船閘多通道水位測量系統及濾波方法
2023-10-10 12:53:09 2
專利名稱：船閘多通道水位測量系統及濾波方法
技術領域：
本發明涉及一種測量系統，尤其涉及一種船閘多通道水位測量系統及濾波方法。
背景技術：
船閘站水位實時監測是船閘運行管理及船舶安全通航提出的必然要求。船閘調度人員必須時刻關注船閘上、下遊及閘室內水位的變化，準確可靠的水位數據使得船舶過閘工序自動化成為可能，從而大大減輕船舶過閘的難度和船閘調度人員的工作強度；同時，船閘站也十分有必要讓船民朋友及時掌握隨時變化的上、下遊水位信息，以便他們主動做出是動身出航還是停航靠岸的選擇。然而，目前許多船閘站的水位測量設施陳舊，技術較為落後，自動化程度不夠，水位信息準確度不高，有些甚至依靠工作人員觀察水標尺刻度，大大影響了船閘運行調度的安全性、經濟性與高效性。另外，船閘站大多依靠人工通過廣播系統甚至黑板報進行水位消息發布，形式較為單一，人性化程度不高，受眾面有限，廣大船民想了解船閘實時水位信息較為困難，因此往往錯過最佳過閘時機，也給船閘運行調度造成諸多不便。故設計一種面向船閘工程應用的多通道水位實時監測、遠程傳送及短消息交互系統，對改善和提高船閘的水位自動化監測水平，實現船閘站調度的安全運行以及提高過往船舶的人性化服務質量有重要的現實意義。中國專利說明書200710068013. 2公開了一種無線水位監測系統，以解決現有水位監測系統中，監測的數據無法實時傳輸，而只能實地取得的問題。但其不足之處在於1)在空間傳播的電磁波，除有用信號外，還存在大量的幹擾，如來自其它通信系統的互調、鄰頻、同頻等幹擾，還有來自現場的電磁幹擾，以及天電等自然現象幹擾。而這些幹擾往往會造成監測系統無法正常通信；2)該監測系統硬體成本高，各測量點水位數據的收集無法充分保證實時性；3)水位監測與信息發布沒有進行有機集成，無法將各點水位信息及時告知用戶，限制了系統的應用範圍。陳永剛等人在論文「船閘水位與水位差值雷射監測系統的原理與實踐」山東交通科技，2010 (I)介紹了一種應用現代雷射測距技術對原有船閘的水位測量系統進行升級改造的方法，但該方法存在以下問題1)雷射測距傳感器價格昂貴，使用條件較為苛刻，且反射浮板安裝較困難；2)環境溫度的變化、測井內長期寄生的昆蟲、蜘蛛網等雜物會阻擋雷射光束，必須定期消除；3)系統的擴展性較差，不利於多通道水位的實時巡迴測量。現有技術的水位壓力傳感器實時輸出無周期連續變化的電流信號。在複雜的水環境中實際使用時，存在各種形式的幹擾源，如船閘站啟閉機房內各種動力設備的啟動和運行時所產生的大電流衝擊、220V電網電壓的波動與波形畸變幹擾、電磁輻射、長距離傳輸導致的電流信號衰減、雷電產生的過電壓等。以上幹擾一旦侵入測量系統輸入通道，無疑會造成數據採集誤差加大或淹沒傳感器有用信號成分，嚴重時甚至會破壞整個測量系統的運行。為了改善船閘的水位自動化監測水平、實現船閘站調度的安全運行、提高過往船舶的過閘效率及提供人性化服務，設計一種船閘多通道水位測量系統，以解決現有技術水位傳感器數據採集易受幹擾，採集自動化程度不高、信息發布形式單一、人機互動性不強等問題具有重要的現實意義。
發明內容
本發明的目的在於提供一種船閘多通道水位測量系統及濾波方法，解決現有技術數據採集易受幹擾，採集自動化程度不高、信息發布形式單一、人機互動性不強等技術問題。本發明的目的通過以下技術方案予以實現一種船閘多通道水位測量系統，包括上遊水位傳感器、下遊水位傳感器、閘室水位傳感器、數據採集模塊、RS485網絡、485/232轉換器、遠程監控PC機、GSM模塊、手機用戶，所述數據採集模塊包括信號調理電路A、信號調理電路B、信號調理電路C、多路開關、A/D轉換電路、單片機、電源管理模塊、按鍵、數碼管、TTL/485轉換電路，所述上遊水位傳感器、下遊水位傳感器、閘室水位傳感器分別與信號調理電路A、信號調理電路B、信號調理電路C相連，所述信號調理電路A、信號調理電路B、信號調理電路C與多路開關輸入端相連，多路開關輸出端與A/D轉換電路相連，所述A/D轉換電路、電源管理模塊、按鍵、數碼管分別與單片機相連，所述TTL/485轉換電路一端與單片機相連，另一端接入RS485網絡，所述485/232轉換器一端接入RS485網絡，另一端接遠程監控PC機，所述GSM模塊與遠程監控PC機相連並通過無線通信網絡與手機用戶通信。一種船閘多通道水位測量系統的濾波方法，該方法包括以下步驟I)對被測參數進行中值濾波，即對被測參數連續採樣多次，將採樣值進行排序，選取中間值為本次有效採樣值；2)對被測參數進行有限脈衝響應濾波，先給定理想濾波器的頻率特性Hd(ejw)；3)計算理想濾波器的單位抽樣響應
權利要求
1.一種船閘多通道水位測量系統，其特徵在於，包括上遊水位傳感器、下遊水位傳感器、閘室水位傳感器、數據採集模塊、RS485網絡、485/232轉換器、遠程監控PC機、GSM模塊、手機用戶，所述數據採集模塊包括信號調理電路A、信號調理電路B、信號調理電路C、多路開關、A/D轉換電路、單片機、電源管理模塊、按鍵、數碼管、TTL/485轉換電路，所述上遊水位傳感器、下遊水位傳感器、閘室水位傳感器分別與信號調理電路A、信號調理電路B、信號調理電路C相連，所述信號調理電路A、信號調理電路B、信號調理電路C與多路開關輸入端相連，多路開關輸出端與A/D轉換電路相連，所述A/D轉換電路、電源管理模塊、按鍵、數碼管分別與單片機相連，所述TTL/485轉換電路一端與單片機相連，另一端接入RS485網絡，所述485/232轉換器一端接入RS485網絡，另一端接遠程監控PC機，所述GSM模塊與遠程監控PC機相連並通過無線通信網絡與手機用戶通信。
2.如權利要求I所述的船閘多通道水位測量系統，其特徵在於，所述信號調理電路A、信號調理電路B、信號調理電路C分別包括I/V轉換電路、跟隨器、低通濾波器，所述低通濾波器為巴特沃斯二階形式，所述I/V轉換電路輸入端與水位傳感器連接，所述I/V轉換電路輸出端與跟隨器輸入端相連，跟隨器輸出端與低通濾波器相連。
3.如權利要求I或2所述的船閘多通道水位測量系統，其特徵在於，所述A/D轉換電路包括A/D轉換器(101 )、CPLD (102)、基準電壓晶片(103)，所述A/D轉換器(101)型號為獻父195，所述0 0)(102)型號為EPM7128S，所述基準電壓晶片(103)型號為MAX6250，所述A/D轉換器(101)的AIN端為待轉換模擬信號的輸入通道，所述A/D轉換器(101)的CLK端與CPLD (102)的4FPCLK端相連，所述A/D轉換器(101)的EOC端與CPLD (102)的EOC端相連，所述A/D轉換器(101)的CONV端與CPLD (102)的CONV端相連，所述A/D轉換器(101)的DOUT端與CPLD (102)的SDIN端相連，所述A/D轉換器(101)的RESET端接收單片機發出的自校準信號，所述A/D轉換器(101)的REF端與基準電壓晶片(103)的OUT端相連，，所述CPLD (102)的START端接收單片機發出的A/D轉換啟動信號，所述CPLD (102)的AD卜7與單片機的並口相連。
4.如權利要求I所述的船閘多通道水位測量系統的濾波方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟1)對被測參數進行中值濾波，即對被測參數連續採樣多次，將採樣值進行排序，選取中間值為本次有效採樣值；2)對被測參數進行有限脈衝響應濾波，先給定理想濾波器的頻率特性Hd(ejw)；3)計算理想濾波器的單位抽樣響應Xn)—K4)設置濾波器形式、窗函數類型、窗口長度N；5)調用MATLAB函數計算濾波器係數w(η)；6)計算所設計濾波器的單位抽樣響應h(n) =hd (n) w (η)；7)將設計好的N個h(η)序列存入對應存儲區；8)將中值濾波結果Xl作為X(η)存入對應存儲區；Ar-I9)循環讀取h(η)、X (η)值進行卷積運算，求得在線濾波結果=〃 )
全文摘要
本發明公開了一種船閘多通道水位測量系統及濾波方法，系統由多水位傳感器、數據採集模塊、遠程監控PC機、GSM模塊及通信網絡等組成。以單片機為下位微控制器，採用高精度A/D轉換器，實時監測船閘上下遊、閘室等多測量點水位，並將多路數據打包重構後利用485總線遠程傳送到上位監控PC機以實時顯示各點水位值，並通過GSM短消息模塊及其無線網絡將水位信息發送給指定手機用戶，同時也支持手機用戶隨時利用GSM網絡主動索取各點水位值。系統採用基於單片機中值濾波基礎上的FIR濾波，有易於實現和系統絕對穩定的優勢。本發明成本低、精度高、抗幹擾能力強、人機互動友好。
文檔編號G01F23/00GK102928040SQ201210430400
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月1日 優先權日2012年11月1日
發明者唐煒, 張冰蔚, 王黎輝, 張鵬, 劉勇, 劉林飛, 顧金鳳 申請人:江蘇科技大學