一种基于抗干扰信号处理的无线水位传感器系统及方法与流程

1.本发明属于水利自动化技术领域，具体涉及一种基于抗干扰信号处理的无线水位传感器系统及方法。


背景技术：

2.水位检测在给排水及水利等领域的应用十分常见，比如，在江河湖泊、水池、水箱、水塔、水井等。目前市场上的水位检测有些仍采取人工读取和记录测得的水位数据，有些为布线方式自动检测水位信号，但在很多使用场合是远离接收中心的偏僻山庄、农村，河川，不方便布线设置，当布线时将极大地增加施工难度，而且成本也高，并且在水位测量过程中存在各种信号的干扰，例如电气干扰、电磁干扰，要实现对水位数据的采集，滤除信号干扰是设计的重要组成部分。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是：本发明提供的一种基于抗干扰信号处理的无线水位传感器系统及方法，以解决无线水位传感器传输信号的抗干扰能力差的问题。
4.本发明采用的技术方案为：
5.一种基于抗干扰信号处理的无线水位传感器系统，包括液位探测模块、信号处理模块、信号发射模块和稳压电源模块；
6.其中，所述液位探测模块、信号处理模块和信号发射模块依次连接，所述稳压电源模块分别与所述液位探测模块、信号处理模块和信号发射模块连接；
7.所述液位探测模块用于检测水位深度，并产生水位信号；所述信号处理模块用于对水位信号进行抗干扰处理；所述信号发射模块用于发射处理后的水位信号；所述稳压电源模块用于提供各个模块所需的电源。
8.进一步地：所述液位探测模块具体为压阻式水位传感器。
9.压阻式水位传感器具有灵敏度高、动态响应好、精度高的特点，可用于实时检测目标水位。
10.进一步地：所述信号处理模块包括ad芯片、权值计算子模块、滤波子模块和da芯片；
11.其中，所述滤波子模块分别与所述ad芯片、权值计算子模块和da芯片连接，所述ad芯片和权值计算子模块均与所述压阻式水位传感器连接，所述da芯片还与所述信号发射模块连接。
12.信号处理模块可以滤除水位信号中的各种干扰，提高基于抗干扰信号处理的无线水位传感器的信噪比。
13.进一步地：所述信号发射模块设置有发射天线；所述稳压电源模块的输入端与vcc电源连接，所述稳压电源模块的输出端分别与所述液位探测模块、信号处理模块和信号发射模块连接；
14.所述稳压电源模块包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、二极管d1、npn型三极管q1、npn型三极管q2、npn型三极管q3、pnp型三极管q4、npn型三极管q5、npn型三极管q6和npn型三极管q7；
15.其中，所述电阻r1的一端分别与所述npn型三极管q1的集电极和vcc电源正极连接并作为稳压电源模块的输入端正极，所述npn型三极管q1的基极与所述npn型三极管q2的集电极连接，所述npn型三极管q1的发射极与所述电阻r3的一端连接，所述电阻r1的另一端分别与所述电容c1的一端和电阻r2的一端连接，所述电容c1的另一端分别与所述pnp型三极管q4的集电极、电容c3的一端、二极管d1的正极、电阻r8的一端、电阻r10的一端和电容c5的一端连接，所述电容c1的另一端还作为稳压电源模块的输入端负极，所述电阻r2的另一端分别与所述npn型三极管q2的基极、npn型三极管q3的集电极、npn型三极管q5的集电极和电容c2的一端连接，所述npn型三极管q2的发射极与所述电阻r4的一端连接，所述npn型三极管q5的基极分别与所述电阻r4的另一端、电阻r3的另一端、电阻r5的一端、电容c4的一端、电阻r6的一端、电阻r7的一端、电阻r9的一端和电容c5的另一端连接，所述npn型三极管q5的发射极与所述电阻r5的另一端连接，所述npn型三极管q3的发射极与所述pnp型三极管q4的发射极连接，所述npn型三极管q3的基极分别与所述电容c2另的一端、pnp型三极管q4的基极、电容c3的另一端、电容c4的一端、二极管d1的负极和npn型三极管q6的基极连接，所述npn型三极管q6的集电极与所述电阻r6的另一端连接，所述npn型三极管q6的发射极分别与所述电阻r8的另一端和npn型三极管q7的发射极连接，所述npn型三极管q7的集电极与所述电阻r7的另一端连接，所述npn型三极管q7的基极分别与所述电阻r9的另一端和电阻r10的另一端连接；所述电容c5的一端作为稳压电源模块输出端的负极，所述电容c5的另一端作为稳压电源模块输出端的正极。
16.稳压电源模块的电路可以为各个模块提供稳压电流，能使各个模块正常工作。
17.一种基于抗干扰信号处理无线水位传感器系统的方法，包括以下步骤：
18.s1、根据液位探测模块采集水位信号，并将其发送至信号处理模块；
19.s2、通过信号处理模块处理水位信号，得到抗干扰水位信号；
20.s3、将抗干扰水位信号通过信号发射模块发送至设定的接收系统，完成信号的处理。
21.进一步地：所述步骤s2包括以下分步骤：
22.s21、通过ad芯片处理水位信号，生成第一数字信号；
23.s22、通过权值计算子模块计算水位信号，得到加权系数；
24.s23、将加权系数和第一数字信号输入至滤波子模块，生成第二数字信号；
25.s24、将第二数字信号输入至da芯片，得到抗干扰水位信号。
26.进一步地：所述步骤s22中，生成加权系数α的表达式具体为：
[0027][0028]
式中，yk为第k次采样水位信号的水位深度值，n为设定的采样次数阈值，θ为第k次采样水位信号的水平方位角。
[0029]
计算加权系数可以降低采集水位信号过程中的其他信号产生的随机干扰，对于在测量过程中的周期性干扰具有良好的抑制作用。
[0030]
进一步地：所述步骤s23中，生成第二数字信号y
t
的表达式具体为：
[0031]yt
＝α
×
xk+(1-α)[α
×
x
k-1
+(1-α)
×yt-1
]
[0032]
式中，xk为第k次采样第一数字信号，x
k-1
为第k-1次采样第一数字信号，为，y
t
为当前时刻t生成的第二数字信号，y
t-1
为时刻t-1生成的第二数字信号。
[0033]
滤波子模块根据加权系数对第一数字信号进行滤波，可以在第一数字信号上形成增益，从而达到降低干扰的目的；
[0034]
本发明的有益效果为：
[0035]
(1)本发明可以在实现对水位信号接收的基础上，有效提高在近似真实值上的增益，进而能够实现对干扰信号的抑制，通过加权系数的滤波处理方式，完成水位信号的抗干扰处理，从而保证无线水位传感器的通信。
[0036]
(2)本发明稳压电源模块的电路可以为各个模块提供稳压电流，保证无线水位传感器的正常运行，具有在输出电流较大范围内变化，其两端电压基本不变的特性。
附图说明
[0037]
图1为本发明的系统结构框图；
[0038]
图2为本发明的信号处理模块结构图；
[0039]
图3为稳压电源模块的电路原理图；
[0040]
图4为基于抗干扰信号处理无线水位传感器的方法流程图。
具体实施方式
[0041]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0042]
实施例1：
[0043]
如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种基于抗干扰信号处理的无线水位传感器系统，包括液位探测模块、信号处理模块、信号发射模块和稳压电源模块；
[0044]
其中，所述液位探测模块、信号处理模块和信号发射模块依次连接，所述稳压电源模块分别与所述液位探测模块、信号处理模块和信号发射模块连接；
[0045]
所述液位探测模块用于检测水位深度，并产生水位信号；所述信号处理模块用于对水位信号进行抗干扰处理；所述信号发射模块用于发射处理后的水位信号；所述稳压电源模块用于提供各个模块所需的电源。所述液位探测模块具体为压阻式水位传感器。
[0046]
压阻式水位传感器通过单晶硅材料的压阻效应测量水位，具有灵敏度高、动态响应好、精度高的特点，可用于实时检测目标水位。
[0047]
如图2所示，所述信号处理模块包括ad芯片、权值计算子模块、滤波子模块和da芯片；
[0048]
在本实施例中，处理模块具体为单片机，选择单片机可以降低系统的电源电压，并
且单片机功耗低，适用于长期水位信号的监测。
[0049]
其中，所述滤波子模块分别与所述ad芯片、权值计算子模块和da芯片连接，所述ad芯片和权值计算子模块均与所述压阻式水位传感器连接，所述da芯片还与所述信号发射模块连接。
[0050]
权值计算子模块用于计算输入信号的加权系数，滤波子模块用于根据加权系数对第一数字信号进行滤波。
[0051]
所述信号发射模块设置有发射天线；在本实施例中，发射模块设置的射频芯片的型号为nrf90；
[0052]
在本实施例中，滤波子模块具体为无源低通滤波器，可以滤除水位信号中的各种干扰，提高基于抗干扰信号处理的无线水位传感器的信噪比。
[0053]
如图3所示，所述稳压电源模块的输入端与vcc电源连接，所述稳压电源模块的输出端分别与所述液位探测模块、信号处理模块和信号发射模块连接；
[0054]
所述稳压电源模块包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、二极管d1、npn型三极管q1、npn型三极管q2、npn型三极管q3、pnp型三极管q4、npn型三极管q5、npn型三极管q6和npn型三极管q7；
[0055]
其中，所述电阻r1的一端分别与所述npn型三极管q1的集电极和vcc电源正极连接并作为稳压电源模块的输入端正极，所述npn型三极管q1的基极与所述npn型三极管q2的集电极连接，所述npn型三极管q1的发射极与所述电阻r3的一端连接，所述电阻r1的另一端分别与所述电容c1的一端和电阻r2的一端连接，所述电容c1的另一端分别与所述pnp型三极管q4的集电极、电容c3的一端、二极管d1的正极、电阻r8的一端、电阻r10的一端和电容c5的一端连接，所述电容c1的另一端还作为稳压电源模块的输入端负极，所述电阻r2的另一端分别与所述npn型三极管q2的基极、npn型三极管q3的集电极、npn型三极管q5的集电极和电容c2的一端连接，所述npn型三极管q2的发射极与所述电阻r4的一端连接，所述npn型三极管q5的基极分别与所述电阻r4的另一端、电阻r3的另一端、电阻r5的一端、电容c4的一端、电阻r6的一端、电阻r7的一端、电阻r9的一端和电容c5的另一端连接，所述npn型三极管q5的发射极与所述电阻r5的另一端连接，所述npn型三极管q3的发射极与所述pnp型三极管q4的发射极连接，所述npn型三极管q3的基极分别与所述电容c2另的一端、pnp型三极管q4的基极、电容c3的另一端、电容c4的一端、二极管d1的负极和npn型三极管q6的基极连接，所述npn型三极管q6的集电极与所述电阻r6的另一端连接，所述npn型三极管q6的发射极分别与所述电阻r8的另一端和npn型三极管q7的发射极连接，所述npn型三极管q7的集电极与所述电阻r7的另一端连接，所述npn型三极管q7的基极分别与所述电阻r9的另一端和电阻r10的另一端连接；所述电容c5的一端作为稳压电源模块输出端的负极，所述电容c5的另一端作为稳压电源模块输出端的正极。
[0056]
在本实施例中，本发明的稳压电源模块的电路可以为各个模块提供稳压电流，能使各个模块正常工作。
[0057]
实施例2：
[0058]
本实施例针对一种基于抗干扰信号处理的无线水位传感器采集系统的水位信号处理。
[0059]
如图4所示，在本实施例中，一种基于抗干扰信号处理无线水位传感器系统的方法，包括以下步骤：
[0060]
s1、根据液位探测模块采集水位信号，并将其发送至信号处理模块；
[0061]
s2、通过信号处理模块处理水位信号，得到抗干扰水位信号；
[0062]
s3、将抗干扰水位信号通过信号发射模块发送至设定的接收系统，完成信号的处理。
[0063]
接收系统用于根据抗干扰水位信号实时检测目标水位深度，可以使工作人员及时针对水位深度做出处理，
[0064]
所述步骤s2包括以下分步骤：
[0065]
s21、通过ad芯片处理水位信号，生成第一数字信号；
[0066]
s22、通过权值计算子模块计算水位信号，得到加权系数；
[0067]
s23、将加权系数和第一数字信号输入至滤波子模块，生成第二数字信号；
[0068]
s24、将第二数字信号输入至da芯片，得到抗干扰水位信号。
[0069]
所述s21中，ad芯片处理水位信号，生成第一数字信号，将水位信号进行数据提取可以得到水位深度值和水平方位角；
[0070]
所述步骤s22中，所述步骤s22中，生成加权系数α的表达式具体为：
[0071][0072]
式中，yk为第k次采样水位信号的水位深度值，n为设定的采样次数阈值，θ为第k次采样水位信号的水平方位角。
[0073]
计算加权系数可以降低采集水位信号过程中的其他信号产生的随机干扰，对于在测量过程中的周期性干扰具有良好的抑制作用；
[0074]
在本实施例中，根据水位信号计算的加权系数，可以实现对干扰信号的抑制，在水位信号变化不大的情况下，可以抑制掉干扰噪声，使得滤波子模块的滤波结果近似真实值，
[0075]
滤波子模块可以根据计算的加权系数对第一数字信号进行滤波。
[0076]
所述步骤s23中，生成第二数字信号y
t
的表达式具体为：
[0077]yt
＝α
×
pk+(1-α)[α
×
p
k-1
+(1-α)
×yt-1
]
[0078]
式中，pk为第k次采样的第一数字信号，p
k-1
为第k-1次采样第一数字信号，为，y
t
为当前时刻t生成的第二数字信号，y
t-1
为时刻t-1生成的第二数字信号。
[0079]
在本实施例中，计算第二数字信号可以基于加权系数和前一次计算的得到的第二数字信号，提高本次计算第二数字信号近似值的增益，从而滤除干扰信号。
[0080]
滤波子模块根据加权系数对第一数字信号进行滤波，可以在第一数字信号上形成增益，从而达到降低干扰的目的；
[0081]
本发明可以在实现对水位信号接收的基础上，有效提高在近似真实值上的增益，进而能够实现对干扰信号的抑制，通过加权系数的滤波处理方式，完成水位信号的抗干扰处理，从而保证无线水位传感器的通信。
[0082]
本发明稳压电源模块的电路可以为各个模块提供稳压电流，保证无线水位传感器的正常运行，具有在输出电流较大范围内变化，其两端电压基本不变的特性。

技术特征：
1.一种基于抗干扰信号处理的无线水位传感器系统，其特征在于，它包括液位探测模块、信号处理模块、信号发射模块和稳压电源模块；液位探测模块、信号处理模块和信号发射模块依次连接，稳压电源模块分别与液位探测模块、信号处理模块和信号发射模块连接；液位探测模块用于检测水位深度，并产生水位信号；信号处理模块用于对水位信号进行抗干扰处理；信号发射模块用于发射处理后的水位信号；稳压电源模块用于提供各个模块所需的电源。2.根据权利要求1所述的一种基于抗干扰信号处理的无线水位传感器系统，其特征在于，所述液位探测模块具体为压阻式水位传感器。3.根据权利要求1所述的一种基于抗干扰信号处理的无线水位传感器系统，其特征在于，所述信号处理模块包括ad芯片、权值计算子模块、滤波子模块和da芯片；所述滤波子模块分别与所述ad芯片、权值计算子模块和da芯片连接，所述ad芯片和权值计算子模块均与所述压阻式水位传感器连接，所述da芯片还与所述信号发射模块连接。4.根据权利要求1所述的一种基于抗干扰信号处理的无线水位传感器系统，其特征在于，所述信号发射模块设置有发射天线；所述稳压电源模块的输入端与vcc电源连接，所述稳压电源模块的输出端分别与所述液位探测模块、信号处理模块和信号发射模块连接；所述稳压电源模块包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、二极管d1、npn型三极管q1、npn型三极管q2、npn型三极管q3、pnp型三极管q4、npn型三极管q5、npn型三极管q6和npn型三极管q7；其中，所述电阻r1的一端分别与所述npn型三极管q1的集电极和vcc电源正极连接并作为稳压电源模块的输入端正极，所述npn型三极管q1的基极与所述npn型三极管q2的集电极连接，所述npn型三极管q1的发射极与所述电阻r3的一端连接，所述电阻r1的另一端分别与所述电容c1的一端和电阻r2的一端连接，所述电容c1的另一端分别与所述pnp型三极管q4的集电极、电容c3的一端、二极管d1的正极、电阻r8的一端、电阻r10的一端和电容c5的一端连接，所述电容c1的另一端还作为稳压电源模块的输入端负极，所述电阻r2的另一端分别与所述npn型三极管q2的基极、npn型三极管q3的集电极、npn型三极管q5的集电极和电容c2的一端连接，所述npn型三极管q2的发射极与所述电阻r4的一端连接，所述npn型三极管q5的基极分别与所述电阻r4的另一端、电阻r3的另一端、电阻r5的一端、电容c4的一端、电阻r6的一端、电阻r7的一端、电阻r9的一端和电容c5的另一端连接，所述npn型三极管q5的发射极与所述电阻r5的另一端连接，所述npn型三极管q3的发射极与所述pnp型三极管q4的发射极连接，所述npn型三极管q3的基极分别与所述电容c2另的一端、pnp型三极管q4的基极、电容c3的另一端、电容c4的一端、二极管d1的负极和npn型三极管q6的基极连接，所述npn型三极管q6的集电极与所述电阻r6的另一端连接，所述npn型三极管q6的发射极分别与所述电阻r8的另一端和npn型三极管q7的发射极连接，所述npn型三极管q7的集电极与所述电阻r7的另一端连接，所述npn型三极管q7的基极分别与所述电阻r9的另一端和电阻r10的另一端连接；所述电容c5的一端作为稳压电源模块输出端的负极，所述电容c5的另一端作为稳压电源模块输出端的正极。5.一种基于抗干扰信号处理的无线水位传感器系统的方法，其特征在于，它包括以下
步骤：s1、根据液位探测模块采集水位信号，并将其发送至信号处理模块；s2、通过信号处理模块处理水位信号，得到抗干扰水位信号；s3、将抗干扰水位信号通过信号发射模块发送至设定的接收系统，完成信号的处理。6.根据权利要求5所述的一种基于抗干扰信号处理的无线水位传感器系统的方法，其特征在于，所述步骤s2包括以下分步骤：s21、通过ad芯片处理水位信号，生成第一数字信号；s22、通过权值计算子模块计算水位信号，得到加权系数；s23、将加权系数和第一数字信号输入至滤波子模块，生成第二数字信号；s24、将第二数字信号输入至da芯片，得到抗干扰水位信号。7.根据权利要求6所述的一种基于抗干扰信号处理的无线水位传感器系统的方法，其特征在于，所述步骤s22中，生成加权系数α的表达式具体为：式中，y
k
为第k次采样水位信号的水位深度值，n为设定的采样次数阈值，θ为第k次采样水位信号的水平方位角。8.根据权利要求6所述的一种基于抗干扰信号处理的无线水位传感器系统的方法，其特征在于，所述步骤s23中，生成第二数字信号y
t
的表达式具体为：y
t
＝α
×
x
k
+(1-α)[α
×
x
k-1
+(1-α)
×
y
t-1
]式中，x
k
为第k次采样第一数字信号，x
k-1
为第k-1次采样第一数字信号，为，y
t
为当前时刻t生成的第二数字信号，y
t-1
为时刻t-1生成的第二数字信号。

技术总结
本发明公开了一种基于抗干扰信号处理的无线水位传感器系统及方法，系统包括液位探测模块、信号处理模块、信号发射模块和稳压电源模块；其中，液位探测模块、信号处理模块和信号发射模块依次连接，稳压电源模块分别与液位探测模块、信号处理模块和信号发射模块连接，本发明可以在实现对水位信号接收的基础上，有效提高在近似真实值上的增益，进而能够实现对干扰信号的抑制，通过加权系数的滤波处理方式，完成水位信号的抗干扰处理，从而保证无线水位传感器的通信。传感器的通信。传感器的通信。


技术研发人员：辛明勇 徐长宝 高吉普 张佳明 徐振恒 王宇 杨婧 肖小兵 蔡永翔 祝健杨 代奇迹 陈敦辉 孙宏棣 林力
受保护的技术使用者：南方电网数字电网研究院有限公司
技术研发日：2022.02.14
技术公布日：2022/5/25