基于北斗通信的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

楊澤明，劉紅旺

（天津水科機電有限公司，天津 301900）

水資源對于人類的生產(chǎn)生活有舉足輕重的地位，人類日常生活用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水及生產(chǎn)用水等都離不開水資源，展開水環(huán)境的檢測對水資源的科學(xué)配置、合理調(diào)度、預(yù)警評價有著重大的意義[1]。然而，一些水環(huán)境往往地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，傳統(tǒng)的水資源環(huán)境的檢測多采用人工抽檢的方式，即人工采集水資源樣本后在實驗室進(jìn)行檢測，此方式成本高，費時費力，且不能做到對水庫環(huán)境的實時監(jiān)測，已不能滿足目前信息化、智能化的要求。隨著人們生活水平的提高，對水質(zhì)的要求也越來越高。

針對以上問題，同時支持國家智能水網(wǎng)的推廣和建設(shè)，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)、無人區(qū)水環(huán)境檢監(jiān)測和監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸問題和供電問題，開發(fā)一套應(yīng)用于水環(huán)境的基于北斗通信的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該裝置采集所處水資源的環(huán)境信息（氣象、水文、水質(zhì)等），可將水環(huán)境的各類信息上傳到對應(yīng)的數(shù)據(jù)后臺。

1 系統(tǒng)總體概述

該系統(tǒng)主要有3個部分，分別是：水環(huán)境監(jiān)測傳感器部分、數(shù)據(jù)傳輸及后臺部分、電源儲能部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）水環(huán)境監(jiān)測傳感器部分。運用環(huán)境傳感器，系統(tǒng)可將當(dāng)?shù)氐臍庀螅囟?、風(fēng)力、風(fēng)速、風(fēng)向、蒸發(fā)量、降水量、太陽輻射強度）、水文（水位、流速，流量）、水質(zhì)（總磷、總氮、常規(guī)5項，葉綠素、藻類）共19項數(shù)據(jù)按要求實現(xiàn)自動監(jiān)測、存儲和上傳。環(huán)境監(jiān)測傳感器系統(tǒng)可以收集裝置所處水環(huán)境的環(huán)境變化以及水資源指標(biāo)情況。

（2）數(shù)據(jù)傳輸及后臺部分。負(fù)責(zé)將傳感器收到的環(huán)境信息，進(jìn)行接收、處理并按照MODBUS-RTU標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)通過北斗傳輸給上位數(shù)據(jù)平臺，是整個系統(tǒng)的控制核心。

（3）電源儲能部分。本水環(huán)境監(jiān)測裝置必須按要求在全天候條件下，長期不間斷地工作，所有的設(shè)計都應(yīng)考慮到高可靠性工作的要求。除了設(shè)備本身等因素外，可靠的電源是其正常工作的必要條件[2]。

用太陽能電池板浮充蓄電池的供電方式能很好地應(yīng)用于此采集終端，并根據(jù)當(dāng)時的太陽能輻射數(shù)據(jù)和耗電，設(shè)計計算應(yīng)配置的蓄電池容量和太陽能電池功率。設(shè)計結(jié)果應(yīng)加上較大的安全系數(shù)，才能充分保證包括最長可能連陰雨天的長期供電。大量采用單晶硅太陽能電池板，工作穩(wěn)定可靠。

2 北斗通信

（1）“北斗衛(wèi)星”系統(tǒng)是我國自行研制、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由空間衛(wèi)星、地面中心站和用戶終端3部分組成，具有雙向通信、快速定位和精密授時三大功能。覆蓋范圍包括了中國全境及亞洲大部分地區(qū)，具體為5°～55°N、70°～145°E。

（2）北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有短報文收發(fā)功能，無需人值守的特點。用戶通過短報文可以實現(xiàn)無人值守的水文觀測站點的數(shù)據(jù)傳輸。

（3）北斗衛(wèi)星具有高精度、穩(wěn)定、抗干擾的特性，能有效保證各水文氣象站點數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

北斗短報文通信模塊如圖2所示。

圖2 北斗短報文通信模塊（又稱：北斗數(shù)傳蘑菇頭）

北斗短報文通信是“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”的一大特色，即可為用戶機與用戶機、用戶機與地面中心站之間提供每次最多120個漢字或1 680 bit的短報文通信服務(wù)[3]。每個用戶機都有唯一的一個ID 號，并采用1戶1密的加密方式，通信均需經(jīng)過地面中心站轉(zhuǎn)發(fā)。其流程是：

（1）短報文發(fā)送方首先將包含接收方ID 號和通信內(nèi)容的通信申請信號加密后通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)入站；

（2）地面中心站接收到通信申請信號后，經(jīng)脫密和再加密后加入持續(xù)廣播的出站廣播電文中，經(jīng)衛(wèi)星廣播給用戶；

（3）接收方用戶機接收出站信號，解調(diào)解密出站電文，完成一次通信。與定位功能相似，短報文通信的傳輸時延約0.5 s，通信的最高頻度也是1 s/次。一般普通民用北斗數(shù)據(jù)模塊通信的頻率為1 min/次。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件系統(tǒng)（下位采集裝置）設(shè)計

各類環(huán)境傳感器（水文、氣象、地質(zhì)等傳感器）受單片機指令控制，采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)上傳至單片機，本系統(tǒng)硬件選用的核心控制器為STM32F103ZET6單片機，內(nèi)核為ARM 32位的Cortex-M3，最高72 MHz工作頻率，在存儲器的零等待周期訪問時可達(dá) 1.25 DMips/MHZ（DhrystONe2.1），擁有多達(dá) 9 個通信接口，2個I2C接口(支持SMBus/PMBus)，3個USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制），2個 SPI接口 (18 Mb/s），CAN 接口（2.0B主動），USB 2.0全速接口[4]。硬件系統(tǒng)連接圖如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)連接圖

各類傳感器通過RS485接口與核心控制器串口1（USART1）進(jìn)行連接，基于Modbus-RTU協(xié)議進(jìn)行通信[5]。在一個掃描周期，控制器逐一完成對傳感器的數(shù)值獲取以及傳感器工作狀態(tài)核查。核心控制器串口2（USART2）通過RS485接口與北斗短報文通信模塊相連，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)北斗模塊以北斗短報文的方式上傳至上位軟件，上位軟件對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和處理。

3.2 多電源供電部分設(shè)計

下位采集裝置要求有可靠的供電系統(tǒng)，不能斷電，在全天候條件保證終端設(shè)備的用電。由于地形條件限制，用交流供電會有困難。而且目前野外的交流供電仍不穩(wěn)定可靠，電壓變化大，停電較多，如作為電源，還需考慮交流電源的抗干擾、防雷問題。因此，終端基本交流電源作為備選項（留有接入口）。采用太陽能電池板浮充的蓄電池供電系統(tǒng)，終端的設(shè)備少，又都是低功耗的，用電量很小，很適合用直流電源這樣的供電方式[6]。

本系統(tǒng)采取蓄電池組供電、太陽能電池板浮充方式，這是應(yīng)用最普遍的工作方式，由可充電電池組、太陽能電池板、充電控制器組成，圖4為太陽能充電供電示意圖。以太陽能電池板作為充電電源，不受人為因素和外界干擾，遭受雷擊的可能性很小，沒有運行成本，基本不需要維護，能夠長期自動維持測站的供電。絕大部分水文數(shù)據(jù)采集終端的供電采用這種方式，應(yīng)用效果良好。

圖4 太陽能充電供電示意圖

圖5 多電源供電部分設(shè)計圖

太陽能電池板浮充蓄電池的供電方式應(yīng)用于此采集終端，根據(jù)當(dāng)時的太陽能輻射數(shù)據(jù)和耗電，設(shè)計計算應(yīng)配置的蓄電池容量和太陽能電池板功率[7]。設(shè)計結(jié)果應(yīng)加上較大的安全系數(shù)，以便充分保證包括最長可能連陰雨天的長期供電。

3.3 通信模塊設(shè)計

實時通信模塊使用的是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。采用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，再結(jié)合設(shè)計的上位軟件、數(shù)據(jù)傳輸和報文通信協(xié)議等技術(shù)[8]，能保證數(shù)據(jù)安全可靠和有效實時地傳輸。浮標(biāo)平臺系統(tǒng)采用的是嵌入式北斗終端機，具有體積小和功耗低等優(yōu)點，非常適合應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

遠(yuǎn)程上位機與水環(huán)境監(jiān)測裝置的通信，采用上位機用北斗通信終端與檢測裝置點對點連接，實現(xiàn)對監(jiān)測裝置的遙測遙控;其中通信過程中發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的流程見圖6和圖7所示。

圖6 發(fā)送流程圖

圖7 接收流程圖

3.4 軟件系統(tǒng)（上位）設(shè)計

上位軟件的功能主要包括: 發(fā)送指令、接收數(shù)據(jù)、審核數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)、顯示實時數(shù)據(jù)、查詢歷史數(shù)據(jù)、管理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等，見圖8所示。

圖8 上位軟件主要功能

本項目所設(shè)計的軟件結(jié)構(gòu)能夠為管理員提供環(huán)境信息實時監(jiān)測與預(yù)警、歷史數(shù)據(jù)查詢等主要功能。利用VB編程軟件進(jìn)行上位軟件編程，MySQL作為數(shù)據(jù)庫，PHP作為服務(wù)器腳本解釋器搭建后臺數(shù)據(jù)庫。在歷史數(shù)據(jù)查詢功能中，管理員不僅可以查詢環(huán)境的歷史數(shù)據(jù)，還可以查詢環(huán)境參數(shù)的同比和環(huán)比變化，以使得測量結(jié)果可以完整反映變化趨勢，幫助用戶對水位情況進(jìn)行分析[9]。

軟件系統(tǒng)最重要的2個功能是數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)通信主要完成水環(huán)境監(jiān)測裝置發(fā)送指令和讀取回傳數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲主要完成將回傳的水環(huán)境數(shù)據(jù)存入本地數(shù)據(jù)庫。所以，軟件系統(tǒng)具有通信和數(shù)據(jù)庫2個接口[10]。除了上述2個主要功能，軟件系統(tǒng)設(shè)計還具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及管理和監(jiān)控系統(tǒng)等功能。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是采用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)對采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，從而獲取所需數(shù)據(jù)結(jié)果。系統(tǒng)管理和監(jiān)控是集中管控和配置整套系統(tǒng)內(nèi)的所有檢測裝置，以及對系統(tǒng)運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。本軟件留有4G通信接口，可進(jìn)一步進(jìn)行開發(fā)[11]。軟件總體結(jié)構(gòu)圖如圖9所示，軟件系統(tǒng)主界面如圖10所示。

圖9 軟件總體結(jié)構(gòu)圖

圖10 基于北斗通訊的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

4 測試

4.1 雨量數(shù)據(jù)采集測試

降雨量采集測試采用翻斗式雨量筒[12]。降雨量筒的上蓋打開，可看見內(nèi)部翻斗和與之相連的壓力傳感器，將雨量筒與上位機連接，輕觸翻斗雨量平衡裝置使之傾斜來模擬下雨采集雨量，同時用上位機軟件對雨量筒進(jìn)行雨量問詢，可以看到上位機軟件中有雨量顯示，證明此系統(tǒng)可實現(xiàn)預(yù)期功能[13]。

圖11 翻斗式雨量筒

圖12 雨量筒內(nèi)

圖13 軟件采集雨量數(shù)據(jù)

4.2 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試

按照系統(tǒng)實際使用方式，將整個系統(tǒng)各個部分連接起來。硬件采集系統(tǒng)部分除了沒有將太陽能電池板放入標(biāo)體外，其他均按照整個系統(tǒng)實際使用方式連接，北斗通信蘑菇頭伸出實驗室窗外接收衛(wèi)星信號。水環(huán)境監(jiān)測裝置放入湖中。本次試驗連續(xù)運行了30 d，系統(tǒng)設(shè)置每3 min自動采集所有傳感器數(shù)據(jù)一次，并通過北斗通信終端傳輸進(jìn)行入庫，最后通過檢驗數(shù)據(jù)庫入庫的采集數(shù)據(jù)得到的結(jié)果如下：30 d入庫數(shù)據(jù)中，共有5 000多條記錄，根據(jù)入庫數(shù)據(jù)的采集時間，只發(fā)現(xiàn)丟失了3條記錄，同時觀察入庫的采集數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)沒有奇異的數(shù)據(jù)點。采集裝置和北斗通信終端打撈后檢測無故障。

5 結(jié)語

文章研究的基于北斗通信的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，為水環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸提供了一種科學(xué)、有效的傳輸方案，同時可以很好地解決偏遠(yuǎn)地區(qū)信號覆蓋少、人工采集數(shù)據(jù)不方便等問題。監(jiān)測站可實時獲取監(jiān)測裝置傳回的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后提供給數(shù)據(jù)庫和有關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的接口，為水環(huán)境觀測和相關(guān)技術(shù)裝備的研制提供了有效的科學(xué)數(shù)據(jù)和有力支持。同時伴隨著北斗衛(wèi)星通信技術(shù)的快速發(fā)展，它在水文氣象觀測、海域環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用有更加廣闊的發(fā)展前景。