基于物联网云平台的便携式明渠流量自动监测系统

摘要

水作为一种重要的自然资源，它与土地、阳光、大气一起构成了所有生物所必须的基本生存条件。我国作为农业大国，对水资源的需求量所占的比重相当大，不同地域水资源的不合理分配以及供需矛盾日益突显，农业用水量已经达到了全国总用水量的70%以上，其中农业灌溉用水处于主导地位，灌溉用水大多为明渠输水。近年来随着经济的发展、灌区输配水工程和田间灌溉工程的标准化建设，实现了灌区的有效节水，同时对水资源的合理调配和水资源的有效利用，将会大大提高农业用水利用率，让“水”更好地为我们所用。 随着信息化建设的快速发展，灌区朝着精准测量、实时监控以及科学有效的管理方向发展。基于我国灌区目前存在的一系列测流的难题，设计一套适合灌区信息化建设的测流系统，对于我国水资源监控能力的建设具有重要的意义。 本课题研究结合我国灌区明渠量水的现状、应用和发展趋势，研发了一套基于物联网云平台的便携式明渠流量自动监测系统，利用毕托管和压差式传感器实现渠道流量信号的检测，将多路该检测信号通过多路数控模拟开关送入STC8051单片机进行处理，实现测量值在就地液晶屏显示或者通过物联网传到云平台进行处理，从而实现流量的实时监测，为明渠测流提出了一种新型的测流方法。本课题主要有以下几项研究内容： （1）依据毕托管原理、伯努利原理以及水力学动静压力学等相关理论知识，结合现有的计算机技术、传感器技术及物联网通信技术进行基于物联网云平台的便携式明渠流量自动监测系统的整体方案的设计。 （2）设计本系统的硬件电路，包括数据采集、数据传输、液晶显示等部分。 （3）根据测流条件要求，对测流装置机械部分进行设计和制作。 （4）利用Python语言、C语言结合C++完成本系统软件程序的编写和调试。 （5）根据客户端、服务器终端的特性，研发本系统的云平台。 （6）系统需要在水流实验大厅标准渠系上进行大量的实验，获取流速-流量实时数据，建立断面流速分布曲线模型，验证本系统的可靠性及实用性。 依据现有的水利学科相关理论和提高测流设备精确度的需要，通过大量的实验，验证了本系统的测流精度，实现测流过程中数据的无线传输以及实时监控，降低测流成本，本系统操作简单易于携带，这对我国灌区的渠道测流有着重要的推广价值和应用前景。

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第一章绪论

1.1 课题研究背景

1.2 课题研究的目的与意义

1.3 明渠测流的研究现状

1.3.1 明渠测流的国内外研究现状

1.3.2 我国明渠测流存在的问题及发展趋势

1.4 课题的研究内容和技术路线

1.4.1 课题的研究内容

1.4.2 课题的技术路线

第二章 便携式明渠流量自动监测系统的总体方案设计

2.1 本测流系统的工作原理

2.2 测流系统的电气工作原理

2.3 自动测流系统装置原理及结构设计

2.3.1 装置原理

2.3.2 装置机构设计

2.4 自动测流系统数学模型的建立

2.5 自动测流系统的方案概述

第三章 便携式明渠流量自动监测系统的硬件电路

3.1 控制电路的设计

3.1.1 主控电路的设计

3.1.2 单片机型号选取

3.2 信号数据选择电路

3.3 供电模块的电路设计

3.4 显示模块的电路设计

3.5 压差测压模块

3.6 串口及WIFI模块

3.7物联网云平台总体方案设计

3.7.1 系统组成

3.7.2 前端采集子系统无线网络传输系统

3.7.3 无线网络传输系统

3.7.4 物联网云平台中心

第四章 便携式明渠流量自动监测系统的软件开发

4.1 基于单片机测流装置的程序设计

4.1.1 软件程序语言和通讯协议的选择

4.1.2 传感器的信号采集与处理的软件设计

4.1.3 传感器的信号显示与传输的软件设计

4.2 物联网云平台的程序设计

4.2.1 服务器端软件设计

4.2.2 客户Web端软件设计

第五章 自动监测系统的调试及应用

5.1 自动监测系统的调试

5.1.1 系统的硬件调试

5.1.2 系统的软件调试

5.2 自动监测系统测流实验

5.3 自动监测系统测流的应用

第六章 总结及其展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

攻读硕士学位期间参与的科研项目