像的點陣為36×15。這樣為確保字輪數字在任何狀態都能有該數字的信息，設計每一位數字上包含兩幅信息，即數值上半部識別區和數值下半部識別區并采用上半部間隔區和下半部間隔區進行分開。

如圖11和圖12所示，假設字輪讀數的個位數為“7”，則用二維碼表示則為圖11或圖12所示。在輪旋轉過程中，二維碼的“7”總是能完整顯示出來，當“7”后面的“8”完整出現，“7”才消失。可以根據要求確定此時刻的真實值，且采用此二維碼識別精度足以達到0.1。

此外，本實用新型的應用范圍不局限于說明書中描述的特定實施例的工藝、機構、制造、物質組成、手段、方法及步驟。從本實用新型的公開內容，作為本領域的普通技術人員將容易地理解，對于目前已存在或者以后即將開發出的工藝、機構、制造、物質組成、手段、方法或步驟，其中它們執行與本實用新型描述的對應實施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結果，依照本實用新型可以對它們進行應用。因此，本實用新型所附權利要求旨在將這些工藝、機構、制造、物質組成、手段、方法或步驟包含在其保護范圍內。