TWI396061B - A large water tower water level monitoring system with safety - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種「具安全性之行動化大型水塔水位監控系統」，其利用行動化主控端係設為行動式電話而具有的普遍性和方便性以免除採購主控端行動化監控裝置之硬體費用，以及依據帳號密碼給予不同的監控權限範圍，達到具安全性之無人值守與能隨時隨地遠端監控大型水塔水位之目的，以避免重要場所因為所需之工業用水、冷卻用水及消防用水不足，造成嚴重的經濟損失與危及到生命安全。
按，目前國內外所設計的水塔水位監控系統大多在封閉式的網路架構中運行，多為近距離由人員監控的方式來進行，導致管理人員需要在監控中心方能掌握負載相關資訊與下達控制命令，如為重要場所或必須用水的工廠等地方，管理人員更是需要24小時輪流值班，以維護該場所之用水能正常運作；若為能忍受短時間停水之場所，如學生宿舍等，在用水出狀況時，管理人員即使下班後，亦需要適時前往處理，以免造成用戶之不便。所以當管理人員離開監控中心後，除了靠該場所人員以電話方式將停水緊急狀況通知管理人員外，即無其他方式能掌握水塔水位情形。
另，研華科技所設計的”Water-level Monitoring System in the Brunei River”雖可透過GPRS網路傳輸水位資料至監控伺服器，然而此系統並無馬達控制功能，當水塔端出問題時，仍需管理人員趕到現場處理，且無提供管理人員行動式的監控管理介面，以致無法達到隨時隨地行動化無障礙管理之目的。
同時，國外水位監控產品”VIRTU-WELLTM
WIRELESS REMOTE MONITORING“遠端監控所使用的無線通訊範圍則僅至30英里，管理範圍侷限在監控系統附近區域，殊為不便；而，Biene Electronics公司的”BieneRemote16GM”則係透過GSM的簡訊服務達到水位異常警報通告之功能，唯其無控制介面的功能，且簡訊傳送有其時間延遲之缺點。
又，如中華民國專利公報第M312733號中披露之一種移動式抽水機定位與運轉監控裝置，將偵測所得有關移動式抽水機之定位及運轉資料由微處理機處裡後，透過通訊模組(如GPRS/CDMA)將所偵測到的各數據資料傳送至地理資訊裝置監控平台。此專利並無水塔水位偵測與抽水馬達控制功能，且地理資訊裝置監控平台係指電腦，仍需有人員固定監控管理而無法達到隨時隨地行動化無障礙管理之目的。
本發明人有鑑於此，即本著創作之精神，乃思及製程及裝設之方法創作而不斷地試驗製程方法及製品，經由多次試驗及多年經驗，而有改進現今缺失之本創作，進而提出本發明。
本發明之主要目的，乃在提供一具安全性之行動化大型水塔水位監控系統，其係設一具電力訊號擷取電路、電驛驅動電路、嵌入式系統、GPRS模組及超音波水位計之被控端大型水塔水位監控裝置與一行動化主控端監控裝置相配合形成一控制迴路，使該大型水塔的水位監控得以具備戶外的、行動的、隨機的及大範圍的監控條件，進而達到無人值守以及能隨時隨地遠端監控之行動化管理目的，使得位於偏遠地區的大型水塔能在無人值守下正常供水而無須管理人員24小時輪班方式駐守，以期水塔水位監控上更符合人性化管理。
本發明之次要目的，乃在提供一具安全性之行動化大型水塔水位監控系統，其係可依據行動化主控端登入至被控端大型水塔水位監控裝置時所輸入的帳號及密碼，給予事前設定好的監控權限範圍，以提升水塔監控之安全性。
餘下，茲配合圖式詳細說明本發明之最佳實施例如后：
如第一圖所示係為本發明之系統架構圖，其係設一被控端(10)及一具監控介面(21)之行動化主控端(20)，該被控端(10)係位於大型水塔且與一抽水馬達(30)相配合而包含：一嵌入式系統(11)、一電力訊號擷取電路(12)、一電驛驅動電路(13)及一超音波水位計(14)並透過一GPRS模組(15)之訊號傳輸而與行動化主控端(20)相配合形成一控制迴路，其中嵌入式系統(11，如第二圖所示)係設一為單晶片8051之微處理器(111)為資料處理核心，且以AT控制命令(116)透過一RS232介面(112)來操作GPRS模組(15)，使嵌入式系統(11)與行動化主控端(20)可透過GPRS模組(15)互傳訊息及控制指令，電力訊號擷取電路(12)之電壓、電流等類比訊號係透過PT與CT(霍爾元件)轉換後，以主動式交流對直流轉換電路(MAV Converter)，取得兩者的訊號平均絕對值(MAV)，電壓波形的MAV大約等於其均方根值，再經由A/D轉換IC(可為ADC0804類比轉換器)，轉成8位元的數位訊號，並分別輸入至嵌入式系統(11)之微處理器(111)的I/O連接埠。電驛驅動電路(13，Relay Control Circuit，如第三圖所示)係經由一電晶體PNP放大電路(131)連接至嵌入式系統(11)之微處理器(111，可設為單晶片8051)的I/O接腳，而可透過電驛驅動電路(13)來控制抽水馬達(30)的啟動與停止。超音波水位計(14，如第四圖所示)係包含：一超音波發射電路(141)及一超音波接收電路(142)，而藉由超音波的發射與回波接收到的時間差來計算出超音波的飛行距離以換算出水位高度。嵌入式系統(11)之微處理器(111)腳位連接到超音波發射電路(141)中的40KHz震盪電路，由微處理器(111)的腳位輸出為高電位(HIGH，邏輯為1時)來致能40KHz震盪電路啟動產生一40KHZ的訊號經由超音波發射出去，當超音波遇到水面反彈後，會回傳到超音波接收電路(142，如第五圖所示)的接收器(1421)，此時，因訊號相當微弱而需透過一放大電路(1422)將訊號放大，且訊號放大的同時，雜訊也會因此放大，以致因雜訊產生誤判動作而設一為40kHz的主動濾波電路(1423)將雜訊濾除，且為了避免主動濾波電路(1423)因輸入端或輸出端之負載效應而影響其濾波特性，所以在其輸入端與輸出端各設一緩衝電路(1424、1424’)，當經過濾波後之訊號，保有了40kHz的訊號，但仍有振幅較小的雜訊，即可利用一二極體濾波(1425)將振幅較小的雜訊濾除，經二極體濾波(1425)後之訊號再經過另一放大電路(1422’)使其訊號變大，以便有足夠的電壓能啟動一觸發電路(1426)。行動化主控端(20)係設為一具支援JAVA程式語言之行動式電話(201)以供撰寫監控介面(21)所需之功能，該行動式電話(201)所顯示之監控介面(21，如第六圖及第七圖所示)係設有水塔水位監測(211，Water Tower)、水位異常警報(212，Pump Control)、抽水馬達控制(213，Level Alert)及水位歷史資訊查詢(214，History Data)等功能以接收被控端(10)之訊息或傳送訊息至被控端(10)，而可在支援JAVA與GPRS通訊功能的手機平台上運作形成一可利用行動式電話(201)以GPRS通訊方式與嵌入式系統(11)以RS232介面(112)相連接的GPRS模組互傳訊息形成一大型水塔水位之監控系統。
當行動化主控端(20)由行動式電話(201)之監控介面(21)啟動水塔水位監測(211)時，被控端(10)之嵌入式系統(11，如第八圖所示)即會透過GPRS模組(15)接收到行動化主控端(20，如第九圖所示)所下達之指令而將超音波水位計(14)偵測到之水位資訊傳送至監控介面(21)而呈現出大型水塔目前的水位高度(Recent water level)、水位狀態(Status)及資料到達延遲時間(Response Time)(如第十圖所示)，以供行動化主控端(20)可隨時掌控大型水塔的水位是否正常，且一旦超音波水位計(14)偵測到水位數值超過嵌入式系統(11)所設定之高水位(Water Level Hi Setup)或是低於嵌入式系統(11)所設定之低水位(Water Level Lo Setup)時(如第十一圖所示)，嵌入式系統(11)即會主動透過GPRS模組(15)將水位異常的數值傳送至行動式電話(201)的監控介面(21)而發出水位異常警報(212)，此時，行動化主控端(20)即可由監控介面(21)的抽水馬達控制(213)(畫面如第十二圖所示)的馬達控制切換(Pump Control Switch)來控制抽水馬達(30)是否啟動或關閉，為協助使用者瞭解抽水馬達(30)是否啟動或是損壞，抽水馬達控制(212)的畫面也提供了抽水馬達(30)的狀態(Pump is)、抽水馬達(30)的電壓(Pump Voltage)、抽水馬達(30)的電流(Pump Current)及執行控制命令的延遲時間(Response Time)。抽水馬達控制(212)的命令經過GPRS模組(15)傳送至嵌入式系統(11)，並依照命令要求透過驅動電驛驅動電路(13)來啟動抽水馬達(30)汲水或停止運轉。行動化主控端(20)會將所接收到的每一訊息自動存檔以供管理者可由監控介面(21)之水位歷史資料查詢(214，如第十三圖所示)中得知該大型水塔的異常頻率而判斷維護時間，藉此，使該大型水塔的水位監控得以具備戶外的、行動的、隨機的及大範圍的監控條件，進而達到無人值守以及能隨時隨地遠端監控之行動化管理目的，避免重要場所因為要防止工業用水、冷卻用水及消防用水的不足而設立專門管理人員以24小時輪班的方式來駐守，以期本專利在水位監控上提供更符合人性化的管理，且能依據行動化主控端(20)登入至被控端(10)大型水塔水位監控裝置時所輸入的帳號及密碼，給予事前設定好的監控權限範圍，以提升水塔監控之安全性。
綜上所述，當知本發明具有產業上利用性與進步性，且本發明未見於任何刊物，亦具新穎性，當符合專利法第二十一條及二十二條之規定，爰依法提出發明專利申請，懇請 貴審查委員惠准專利為禱。
唯以上所述者，僅為本發明之其中較佳實施例而已，當不能以之限定本發明實施之範圍；即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
10．．．被控端
11．．．嵌入式系統
111．．．微處理器
112．．．RS232介面
113．．．電力訊號擷取
114．．．電驛控制
115．．．水位測量
116．．．AT控制命令
12．．．電力訊號擷取電路
13．．．電驛驅動電路
131．．．電晶體PNP放大電路
14．．．超音波水位計
141．．．超音波發射電路
142．．．超音波接收電路
1421．．．接收器
1422、1422’．．．放大電路
1423．．．主動濾波電路
1424、1424’．．．緩衝電路
1425．．．二極體濾波
1426．．．觸發電路
15．．．GPRS模組
20．．．行動化主控端
201．．．行動式電話
21．．．監控介面
211．．．水塔水位監測
212．．．水位異常警報
213．．．抽水馬達控制
214．．．水位歷史資訊查詢
30．．．抽水馬達
第一圖：係為本發明之整體系統架構圖。
第二圖：係為本發明之嵌入式系統架構圖。
第三圖：係為本發明之電驛驅動電路圖。
第四圖：係為本發明之超音波水位計電路圖。
第五圖：係為本發明之超音波接收電路流程圖。
第六圖：係為本發明之監控介面功能方塊圖。
第七圖：係為本發明之行動式電話的監控介面示意圖。
第八圖：係為本發明之嵌入式系統程式運作流程圖。
第九圖：係為本發明之行動監控介面程式運作流程圖。
第十圖：係為本發明之監控介面的水塔水位監測示意圖。
第十一圖：係為本發明之監控介面的水位異常警報示意圖。
第十二圖：係為本發明之監控介面的抽水馬達控制示意圖。
第十三圖：係為本發明之監控介面的水位歷史資料查詢示意圖。
10．．．被控端
11．．．嵌入式系統
111．．．微處理器
112．．．RS232介面
12．．．電力訊號擷取電路
13．．．電驛驅動電路
14．．．超音波水位計
15．．．GPRS模組
20．．．行動化主控端
201．．．行動式電話
21．．．監控介面
30．．．抽水馬達
Claims (7)
- 一種具安全性之行動化大型水塔水位監控系統，其係設有一具一電力訊號擷取電路、一電驛驅動電路、一嵌入式系統、一GPRS模組及一超音波水位計之被控端大型水塔水位監控裝置與一為行動式電話之行動化主控端相配合形成一控制迴路，其中該嵌入式系統係設一微處理器為資料處理核心，且以AT控制命令透過一RS232介面來操作該GPRS模組，使該嵌入式系統與行動化主控端可透過該GPRS模組互傳訊息及控制指令；而可利用該嵌入式系統之I/O Port連接該超音波水位計量測大型水塔之水位資訊、該電力訊號擷取電路量測抽水馬達目前運轉電壓與電流值及該電驛驅動電路來控制抽水馬達的啟動與停止，該行動化主控端係為一以JAVA程式語言撰寫監控介面之行動式電話，而可在支援JAVA與GPRS通訊功能的手機平台上運作，藉此，利用行動式電話以GPRS通訊方式與跟該嵌入式系統以RS232介面相連接的GPRS模組互傳訊息與控制命令，以達到具安全性之無人值守與能隨時隨地遠端監控大型水塔水位之目的。
- 如申請專利範圍第1項所述之具安全性之行動化大型水塔水位監控系統，其中該嵌入式系統之微處理器係可設為單晶片8051。
- 如申請專利範圍第1項所述之具安全性之行動化大型水塔水位監控系統，其中該電力訊號擷取電路之電壓、電流等類比訊號係透過PT與CT(霍爾元件)轉換後，以主動式交流對直流轉換電路(MAV Converter)，取得兩者的訊號平均絕對值(MAV)，電壓波形的MAV大約等於其均方根值，再經由A/D轉換IC(可為ADC0804類比轉換器)，轉成8位元的數 位訊號，並分別輸入至該嵌入式系統之微處理器的I/O連接埠。
- 如申請專利範圍第1項所述之具安全性之行動化大型水塔水位監控系統，其中該電驛驅動電路(Relay Control Circuit)係經由一電晶體PNP放大電路連接至該嵌入式系統之微處理器的I/O接腳，而可透過該電驛驅動電路來控制抽水馬達的啟動與停止。
- 如申請專利範圍第1項所述之具安全性之行動化大型水塔水位監控系統，其中該超音波水位計係包含：一超音波發射電路及一超音波接收電路，而藉由超音波的發射與回波接收到的時間差來計算出超音波的飛行距離以換算出水位高度，該嵌入式系統之微處理器腳位連接到超音波發射電路中的40KHz震盪電路，由該微處理器的腳位輸出為高電位(HIGH，邏輯為1時)來致能40KHz震盪電路啟動產生一40KHZ的訊號經由超音波發射出去，當超音波過到水面反彈後，會回傳到該超音波接收電路的接收器，此時，因訊號相當微弱而需透過一放大電路將訊號放大，且訊號放大的同時，雜訊也會因此放大，以致因雜訊產生誤判動作而設一為40kHz的主動濾波電路將雜訊濾除，且為了避免該主動濾波電路因輸入端或輸出端之負載效應而影響其濾波特性，所以在其輸入端與輸出端各設一緩衝電路，當經過濾波後之訊號，保有了40kHz的訊號，但仍有振幅較小的雜訊，即可利用一個二極體濾波將振幅較小的雜訊濾除，經二極體濾波後之訊號再經過另一放大電路使其訊號變大，以便有足夠的電壓能啟動一觸發電路。
- 如申請專利範圍第1項所述之具安全性之行動化大型 水塔水位監控系統，其中該行動式電話所顯示之監控介面係設有水塔水位監測(Water Tower)、抽水馬達控制(Pump Control)、水位異常警報(Level Alert)及水位歷史資訊查詢(History Data)等功能以接收被控端之訊息或傳送訊息至被控端。
- 如申請專利範圍第6項所述之具安全性之行動化大型水塔水位監控系統，其中該監控介面之抽水馬達控制(Pump Control)係提供抽水馬達的狀態(Pump is)、抽水馬達的電壓(Pump Voltage)、抽水馬達的電流(Pump Current)及執行控制命令的延遲時間(Response Time)等功能以接收被控端之訊息，以協助使用者瞭解抽水馬達是否啟動或是損壞。
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