一种智能警水柱的制作方法
本技术涉及超声波测量，特别涉及一种智能警水柱。
背景技术：
1、随着社会经济的快速发展，水利工程建设不断增多，防洪防涝、水资源调配等水利工程管理的重要性日益凸显。准确监测河流、湖泊、水库等水体的水位、流速和流向，是水利工程管理的基础和前提。传统的人工监测方式效率低下，难以满足日益增长的水情监测需求。近年来，各种在线监测设备不断涌现，为水利工程管理提供了有力的技术支撑。
2、流速和流向的监测通常采用浆式流速仪、电磁流速仪和声学多普勒流速仪等。其中，浆式流速仪和电磁流速仪需要将传感器置于水体中，易受水下杂物影响，安装和维护不便；声学多普勒流速仪虽然非接触测量，但测量精度受换能器安装角度和流体倾斜角度影响较大，实际应用中难以保证测量精度。
3、在相关技术中，比如中国专利文献cn115639377a中提供了一种水下声学多普勒正负流测量方法及系统。通过主处理器控制第一dds信号发生器生成与超声波发射换能器的中心频率不同频率的信号并发送至第一上下变频混频器；设置第一阻带陷波器的中心频率为第一dds信号发生器生成的信号的频率与超声波发射换能器的中心频率的差值；并将第一混频信号发送至第一阻带陷波器中滤除与第一阻带陷波器的中心频率相等的信号得到第一有效信号；通过上述操作才能解调真实信号，并且再通过主处理器判断由第一有效信号得到的第一低频信号是否大于第一预设阈值，若是，则判定当前水流方向为正流向；若否，则判定当前水流方向为负流向，从而实现水下声学多普勒正负流测量功能。虽然该方案采用超声波多普勒效应测量水流速度和方向，而水流速度和方向与水位高度之间并没有直接的对应关系。水流速度和方向受到多种因素的影响，如河床地形、水流湍急程度、风速风向等，这些因素会引入误差和噪声，降低水位监测的精度。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的水利工程中水位监测精度低的问题，本技术提供了一种智能警水柱，利用多普勒效应测量流速和流向等，提高了测量精度。
2、技术方案，本技术的目的通过以下技术方案实现。
3、本说明书提供一种智能警水柱，包括：超声波测流模块，包含至少一对超声波发射换能器和超声波接收换能器，以及与超声波发射换能器连接的发射切换电路，与超声波接收换能器连接的接收切换电路；超声波发射换能器和超声波接收换能器的中心频率为f1；发射切换电路和接收切换电路分别与mcu1连接；水位测量模块，用于采集水位数据并发送给mcu1；mcu1，包含dds电路，dds电路产生频率为的正弦波参考信号；mcu1通过发射切换电路控制超声波发射换能器发射频率为的超声波，并通过接收切换电路接收超声波接收换能器接收到的流体反射的回波信号；mcu1将回波信号与正弦波参考信号混频，并对混频后的型号进行a/d采样和fft分析，得到多普勒频移，根据多普勒频移计算出流速和流向；小于；mcu2，通过串口与mcu1连接，接收mcu1发送的流速、流向和水位数据；并通过无线通信模块将接收的数据上传至云服务器；供电模块，包含太阳能电池板和太阳能控制电路，用于为智能警水柱供电。
4、其中，超声波发射换能器：将电信号转换为超声波信号并发射出去的器件。通常采用压电陶瓷材料制成，利用压电效应实现电－声转换。在该方案中，超声波发射换能器的中心频率为，用于发射频率为的超声波信号。超声波接收换能器：将接收到的超声波信号转换为电信号的器件。同样采用压电陶瓷材料制成，利用压电效应实现声-电转换。在该方案中，超声波接收换能器的中心频率也为，用于接收流体反射的超声波回波信号。dds电路：直接数字频率合成（direct digital synthesis）电路，是一种利用数字技术产生可编程正弦波的电路。通过控制相位累加器的步进和查找表的内容，可以实现正弦波频率和相位的精确调制。在该方案中，dds电路用于产生频率为的正弦波参考信号，其中小于。
5、正弦波参考信号：由dds电路产生的频率为的正弦波信号，作为混频器的本振信号，与接收到的超声波回波信号进行混频，将高频的回波信号转换为低频的多普勒频移信号。回波信号：超声波接收换能器接收到的流体反射的超声波信号，包含了流体流速和流向的多普勒频移信息。回波信号的频率为，其中为多普勒频移，与流速成正比。模数转换（analog-to-digital conversion）过程，将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。在该方案中，mcu1对混频后的信号进行a/d采样，将模拟信号转换为数字序列，为后续的fft分析做准备。fft分析：快速傅里叶变换（fast fourier transform）分析，是一种高效的频域分析方法。通过将时域信号转换到频域，可以得到信号的频谱特性。在该方案中，mcu1对a/d采样得到的数字序列进行fft分析，从而得到混频信号的频谱，并提取出多普勒频移。多普勒频移：由于流体的运动，反射回波信号的频率与发射信号的频率之间存在差值，这个差值称为多普勒频移。多普勒频移的大小与流体的流速成正比，符号与流向有关。在该方案中，mcu1通过fft分析得到多普勒频移，并根据多普勒效应公式计算出流速和流向。
6、其中，为超声波发射换能器和超声波接收换能器的中心频率，需要根据测流的量程、精度和分辨率等要求进行选择。通常，的取值范围为20khz~1mhz。为dds电路产生的正弦波参考信号的频率，用于与回波信号进行混频，将高频的回波信号转换为低频的多普勒频移信号。根据方案要求，应小于。
7、进一步的，还包括：声光报警模块，与mcu2连接；mcu2存储预设的流速阈值和水位阈值；mcu2将接收到的流速数据与流速阈值进行比较，并将接收到的水位数据与水位阈值进行比较；当流速数据大于流速阈值，或水位数据大于水位阈值时，mcu2控制声光报警模块发出声光报警信号。
8、其中，流速阈值的设置应参考监测河道的常年平均流速、最大流速等历史数据，并结合河道的过水能力、防洪标准等因素综合确定。例如，对于一条设计流速为2m/s，百年一遇洪水流速为5m/s的河道，可以将流速阈值设置为3.5m/s。这样，当实测流速超过3.5m/s时，就可以及时发出警报，提醒相关部门采取防洪措施。还可以根据季节、天气等因素对流速阈值进行动态调整。例如，在汛期或暴雨季节，可以适当降低流速阈值，提高警戒等级；而在枯水期，可以适当提高流速阈值，减少误报。水位阈值的设置应参考监测河道的历史水位数据、设计洪水位、警戒水位等指标，并考虑河道的防洪能力和周边环境的安全需求。例如，对于一条设计洪水位为50m，警戒水位为45m的河道，可以将水位阈值设置为48m。这样，当实测水位超过48m时，就可以及时发出警报，提醒沿岸居民做好防洪准备。同时，为了实现分级报警，还可以设置多个水位阈值。例如，可以设置两个水位阈值：预警水位和危险水位。当实测水位超过预警水位时，发出黄色预警信号；当实测水位超过危险水位时，发出红色警报信号。水位阈值的设置还需要考虑潮汐、船闸调度等因素的影响。例如，在受潮汐影响的河段，可以根据潮汐规律对水位阈值进行动态调整；在有船闸调度的河段，可以与船闸管理部门协调，根据调度情况适时调整水位阈值。
9、进一步的，超声波测流模块，还包括：超声波驱动电路和阻抗匹配及放大滤波电路；超声波驱动电路，与mcu1和发射切换电路连接，接收mcu1输出的脉冲信号，并对脉冲信号进行放大处理；通过发射切换电路将放大后的脉冲信号输出至对应的超声波发射换能器，发射超声波；阻抗匹配及放大滤波电路，与mcu1连接，用于接收通过接收切换电路选通的超声波接收换能器输出的回波信号，对回波信号进行阻抗匹配、放大和滤波处理。
10、其中，mcu是micro controller unit的缩写，即微控制器单元。在该方案中，mcu1是超声波测流模块的核心控制和数据处理单元。mcu1的主要功能包括：生成和控制超声波发射的脉冲信号；通过发射切换电路控制超声波发射换能器的工作；通过接收切换电路接收超声波接收换能器的回波信号；对回波信号进行混频、滤波、采样等处理，得到多普勒频移；根据多普勒频移计算流速和流向；与其他模块（如水位测量模块、mcu2等）进行数据交互。mcu1通常采用高性能的微控制器，如arm、dsp等，以满足实时性和计算性能的要求。同时，mcu1还集成了各种接口电路，如adc、dac、pwm等，用于与其他模块进行连接和控制。
11、其中，超声波驱动电路是用于驱动超声波发射换能器的电路单元。其主要功能是将mcu1输出的脉冲信号进行功率放大，并加载到超声波发射换能器上，使其产生高强度的超声波信号。超声波驱动电路通常采用功率放大器电路，如push-pull、bridge等拓扑结构。为了提高驱动效率和降低功耗，还可以采用谐振驱动等技术。阻抗匹配及放大滤波电路是用于处理超声波接收换能器输出信号的电路单元。其主要功能包括：阻抗匹配：将超声波接收换能器的高阻抗输出信号转换为低阻抗信号，以便于后续电路的处理；放大：将微弱的回波信号放大到足够的幅度，以便于后续的滤波和采样处理；滤波：滤除回波信号中的噪声和干扰成分，提取出目标的多普勒频移信号。阻抗匹配通常采用变压器、电容等无源元件实现，放大通常采用低噪声放大器（lna）实现，滤波通常采用有源或无源带通滤波器实现。
12、进一步的，阻抗匹配及放大滤波电路，包括阻抗匹配单元、放大单元和滤波单元；阻抗匹配单元包含串联的电容和电感，用于匹配超声波接收换能器的输出阻抗与放大单元的输入阻抗；放大单元，采用放大器，放大经阻抗匹配单元处理后的回波信号；滤波单元，采用带通滤波器，带通滤波器的中心频率与相同，用于对放大单元输出的回波信号进行滤波处理。
13、其中，带通滤波器（band-pass filter）是一种频率选择电路，可以让特定频率范围内的信号通过，而对该范围外的信号进行衰减或滤除。在该方案中，滤波单元采用带通滤波器，其主要功能是从放大单元输出的回波信号中，提取出目标的多普勒频移信号，并滤除其他频率成分的噪声和干扰。中心频率：对应于滤波器的最大透过率点，通常设置为与目标信号频率相同，在该方案中为。带通滤波器可以采用无源电路（如rlc）或有源电路（如运算放大器）实现。为了获得良好的频率选择特性和阻带衰减，通常采用高阶滤波器结构，如巴特沃斯（butterworth）、切比雪夫（chebyshev）、椭圆函数（elliptic）等。中心频率（center frequency）是指带通滤波器的最大透过率点对应的频率，也称为中间频率（intermediate frequency）。在该方案中，带通滤波器的中心频率与超声波发射和接收换能器的工作频率相同。这是因为，回波信号经过混频、放大等处理后，其多普勒频移信号的频率将会落在以为中心的窄带范围内。设置带通滤波器的中心频率为，可以确保滤波器对目标多普勒频移信号具有最大的透过率，同时对其他频率成分具有足够的衰减，从而有效地提取出目标信号，并抑制噪声和干扰。
14、优选地，阻抗匹配单元包括并联的第一电容和第一电感，以及串联的第二电容；第一电容和第一电感并联后，一端与超声波接收换能器的输出端连接，另一端接地；第二电容一端与超声波接收换能器的输出端连接，另一端与放大单元的输入端连接；第一电容和第一电感用于抵消超声波接收换能器的电容性reactance，第二电容用于阻隔超声波接收换能器产生的直流信号。
15、优选地，放大单元包括级联的第一放大器和第二放大器；第一放大器的输入端与阻抗匹配单元的输出端连接，第一放大器的输出端与第二放大器的输入端连接，第二放大器的输出端与滤波单元的输入端连接；第一放大器采用共源共栅结构，提供低噪声和高增益；第二放大器采用共源共漏结构，提供低输出阻抗，以降低滤波单元的插入损耗。
16、优选地，滤波单元采用有源bandpass滤波器，包括运算放大器、电阻和电容组成的rc反馈网络；运算放大器的同相输入端接地，运算放大器的反相输入端通过rc反馈网络与运算放大器的输出端连接；rc反馈网络包括两个串联的电阻和两个并联电容，用于选择性地对经放大单元放大后的回波信号进行放大，以滤除低于和高于超声波接收换能器中心频率的频率成分。
17、进一步的，无线通信模块，包括：lora无线通信单元，用于距离小于阈值的无线通信；5g通信单元，用于距离大于阈值的无线通信；其中，lora（long range）是一种基于扩频技术的低功耗远程无线通信方案，采用免许可的sub-ghz频段（如433mhz、868mhz、915mhz等），可以实现数公里至数十公里的通信距离，在该方案中，lora无线通信单元主要用于距离较近（小于距离阈值）的无线通信，如近距离的数据传输、设备控制、状态监测等。
18、进一步的，mcu1将回波信号与正弦波参考信号混频，并对混频后的信号进行a/d采样和fft分析，得到多普勒频移，根据多普勒频移计算出流速和流向，包括：mcu1内设有混频电路，混频电路包含两个输入端和一个输出端；其中一个输入端与接收切换电路连接，用于接收回波信号，另一个输入端与dds电路连接，用于接收频率为的正弦波参考信号；混频电路将接收到的回波信号和正弦波参考信号相乘，输出混频信号；mcu1内设有滤波器，滤波器的输入端与混频电路的输出端连接，用于接收混频信号；滤波器对混频信号进行滤波处理，滤除频率大于的信号，输出中心频率为的中频信号；mcu1内设有数模转换器，数模转换器的输入端与滤波器的输出端连接，用于接收频率为的中频信号；数模转换器以频率的采样频率对接收到的中频信号进行a/d采样，将采样得到的数字量存储在mcu1内置的存储器中；其中，大于，m为整数；mcu1对存储器中的采样数据进行快速傅里叶变换，得到频谱图；mcu1在频谱图中获取幅值最大的频率分量，计算频率分量与中频信号的偏移量，得到多普勒频移；mcu1根据多普勒频移的正负，判断流向；mcu1根据改进的多普勒频移公式和多普勒频移，计算流速v。
19、其中，为混频后的中频信号经过滤波处理后的截止频率，用于滤除高频噪声和干扰。根据多普勒频移的范围和采样定理，应大于最大的多普勒频移，同时小于采样频率的一半。例如，最大流速为5m/s，对应的多普勒频移△f_max=2v/λ≈1.33khz，则可以选择f3=5khz，确保完整保留多普勒频移信号，同时滤除高频噪声。为混频后的中频信号的中心频率，是由和共同决定的。根据混频原理，。为数模转换器对中频信号进行采样的频率，需要满足采样定理，即应大于2倍的。同时，为了降低运算量并减少高频干扰，不宜过高。大于，m为整数。可以选择m=2~10之间的适当值。
20、进一步的，混频电路将接收到的回波信号和正弦波参考信号相乘，输出混频信号，包括：混频电路包括两个输入端和一个输出端，其中一个输入端接收回波信号，另一个输入端接收正弦波参考信号；回波信号为频率为的正弦信号，其中，为超声波发射换能器的中心频率，为回波信号相对于的多普勒频移；正弦波参考信号为频率为的正弦信号，其中，和满足：，其中，为中频频率，为偏移频率；混频电路包含乘法器和低通滤波器，乘法器的两个输入端分别连接混频电路的两个输入端，用于接收回波信号和正弦波参考信号；乘法器将回波信号与正弦波参考信号相乘，得到乘积信号；乘积信号包含两个频率分量和，分别为：，，其中，表示乘积信号中的高频分量；表示乘积信号中的低频分量；低通滤波器的输入端连接乘法器的输出端，用于接收乘积信号；低通滤波器对乘积信号进行低通滤波处理，滤除频率分量，得到频率分量，作为混频信号输出。
21、优选地，混频电路还包括中频放大器，中频放大器的输入端连接低通滤波器的输出端，用于接收混频信号；中频放大器对混频信号进行放大，输出放大后的混频信号；其中，通过在正弦波参考信号的频率中引入偏移频率，使得混频后的频率偏离中频，避免了直流分量和低频干扰对信号质量的影响，提高了混频信号的信噪比。合理设置偏移频率的大小，使得频率分量仍然落在中频带宽内，保证了混频信号的完整性。同时不宜过大，以免偏离中频中心，影响滤波和放大效果。在乘法器和低通滤波器之后增加中频放大器，对混频信号进行放大，提高了信号的幅度和功率，有利于后续的信号处理和特征提取。
22、进一步的，mcu1对存储器中的采样数据进行快速傅里叶变换，得到频谱图，包括：mcu1从存储器中获取长度为l的采样数据；其中，l为2的整数次幂，n为采样点的索引，取值范围为0至l-1；mcu1对获取的采样数据进行加窗处理，得到加窗后的采样数据；其中，加窗处理采样汉宁窗函数：，。mcu1对加窗后的采样数据进行快速傅里叶变换，得到频域信号，k为频域的采样点索引，取值范围为0至l-1；包含l个频率分量，相邻两个频率分量之间的频率间隔满足：，其中，为数模转换器的采样频率；频域信号的幅频特性包含l/2+1个点，对应的频率范围为0至，频率轴的刻度为，幅值轴的刻度为；mcu1计算频域信号的幅值，得到幅频曲线，即频谱图；mcu1在中搜索幅值最大的频率分量，其对应的频域索引为，根据计算最大幅值对应的频率：，mcu1将与中频进行比较，得到相对于的偏移量：若，则，若，则；若大于等于0，则判断流体流向为与超声波发射方向相同；若小于0，则判断流体流向为与超声波发射方向相反。
23、其中，通过对采样数据进行加窗处理，可以减少频谱泄漏现象，提高频谱图的质量和主瓣集中度。采用汉宁窗函数可以在抑制频谱泄漏的同时，保证主瓣的频率分辨率。根据幅值最大的频率分量f_max在频谱图中的位置索引k_max，可以直接计算出f_max的频率值，避免了频率搜索过程，提高了计算效率。由于fft算法得到的频谱图是周期性的，因此需要根据k_max和采样数据长度n的关系，判断f_max是落在基频范围内还是高频范围内，从而正确计算频移偏量△f。这样可以扩展测量范围，提高系统的适应性。
24、进一步的，mcu1根据频移偏量的正负，判断流向和计算流速，包括：改进的多普勒频移公式：，其中，c为超声波在水中的传播速度，为超声波发射换能器和超声波接收换能器的中心频率，安装角度α指超声波换能器轴线在水平面上的投影与水流方向在水平面上的投影的夹角，其中0°<α<90°；倾斜角度β指超声波换能器轴线与水平面的夹角，其中-90°<β<90°，β为正值时表示超声波向下倾斜，β为负值时表示超声波向上倾斜；水流倾斜角度γ指水流方向与水平面的夹角，其中-90°<γ<90°，γ为正值时表示水流向下倾斜，γ为负值时表示水流向上倾斜；通过在多普勒频移公式中引入水流的倾斜角度γ，可以补偿由于水流倾斜导致的测量误差，进一步提高流速测量的精确度。
25、相比于现有技术，本技术的优点在于：
26、多对换能器的设置扩大了测量范围，提高了测量精度。发射换能器发出特定频率的超声波，经流体反射后被接收换能器接收，根据多普勒效应，流体速度越快，反射波频率偏移越大。通过计算频率偏移量，可得出流速大小。
27、发射和接收换能器独立设置，可优化布置角度，减小流体紊流干扰，保证测量精度。
28、混频电路将回波信号与参考信号相乘，产生和频与差频信号，滤除高频干扰，获得纯净的多普勒频移信号，提高了信噪比。混频后的信号频率大大降低，便于后续的放大滤波和a/d采样。
29、fft分析可从时域信号的采样数据中提取频率特性。通过fft变换，混频信号被转换为离散的频谱，多普勒频移对应频谱中幅值最大的频率分量，通过频谱分析可准确提取多普勒频移量。
30、改进的多普勒频移公式考虑了换能器安装角度和流体倾斜角度的影响，通过角度修正系数提高了流速计算精度，适用于不同工况条件。
31、mcu1和mcu2分别实现数据采集处理和数据上传，通过串口通信协议交换数据，简化了电路设计，降低了功耗。
32、lora和5g相结合的无线通信方式兼顾了近距离和远距离通信需求，通过功率控制实现模块低功耗工作，延长了电池工作时间。
33、预设流速和水位阈值，当实际值超过阈值时，及时触发声光报警，通过声音和闪光提醒值班人员和路人注意，预防危险发生。
34、供电模块采用太阳能电池板，由太阳能控制电路进行电压调节和充放电管理，为系统提供持续稳定的电能。
技术特征：
1.一种智能警水柱，包括：
2.根据权利要求1所述的智能警水柱，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的智能警水柱，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的智能警水柱，其特征在于：
5.根据权利要求2所述的智能警水柱，其特征在于：
6.根据权利要求2所述的智能警水柱，其特征在于：
7.根据权利要求6所述的智能警水柱，其特征在于：
8.根据权利要求7所述的智能警水柱，其特征在于：
9.根据权利要求7所述的智能警水柱，其特征在于：
10.根据权利要求7所述的智能警水柱，其特征在于：
技术总结
本申请公开了一种智能警水柱，涉及超声波测量技术领域，包括：超声波测流模块，包含至少一对超声波发射换能器和超声波接收换能器，以及发射切换电路和接收切换电路；超声波发射换能器和超声波接收换能器的中心频率为f1；水位测量模块，采集水位数据并发送给MCU1；MCU1，包含DDS电路，DDS电路产生频率为f2的正弦波参考信号；MCU1通过发射切换电路控制超声波发射换能器发射频率为f1的超声波，并通过接收切换电路接收超声波接收换能器接收到的流体反射的回波信号；MCU1将回波信号与正弦波参考信号混频，并对混频后的型号进行A/D采样和FFT分析，得到多普勒频移，根据多普勒频移计算出流速和流向；针对现有技术中水位监测精度低，本申请提高了测量精度。
技术研发人员：潘洪源,樊科成,卞慧婧,范璠
受保护的技术使用者：杭州鸿鹄电子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23