灌区量水是提高灌溉水利用率的重要方法。流速-面积法作为一类重要的灌区量水方法,常被用到渠道的流量测量中,即通过测量渠道水位和流速来计算水流的流量。本文在研究灌区渠道水位流速测量技术的基础上,探索嵌入式与机器视觉技术相结合的灌区渠道水位流速测量方法。主要研究内容与初步成果如下:(1)基于激光水位仪的渠道水位测量技术研究。根据渠道水位测量实际的应用需求,以精度为1mm的激光测距仪(激光探头)为核心设计激光水位仪,主要包括头部外壳、量筒的外形以及激光反射板等机械结构。通过对激光水位仪功能分析设计了相应的控制电路,该电路主要控制激光水位仪进行水位采集工作,将采集的水位信息以固定格式保存在SD卡中,并与视频采集模块进行通信。为了降低功耗和持续供电,采用太阳能充电板为系统进行供电,同时使用超低功耗芯片ATtiny25和MAX1658开关稳压器设计了电源管理模块,该电源管理模块通过定时为激光流速仪与视频采集模块供电来降低功耗。在梯形渠道进行激光水位仪测试实验,使用精度为0.1mm的水位测针标定激光水位仪并计算测量误差。与水位测针的实测数据相比,激光水位仪的最大测量误差小于5mm,平均误差为1.4mm。对两者进行相关性分析,其决定系数R~2为0.9994,拟合斜率为0.9992,两组测量结果具有很高的一致性,说明激光水位仪可以满足渠道的水位测量。(2)基于机器视觉的水流表面流速测量技术研究。首先使用树莓派和高清摄像头搭建水流视频采集模块。在此基础上使用Farneback光流法计算每帧视频中的水流波纹的光流速度,构建速度转换模型将光流速度转换为实际的水流速度。通过对速度分量进行分析,发现沿水流方向的速度对速度影响最大,因此提取主流方向上的速度分量作为水流的实际速度。由于水流表面变化复杂,瞬时速度分布无法反映实际水流速度,因此对瞬时速度场进行叠加,求得时间平均的水流表面流速分布。使用精度为0.001m/s的流速仪对水流表面的不同区域进行速度测量,测量结果与本算法的最大平均相对误差为6.5%,R~2不小于0.8,结果表明该方法可以用于表面流速的测量且有较高的精度。(3)渠道水位流速测量系统云服务器网站设计。为了便于工作人员的远程查看信息和数据下载,同时考虑到树莓派的计算能力有限和设备的功耗问题,将基于机器视觉的表面流速测量算法移植到云服务器中,并搭建云服务器网站,实现云端计算和网站发布。流速计算算法主要实现的功能是对树莓派上传的水位数据以及水流视频进行提取并计算得到水流表面的流速分布,同时借用已有的研究成果初步计算出流量信息,将水位、流速和流量信息插入到网站的My SQL数据库中。在云服务器中搭建Nginx服务器,通过HTML+PHP编写用户登录页面、功能选择页面、水位流速显示页面、水流表面流速分布页面、渠道基本信息页面和历史数据查询和下载页面,将渠道的水位、流速和流量信息显示出来,供客户远程浏览和下载数据。本文研究的激光水位仪和渠道水流表面流速测量系统,初步实现了灌区量水的功能和目标,但是由于时间紧,工作量大以及疫情影响,本系统仍有很多方面需要进一步的完善。(1)系统中分别设计了激光水位仪的控制电路与视频采集模块,下阶段的研究需要将这两个部分结合到一起以简化电路,进一步降低成本。(2)由于水流表面流速与断面平均流速的关系十分复杂,本文对这方面的研究还不够深入,因此下一步将通过水力学知识分析表面流速与断面流速的关系以及对流量的计算进行建模,并进行相应的水位流速测量实验,进一步调试和完善系统。