河道采砂管理船載監(jiān)控終端研發(fā)

趙軍華，周 武，寧 晶，梁 俊，王 奔

（長江科學院a.工程安全與災害防治研究所；b.水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心；c.國家大壩安全工程技術研究中心；d.科技成果推廣及信息中心，武漢 430010）

河道采砂管理船載監(jiān)控終端研發(fā)

趙軍華a，b，c，周 武a，b，c，寧 晶a，b，c，梁 俊a，b，c，王 奔d

（長江科學院a.工程安全與災害防治研究所；b.水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心；c.國家大壩安全工程技術研究中心；d.科技成果推廣及信息中心，武漢 430010）

為加強對持證采砂船只采砂活動的監(jiān)管，提出一款成本適中、功能實用、安裝于持證采砂船只上的船載監(jiān)控終端，該裝置支持定點、定時、定功率開采監(jiān)控及采砂量無線遠傳功能，可對采砂過程實施有效監(jiān)視、控制。該船載監(jiān)控終端支持數(shù)據(jù)存儲轉發(fā)功能，保證了無線通信的可靠性。監(jiān)控終端采用的低功耗設計策略，提高了裝置硬件平臺的可靠性。

采砂管理；超聲流量計；GPS模塊；GPRS模塊；低功耗

1 研究背景

近年來，隨著國家基礎建設的高速推進，河道砂石資源的需求量日益加大。采砂的利潤又極其可觀，因此導致非法采砂活動猖獗，對河勢穩(wěn)定、防洪安全和航運安全造成了極大威脅，同時也造成了國有礦產(chǎn)資源的流失。為有效打擊各種非法濫采行為，必須綜合采取多種措施，提高采砂監(jiān)管的執(zhí)法水平和執(zhí)法效率。目前，加強河道采砂管理工作一方面從管理體制、許可程序和聯(lián)合執(zhí)法等方面制定相關政策，逐步完善相應的行政管理手段；另一方面還通過不斷改進監(jiān)控技術和監(jiān)控手段，加強執(zhí)法裝備和執(zhí)法能力建設，比較典型的是利用現(xiàn)代化的通信、視頻、控制等技術手段［1］，對河道采砂行為進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)河道采砂行為的遠程自動化監(jiān)管。

本文從河道采砂管理監(jiān)控裝備和監(jiān)管技術的角度出發(fā)，提出一種低成本的用于采砂管理的船載監(jiān)控終端的開發(fā)方案，將此終端安裝于取得采砂許可的合法采砂船上，可對其采砂行為實現(xiàn)定點、定時、定量、定船及定功率開采的監(jiān)管，一定程度上提高對持證采砂船只的遠程實時監(jiān)管力度。

2 監(jiān)控終端功能分析

針對當前河道采砂管理中存在的問題，結合持證采砂船和河道采區(qū)控制的監(jiān)管需求［2］，持證采砂船采砂管理監(jiān)控終端應具備以下功能。

2.1 定點、定時開采監(jiān)控

對于記錄采砂船只在規(guī)定時間、規(guī)定地點（即定時、定點）進行采砂活動的要求，可以通過GPS功能模塊實現(xiàn)。采用成熟的GPS接收機是一種快捷的解決方案，但其成本相對高昂。本文擬采用臺灣長天（HOLUX）的GPS模塊M91實現(xiàn)衛(wèi)星星歷的接收，從而解析出裝有此GPS模塊的采砂船只的經(jīng)緯度信息，即當前實時位置，同時可以通過GPS模塊的時間信息對時鐘芯片DS3231進行周期性的校時，從而實現(xiàn)采砂船只的活動軌跡及活動時間進行實時監(jiān)控。

2.2 定量開采控制

目前對持證采砂船上采砂量測量方法包括計時估算法、吃水位估算法等。這些方法對經(jīng)驗數(shù)據(jù)的依賴性較大，所以都不同程度地存在估算誤差比較大的缺點。為提高采砂量估算精度，本文擬采用多普勒超聲流量計測量砂水混合物流量的相對低成本解決方案。具體實施方案是將外夾式超聲流量計安裝于采砂船的尾砂槽管外，實現(xiàn)流量的無接觸測量，再通過特定的流量體積折算公式及閥值控制實現(xiàn)采砂量的實時預估及控制。

2.3 定船、定功率開采及控制開采高程的要求

定船開采的控制要求可以通過GPRS模塊的SIM卡號區(qū)分來實現(xiàn)。每艘合法的采砂船上安裝一臺GPRS模塊作為監(jiān)控終端的通訊部件。此SIM卡號與本船獲取的采砂許可證綁定。對采砂船限定采砂功率的要求，可以通過安裝油表或者電度表監(jiān)控采砂船柴油機油耗或者耗電量來實現(xiàn)，通過不同采砂區(qū)域能耗經(jīng)驗數(shù)據(jù)結合采砂船功率等級進行功率監(jiān)測及限定。對于砂石可采區(qū)開采高程的控制，可通過多波束測深系統(tǒng)實現(xiàn)，基于多波束測深系統(tǒng)的成本考慮，宜通過將其搭載在采砂監(jiān)控執(zhí)法艇上進行周期性區(qū)域監(jiān)管，而不是每艘采砂船上都安裝多波束測深裝置。

3 監(jiān)控終端的實現(xiàn)

基于上述對監(jiān)控功能的分析，本文提出一種成本適中、功能實用、安裝于持證采砂船只上的采砂管理監(jiān)控終端，實現(xiàn)河道采砂管理定點、定時、定功率實時監(jiān)控及采砂量遠程測控。該裝置由主控制器、GPS功能電路、流量監(jiān)測電路及無線通信電路等子電路等主要模塊組成。

3.1 微控制器選擇

作為監(jiān)控終端的核心部件，微控制器的功能決定了監(jiān)控終端的檔次。根據(jù)系統(tǒng)功能需求，所選微控制器應具備I2C接口、UART接口等，最好內部集成模數(shù)轉換器，且具備一定數(shù)量的輸入輸出端口，并支持低功耗運行模式。TI的MSP430系列單片機、NEC的部分單片機及Microchip的低功耗專用單片機均可滿足設計要求。綜合芯片成本及開發(fā)的快速性、平臺的可移植性等因素考慮，選擇Microchip的超低功耗XLP系列單片機PIC18F46J11。NanoWatt XLP技術的3大突出優(yōu)勢是：休眠電流可低至20 nA、實時時鐘電流可低至500 nA以及看門狗定時器電流可低至400 nA。大多數(shù)低功耗應用都要求具備這幾個特性中的一個或多個。而NanoWatt XLP技術在多個系列器件中整合了上述3個優(yōu)勢。無論是在延長電池壽命、密封電池，還是在集成能量收集功能方面，Microchip采用NanoWatt XLP技術的8位及16位PIC MCU都為設計人員提供了更大的自由度。

Microchip的全系列8位單片機以及dsPIC30F，dsPIC33F，dsPIC24F系列16位單片機，均可通用一款性價比極高的在線調試器ICD2或者ICD3，而且其集成開發(fā)環(huán)境（IDE）MPLAB通用，僅需搭配對應的C編譯器即可［3］。

3.2 GPS功能電路

M91是一種根據(jù)低耗電Mediatek GPS解決方案設計的超小型13 mm×15 mm×2.2 mm GPS引擎模組。它對于導航應用提供高達－159 dBm的絕佳靈敏度與快速的第一次定位時間，可用于搜尋多達32個衛(wèi)星頻道，并支持NMEA0183 V3.01數(shù)據(jù)通訊協(xié)定。M91十分適用于PDA，PND，移動電話和便攜式裝置中?；贛91和時鐘芯片構成的授時及定位功能電路如圖1所示。M91通過TTL電平與單片機的串行口進行數(shù)據(jù)交互，本文提出的測控裝置是通過TXDGPS經(jīng)過兩輸入與門芯片74HC08進行波形整定后與單片機的串行輸入口連接，數(shù)據(jù)傳輸波特率采用115 200 bps。

圖1 基于GPS模塊的時鐘校正電路圖Fig.1 Clock calibration circuit based on GPSmodule

3.3 流量監(jiān)測

多普勒超聲流量計利用多普勒效應，在任何流動的液體中存在的不連續(xù)都會使被反射的超聲波信號產(chǎn)生頻移（即相位差），由于頻移是流速的線性函數(shù)，通過測量相位差即可測得流速［4］。理論上，這些不連續(xù)可以是懸浮的氣泡、固體，或者由于流體擾動引起的界面。因此多普勒超聲流量計適用于測量封閉管道中含有一定固體雜質和氣泡的液體或者漿狀物的介質。

本設計中選用的多普勒超聲流量計輸出標準的4～20 mA電流信號，基于超聲流量計構成的采砂量采集傳輸系統(tǒng)框圖如圖2所示。經(jīng)過一轉換模塊將電流模擬量信號轉換為數(shù)字量，通信模塊通過RS485總線按設定頻率讀取流量測量結果，并通過控制具備RS485接口的GPRS模塊實現(xiàn)采砂船實時采砂量的遠傳。由于大部分的GPRS模塊均支持透明傳輸功能，因些通信模塊未選用一路RS485總線同時與4～20 mA轉485模塊、GPRS模塊通信的方案，而應分別用兩路RS485總線連接2個模塊，因此本裝置設計中考慮通信模塊采用的微控制器具備兩路UART集成接口，或者藉由普通I／O端口通過軟件模擬實現(xiàn)UART功能。

圖2 采砂量采集傳輸功能框圖Fig.2 Block diagram of sand amount acquisition and transm ission function

3.4 GPRS模塊選擇

為將采砂船工況參數(shù)實時遠傳至監(jiān)控中心，通常采用數(shù)傳電臺或者GPRS模塊。目前常用的GPRS模塊，比如宏電的H7710系列產(chǎn)品，但此系列僅支持點對點、多點至單中心的工作模式。為實現(xiàn)采砂監(jiān)管執(zhí)法的多部門聯(lián)動，監(jiān)控終端應支持將采集結果發(fā)送至多個監(jiān)控中心，即所采用的GPRS模塊支持多點至多中心功能，且為應對GPRS網(wǎng)絡的盲區(qū)問題，監(jiān)控終端應支持采集數(shù)據(jù)的存儲轉發(fā)功能。因此本裝置選擇了驛唐科技和捷麥通信的兩款GPRS模塊分別進行測試，其工作模式如圖3所示。

圖3 GPRS模塊一點至多中心工作模式Fig.3 Operation mode from one point tomulti-center of GPRSmodu le

3.5 低功耗設計

為降低監(jiān)控系統(tǒng)整體功耗，本裝備在電路設計的各個環(huán)節(jié)采取了相應措施。首先是在芯片選擇上，選取靜態(tài)功耗更低的同類芯片。對于靜態(tài)功耗較高的功能芯片，根據(jù)其功能要求對其電源進行控制，只在其工作時為其提供電源，其它時間處于不供電狀態(tài)，如本系統(tǒng)中的GPS芯片、流量計及GPRS通信模塊等即可采取這種電源控制策略，僅當需要設備工作時才啟動控制電路為其提供供電電源。電源控制電路通過一PMOS管組成的電子開關實現(xiàn)，如圖4所示。其中VCC為監(jiān)控系統(tǒng)的5V電源，VCC_ GPS為M91的工作電源，其通過接單片機I／O口的Ctrl實現(xiàn)通斷控制。

圖4 電源控制電路Fig.4 Power supply control circuit

4 結 語

針對采砂管理遠程自動化監(jiān)控的需求，本文提出了一種船載監(jiān)控終端的設計方案。通過在持證采砂船只上安裝此款監(jiān)控終端，可一定程度上實現(xiàn)對采砂過程的定點、定時、定量、定船、定功率監(jiān)控，并為控制開采高程提供控制接口。監(jiān)控終端硬件平臺的選取使其具備良好的功能擴展性、接口兼容性，由于采用了低功耗設計，監(jiān)控終端的可靠性高、使用壽命長。監(jiān)控終端所具備的GPRS無線遠傳功能，便于構建基于無線網(wǎng)絡的遠程監(jiān)控軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)對采砂過程的數(shù)據(jù)存儲、歷史查詢及過程控制。

［1］ 馬水山，黃萬林，劉前隆，等.長江河道采砂管理遠程可視化實時監(jiān)控系統(tǒng)［J］.人民長江，2006，37（10）：50－51.（MA Shui-shan，HUANG Wan-lin，LIU Qianlong，et al.Remote Visualized Monitoring System for Sand-excavation Management in Yangtze River［J］.Yangtze River，2006，37（10）：50－51.（in Chinese））

［2］ 鄒紫偉.河道采砂可采區(qū)六大核心要素的控制與管理［J］.河湖管理，2010，（21）：36－38.（ZOU Zi-wei.Control and Management of Six Core Factors in Recoverable Areas in River Sand-excavation［J］.River and Lake Management，2010，（21）：36－38.（in Chinese））

［3］ 梁海浪.dsPIC數(shù)字信號控制器C程序開發(fā)及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006.（LIANG Hai-lang.C-Program Development and Application for dsPIC Digital Signal Controller［M］.Beijing：Beijing U-niversity of Aeronautics and Astronautics Press，2006.（in Chinese））

［4］ 何希才.傳感器技術及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.（HE Xi-cai.Sensor Technology and Application［M］.Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2005.（in Chinese） ）

（編輯：王 慰）

Research and Development of a Shipborne M onitoring Term inal for Sand Excavation M anagement

ZHAO Jun-hua，ZHOUWu，NING Jing，LIANG Jun，WANG Ben
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

To strengthen the supervision on sand-excavation of licensed dredge，we proposed a moderate cost and practicalmonitoring terminal device installed on licensed dredge.The terminal device is capable ofmonitoring with functions of fixed-point，fixed-time，and fixed-power aswell aswireless transmission of sand amount.We presented the research and development of this device in terms ofmicrocontroller，GPS function circuit，flow monitoring circuit，GPSmodule，and low power-consumption design.The terminal device supports data storage and forwarding which improve the reliability ofwireless transmission，and the low power-consumption design guarantees the stability of the hardware platform.

sand-excavation management；ultrasonic flow meter；GPSmodule；GPRSmodule；low power consumption

TP23

A

1001－5485（2012）06－0083－04

2011－04－11

水利部公益性行業(yè)科研專項（201001007，200901058）；中央級公益性科研院所基金項目（CKSF2010002）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費重點項目（YWF0906）

趙軍華（1980－），男，山東濰坊人，博士，主要從事無線傳感器網(wǎng)絡、嵌入式系統(tǒng)及電力電子方向的研究工作，（電話）027－82829879（電子信箱）jhzhao2009＠163.com。