河道单侧多LoRa基站的无线浮标计数测流速方法技术

本发明专利技术公开了河道单侧多LoRa基站的无线浮标计数测流速方法。利用在十字架结构浮标的中心位置安装LoRa无线模块，通过计算信号强度实现定位，包括河道单侧基站建立，浮标投放点定位和浮标释放，无线信号采集与定位测速数据处理。本发明专利技术能实现远程、高效、高精度的河水流速测量，节省了人力物力并且对野外复杂环境和恶劣天气的适应性更强，从而使河水流速测量更高效便捷。

【技术实现步骤摘要】
河道单侧多LoRa基站的无线浮标计数测流速方法
本专利技术属于电子信息
，具体涉及河道单侧多LoRa基站的无线浮标计数测流速方法。
技术介绍
为进行江河流量监测、汛期防洪、水文监测、农业灌溉等，常需要对江河、明渠的水流速进行测量。目前常用的流速测量法有：浮标法、颜色示踪法、电解质脉冲法等。浮标法简单易行，但是误差大；颜色示踪法只能进行短距离测量，否则会因染色剂稀释而难于观察；电解质脉冲法通过建模得到盐液在水流中迁移的数学模型，再据测量结果拟合出水流速度，该方法仅理论可行实际应用还要考虑水中泥沙、水量等多个因素。目前市场上有由流速仪、旋桨式流速传感器、信号连接线等组成的便携式水流测速仪，使用时将旋桨投入水中，在流速仪上观测数据。因为连接线长度的限制，该类仪器需要人员近距离操作，适用于有桥、行船方便或河道两侧易于接近等场合，但是实际野外环境复杂不具备近距离有桥测量的条件，并且当遇到刮风、下雨、发洪水等恶劣天气时，该类仪器使用严重受限。因此亟需一种简单易行、可靠性高且不受距离限制的技术来解决这些问题。物联网技术能实现物体的感知、智能、互联，在多个领域取得重大突破。本专利技术综合考虑了浮标法和无线定位的优缺点，为解决其误差较大的缺点，使用了LoRa无线三点定位法和技术，能够实现远距离、高可靠的河流流速测量。单侧多LoRa基站是将基站铺设在河道同侧，同侧基站在铺设时较容易且供电方便，能够解决河道两侧没有桥的缺陷，且在野外环境中的适应性更好。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供河道单侧多LoRa基站的无线浮标计数测流速方法，解决现有方法人力测河水流速误差大、对野外复杂环境及恶劣天气适用性差以及河面两边同时架设基站不便的问题。为实现上述目的本专利技术采用以下技术方案：河道单侧多LoRa基站的无线浮标计数测流速方法，包括如下步骤：利用在十字架结构浮标的中心位置安装LoRa无线模块，通过计算信号强度实现定位，具体按照以下步骤实施：步骤1，河道单侧基站建立。最少三个基站就能够实现三点定位，建立4-6个基站能够在有效提高定位精度，但是多于6个基站后其精度不会有较大提升，因此本专利技术在河道一侧每隔50米建立一个基站，共建立6个基站，该段为河水流速监测段。基站上方有发射和接收天线，用于接收浮标上LoRa模块发送的数据以及基站间数据的交互，并能将采集到的数据远程传递到监控中心。此外这些基站作为锚节点再结合三点定位法来确定浮标的位置。步骤2，浮标投放点定位和浮标释放。在河道上游设定的投放点放置一个浮标，该浮标上LoRa每秒内发送10个数据，即每100毫秒发送一个数据，预定位数据帧如表1。并利用该数据包和接收端秒计时器同时进行计时，浮标发送的数据由基站接收，实现投放点预定位和水速测量前无线定位系统的检测。完成预定位过程后，在设定的投放点释放浮标，浮标在随河水漂流过程中，通过LoRa无线模块每秒发送100个测试数据，即每10毫秒发送一个数据如表2所示，实现河水速度测量。表1预定位数据帧格式因为每秒发送10个数据，从1到10依次发送，最大数值10对应的二进制数为1010，要占用4个比特，剩余4位为奇偶校验位。步骤3，无线信号采集与定位测速数据处理。LoRa模块以固定的能量发送数据，由于电波传播过程中损耗的存在，导致接收到的信号强度会改变，其接收到的信号强度与距离有一定关系，因此本专利技术采用信号强度测量法来计算收发端之间的距离，再结合三点定位可计算出浮标的实时位置。基站通过侦听浮标发来的数据，从而得到RSSI值，对RSSI值的取值策略本专利技术采用多数投票策略，对数据的计算采用差分法并且可根据LoRa发送的数据得到对应的时间，用距离除以时间就能得到相应的河水流速。三点定位法的原理为，已知三个锚节点的坐标分别为A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)，位置节点到三个锚节点A、B、C的距离分别为d1、d2、d3，设未知节点坐标为(xm,ym)，根据两点间距离公式，可得到式(1)所示的方程组，即：由公式(1)可解得未知节点的坐标：其中d1、d2、d3可根据检测接收信号强度的方法来确定，LoRa模块的发射功率一定，接收信号强度与距离的关系为：式(3)中，P是参考点接收到被测点T的信号强度，是已知量；P0为参考点B以与被测点T相同功率发送信号，在参考点A接收到信号强度，该信号强度也是已知量；d为参考点与被测点之间的距离，d0为参考点A和参考点B之间的距离；n为环境因子(也叫修正因子)，要考虑实际应用环境动态修正。本专利技术的特征在于：步骤1中浮标的设计采用十字架结构，该结构稳定性好，即使在水流较急的河道中也不易被打翻，浮标中心位置安装LoRa模块，每秒发送100个数据包，其中一般山区性河流的流速为3m/s-8m/s，本专利技术在计算中假设河水流速为10m/s，那么10/100＝0.1，其单位为m，即在此假设下该浮标的测量精度为1dm，与现有便铺设方法相比较，能够较大的提高计算精度。步骤2中LoRa模块发送的数据帧格式如表2所示：表2测速数据帧格式因为每秒发送100个数据，从1到100依次发送，最大数值100对应的二进制数为1100100，要占用七个比特，剩余一位为奇偶校验位。LoRa模块不停的发送数据，每个接收端配合一个秒计时器来对其进行数据接收并判定，发送端连续不断的发送数据，接收端通过计时器可判定出是否有漏接收到的数据。步骤3中的数据处理部分中，将下游河道最远的一个基站作为坐标原点，浮标随着水流从上游运动到下游的过程中，距离浮标近的基站接收到的信号强度较大，距离浮标远的基站接收到的信号较弱，通过基站接收信号的强弱可判定出浮标的位置，连接浮标的位置信息，可判定出浮标的运动轨迹。当浮标驶出河道检测段，且不能利用三点定位法进行定位，此时测速过程结束，通过处理6个基站数据可得到最终的水流速度。步骤3数据处理部分中，发送的是连续数据，接收端可配合秒计数器来判定是否有漏接收到的数据，为提高计算精度可采用差分法进行处理，此外可在该河道区域进行多次测量并求出均值和方差。因此其接收信号强度会存在一个范围，也就是门限值，符合该范围的值都可以作为可用数值，门限值的计算公式为：α＝多次测量均值±方差(4)本专利技术的有益效果在于：1、传统浮标法是在相隔定点距离人工以秒表计时，按照直线距离计算。但是受人脑反应时间的影响且浮标实际运动受到风速水速的综合影响后，其运动轨迹并不是直线，即计算距离与实际距离会存在误差若按照直线计算水速会存在较大误差。本专利技术将LoRa无线定位应用于河水流速测量，能实现毫秒定位并计时，使测量精度大大提高。2、相比较将基站建在河道两侧，虽然计算精度在一定程度上有所减弱，但是相比较两侧同时架设基站，将基站架设在一边能够在一定程度上节约成本且供电更方便，能够适合野外场景，此外大部分河道并不存在连接桥等设施，因此两侧同时架设基站的方法实施起来难度较大。3、本专利技术只在接收端配备秒计时器，通过接收端接收到的脉冲信号的时间来判定是否有漏接收到的信号，能够在一定程度上节省人力，比人工掐表计时精确很多。附图说明图1为本专利技术LoRa无线定位的多约束浮标法测河水流速系统示意图；图2为本专利技术LoRa无线定位的浮标设计；图3为本专利技术中三点定位法示意图；图4为本专利技术随浮标移动三点定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.河道单侧多LoRa基站的无线浮标计数测流速方法，其特征在于，包括如下步骤：利用在十字架结构浮标的中心位置安装LoRa无线模块，通过计算信号强度实现定位，具体按照以下步骤实施：步骤1，河道单侧基站建立；在河道一侧每隔50米建立一个基站，共建立6个基站，该段为河水流速监测段，基站上方有发射和接收天线，用于接收浮标上LoRa模块发送的数据以及基站间数据的交互，并能将采集到的数据远程传递到监控中心，此外这些基站作为锚节点再结合三点定位法来确定浮标的位置；步骤2，浮标投放点定位和浮标释放；在河道上游设定的投放点放置一个浮标，该浮标上LoRa每秒内发送10个数据，即每100毫秒发送一个数据，预定位数据帧如表1，并利用该数据包和接收端秒计时器同时进行计时，浮标发送的数据由基站接收，实现投放点预定位和水速测量前无线定位系统的检测，完成预定位过程后，在设定的投放点释放浮标，浮标在随河水漂流过程中，通过LoRa无线模块每秒发送100个测试数据，即每10毫秒发送一个数据，实现河水速度测量；表1 预定位数据帧格式

【技术特征摘要】
1.河道单侧多LoRa基站的无线浮标计数测流速方法，其特征在于，包括如下步骤：利用在十字架结构浮标的中心位置安装LoRa无线模块，通过计算信号强度实现定位，具体按照以下步骤实施：步骤1，河道单侧基站建立；在河道一侧每隔50米建立一个基站，共建立6个基站，该段为河水流速监测段，基站上方有发射和接收天线，用于接收浮标上LoRa模块发送的数据以及基站间数据的交互，并能将采集到的数据远程传递到监控中心，此外这些基站作为锚节点再结合三点定位法来确定浮标的位置；步骤2，浮标投放点定位和浮标释放；在河道上游设定的投放点放置一个浮标，该浮标上LoRa每秒内发送10个数据，即每100毫秒发送一个数据，预定位数据帧如表1，并利用该数据包和接收端秒计时器同时进行计时，浮标发送的数据由基站接收，实现投放点预定位和水速测量前无线定位系统的检测，完成预定位过程后，在设定的投放点释放浮标，浮标在随河水漂流过程中，通过LoRa无线模块每秒发送100个测试数据，即每10毫秒发送一个数据，实现河水速度测量；表1预定位数据帧格式因为每秒发送10个数据，从1到10依次发送，最大数值10对应的二进制数为1010，要占用4个比特，剩余4位为奇偶校验位；步骤3，无线信号采集与定位测速数据处理；采用信号强度测量法来计算收发端之间的距离，再结合三点定位可计算出浮标的实时位置，基站通过侦听浮标发来的数据，从而得到RSSI值，对RSSI值的取值策略本发明采用多数投票策略，对数据的计算采用差分法并且可根据LoRa发送的数据得到对应的时间，用距离除以时间就能得到相应的河水流速；三点定位法的原理为，已知三个锚节点的坐标分别为A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)，位置节点到三个锚节点A、B、C的距离分别为d1、d2、d3，设未知节点坐标为(xm,ym)，根据两点间距离公式，可得到式(1)所示的方程组，即：由公式(1)可解得...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵太飞，冷昱欣，豆增强，屈瑶，王萌，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61