偏遠地區(qū)地下水監(jiān)測系統(tǒng)通信組網(wǎng)方法

張 慧，劉 偉，王江燕，王鍵鍵，鄒 巍

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術研究中心，江蘇 南京 210012）

地下水是水資源的重要組成部分，保護和合理開發(fā)利用地下水資源是經濟社會可持續(xù)發(fā)展的基礎保障條件。地下水監(jiān)測是掌握地下水位（埋深）、水溫、水質、水量等動態(tài)要素，掌握地下水水質狀況及污染變化趨勢的工作，同時也是分析評價地下水資源、制定合理開發(fā)利用與有效保護措施、減輕和防治地下水污染及其相關生態(tài)環(huán)境等問題的重要基礎［1］。

王芳［2］提出無線通信系統(tǒng)進行了功能設計，實現(xiàn)遠端單片機數(shù)據(jù)采集、通訊，主控端數(shù)據(jù)接收、控制與計算機接口通信。姚蓓蓓等［3］提出了基于單片機的水情自動測報系統(tǒng)設計，該系統(tǒng)采用GPRS 通訊方式，具有網(wǎng)絡覆蓋率高、成本低等優(yōu)點。陳敏等［4］設計了一種基于NB-IoT 的水雨情實時監(jiān)測系統(tǒng)，提高了水雨情監(jiān)測效率。然而地下水監(jiān)測工作一般在野外開展，特別是對于環(huán)境惡劣、自然災害頻發(fā)、交通不便等地區(qū)，移動公網(wǎng)無法覆蓋，上述系統(tǒng)難以大面積推廣，同時在險情來臨時無法保證信號的穩(wěn)定傳輸。

西藏位于青藏高原西南部，平均海拔在4 000 m以上，GPRS 通訊網(wǎng)絡在西藏偏遠地區(qū)存在信號覆蓋盲區(qū)，數(shù)據(jù)暢通率低，為地下水數(shù)據(jù)穩(wěn)定、實時的監(jiān)測帶了困難，而西藏地下水監(jiān)測站點分散，而對帶寬要求不高?；诖?，本文設計了GPRS+北斗衛(wèi)星通信的雙信道一體化地下水監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備GPRS+北斗衛(wèi)星通信主備份信道，正常情況下遙測站通過GPRS 實現(xiàn)與中心站的交互，而對于應急情況下以及偏遠地區(qū)，GPRS網(wǎng)絡無法覆蓋時，系統(tǒng)切換到北斗衛(wèi)星通信方式，實現(xiàn)遙測站與中心站的通信，彌補了GPRS 在偏遠地區(qū)公網(wǎng)覆蓋盲區(qū)的短板，有效提高西藏偏遠地區(qū)數(shù)據(jù)暢通率，確保地下水監(jiān)測站的數(shù)據(jù)通信、運行維護與管理水平，確保地下水監(jiān)測信息采集傳輸?shù)臅r效性和準確性。

1 北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)

隨著我國科學技術的發(fā)展，衛(wèi)星通信越來越多地被應用到水文監(jiān)測領域當中，通過更加精準、實時的定位輔助，為工作人員提供了有效的數(shù)據(jù)導向支持，大大提高了水文監(jiān)測站的工作質量和工作效率。由我國自主研制的北斗水文測報系統(tǒng)具有相對完善的體系，該系統(tǒng)采用先進新型技術，安全性高，使用方便快捷，是我國水文測報領域的巨大成功以及動力［5］。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)由空間系統(tǒng)、地面系統(tǒng)和用戶系統(tǒng)組成［6］。短報文發(fā)送和接收端通過出站、入站鏈路形成一個M 形通信機制。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)具有點對點雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，該系統(tǒng)以數(shù)據(jù)包的形式傳輸，數(shù)傳終端發(fā)送采用碼分多址直接擴頻序列調制，發(fā)送頻率為L波段短報文，通過衛(wèi)星轉換為C波段短報文由地面站接收，經處理后發(fā)到衛(wèi)星，再經衛(wèi)星轉換為S 波段短報文發(fā)送到數(shù)傳終端，完成一次點對點的通信，反向發(fā)送過程亦然［7］，具體原理如圖1所示。正常情況下，用戶一次可發(fā)送70字節(jié)左右的有效信息，由于其信道編碼與調制方式為碼分多址即CDMA 方式，利用冗余編碼方法使得入站數(shù)量達到200站，按照水文信息傳輸整點報的需求，以10 min 收集全部站點數(shù)據(jù)計算，此類用戶理論上可容納12萬測站用戶，所以其信道容量極大。

圖1 北斗衛(wèi)星通信報文傳輸流程

2 總體架構

基于北斗衛(wèi)星通信的一體化地下水監(jiān)測系統(tǒng)由：地下水遙測站、GPRS+衛(wèi)星通信部分、中心站等組成，系統(tǒng)采用GPRS 和北斗衛(wèi)星通訊主備份信道方式，用于對地下水水位（埋深）、溫濕度等數(shù)據(jù)的實時、自動、連續(xù)不間斷監(jiān)測。測量數(shù)據(jù)自動保存在儀器內部的存儲單元內，通過通信網(wǎng)絡，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳入中心站，完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、處理以及展示等，為監(jiān)測部門提供信息支持。系統(tǒng)總體架構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構

2.1 傳感器

水位傳感器采用WYS-Ⅲ型壓力水位計，該傳感器采用靜壓液位測量原理，中央處理單元實時采集或定時采集壓力傳感器數(shù)據(jù)，并在內部運用算法對壓力傳感器數(shù)據(jù)進行線性修正和溫度補償。RS485 數(shù)字輸出接口，數(shù)據(jù)協(xié)議為標準MODBUSRTU協(xié)議，支持組網(wǎng)。該傳感器精度高、功耗低、免維護，西藏偏遠無人值守地區(qū)供電、維護困難，因此，選用該型號水位傳感器，產品外形圖見圖3。

圖3 WYS-Ⅲ型壓力水位計外形

溫濕度傳感器采用國產的奧松DHT20 溫濕度傳感器，模塊內配置一顆ASIC 專用芯片、MEMS 半導體電容式濕度傳感元件和一個溫度傳感元件，具有免標定、低功耗、高精度、高穩(wěn)定性等特點。

2.2 遙測終端機

遙測終端機采用YDH-1L型地下水一體化遙測終端機（以下簡稱YDH-1L），YDH-1L 不僅能監(jiān)測水位，而且能監(jiān)測水溫、氣溫等水文參數(shù)，完成數(shù)據(jù)的定時采集、存貯及傳輸，待機功耗低，適用于西藏偏遠無電源地區(qū)的地下水監(jiān)測。遙測終端機基本功能框如圖4所示。

圖4 遙測終端機基本功能框

2.3 通信單元

系統(tǒng)采用GPRS 和北斗衛(wèi)星通道相互融合，該系統(tǒng)采用時間觸發(fā)的方式觸發(fā)裝置發(fā)送報文，首先發(fā)送判斷指令，判斷指令大于預先設定值得時候，查詢GPRS信號強度，當GPRS信號強度大于設定值時，便選用GPRS 信道發(fā)送地下水數(shù)據(jù)；而當GPRS信號強度小于等于設定值時，則判斷該地區(qū)GPRS存在信號覆蓋盲區(qū)，啟動北斗通訊模式。通信工作流程如圖5所示。

圖5 通信工作流程

由于傳統(tǒng)的地下水中心站沒有北斗衛(wèi)星接收，因此將北斗衛(wèi)星的數(shù)據(jù)接收中心放置在水利部南京水利水文自動化研究所。而GPRS中心站布設于拉薩水文局服務器，沿用原先建設的地下水中心站。

2.4 供電單元

由于地下水裝置無法進行電量補充，而通常不可充電鋰電池供電。本系統(tǒng)采用大電流、寬電壓同步升壓技術和超級電容技術實現(xiàn)負載斷開功能，突破電池供電電壓和電流的限制，從而保證衛(wèi)星通信的暢通率。同時能夠達到極低靜態(tài)功耗，從而實現(xiàn)長值守運行［8］。

3 軟件設計

本系統(tǒng)從數(shù)據(jù)接收、分析、處理到表示，適合采用分層體系結構，包括信息源層、數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層及表示層。該地下水監(jiān)測系統(tǒng)軟件在Windows 32/64 位平臺上按B/S 結構設計開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2016，基于Visual C++系統(tǒng)開發(fā)平臺，支持遠程參數(shù)配置，實時、定時召測，地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、存儲、展示等。

主程序上電后實現(xiàn)第一次上電將GPRS、衛(wèi)星、BLE 模塊和EEPROM 中的RTU 參數(shù)初始化的功能。主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程

4 野外應用分析及試驗結果

選取“西藏全區(qū)山洪災害防治縣級非工程措施建設項目”“西藏國家水資源監(jiān)控能力建設項目”“滿拉水庫洪水調度系統(tǒng)”等項目中典型地下水監(jiān)測站點進行GPRS通訊方式與GPRS+北斗衛(wèi)星通訊方式數(shù)據(jù)暢通率對比分析，選取的站點地處偏僻，GPRS公網(wǎng)覆蓋存在盲區(qū)。西藏地區(qū)地下水監(jiān)測系統(tǒng)暢通率統(tǒng)計表見表1，根據(jù)表1 的數(shù)據(jù)計算得到GPRS通訊方式下西藏自治區(qū)地下水監(jiān)測站點的數(shù)據(jù)通暢率為70.10%，采用GPRS+北斗衛(wèi)星通信主備份信道的組網(wǎng)方式數(shù)據(jù)暢通率為99.26%，大大提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和暢通率。

表1 西藏地區(qū)地下水監(jiān)測系統(tǒng)暢通率統(tǒng)計

5 結 語

本文開展了偏遠地區(qū)地下水監(jiān)測系統(tǒng)通信組網(wǎng)方法研究，在現(xiàn)有的科研成果基礎上，設計了GPRS+北斗衛(wèi)星通信的雙信道一體化地下水監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用水位傳感器、溫濕度傳感器收集地下水水文數(shù)據(jù)，經過GPRS 及北斗衛(wèi)星通信主備份信道，發(fā)送到中心站，中心站軟件對采集的數(shù)據(jù)進行處理、查詢、展示等。本文研究公網(wǎng)信道和北斗衛(wèi)星通信信道融合，信道根據(jù)環(huán)境可自由配置，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)有效傳輸，解決公共通信網(wǎng)絡未覆蓋地區(qū)公共通信信道無法使用的問題，成果的適用環(huán)境可滿足西藏惡劣環(huán)境下的水文測驗運行要求，為偏遠地區(qū)防汛減災工作提供良好的技術支撐。