河道采砂管理船载监控终端研发

赵军华，周 武，宁 晶，梁 俊，王 奔

（长江科学院a.工程安全与灾害防治研究所；b.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心；c.国家大坝安全工程技术研究中心；d.科技成果推广及信息中心，武汉 430010）

河道采砂管理船载监控终端研发

赵军华a，b，c，周 武a，b，c，宁 晶a，b，c，梁 俊a，b，c，王 奔d

（长江科学院a.工程安全与灾害防治研究所；b.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心；c.国家大坝安全工程技术研究中心；d.科技成果推广及信息中心，武汉 430010）

为加强对持证采砂船只采砂活动的监管，提出一款成本适中、功能实用、安装于持证采砂船只上的船载监控终端，该装置支持定点、定时、定功率开采监控及采砂量无线远传功能，可对采砂过程实施有效监视、控制。该船载监控终端支持数据存储转发功能，保证了无线通信的可靠性。监控终端采用的低功耗设计策略，提高了装置硬件平台的可靠性。

采砂管理；超声流量计；GPS模块；GPRS模块；低功耗

1 研究背景

近年来，随着国家基础建设的高速推进，河道砂石资源的需求量日益加大。采砂的利润又极其可观，因此导致非法采砂活动猖獗，对河势稳定、防洪安全和航运安全造成了极大威胁，同时也造成了国有矿产资源的流失。为有效打击各种非法滥采行为，必须综合采取多种措施，提高采砂监管的执法水平和执法效率。目前，加强河道采砂管理工作一方面从管理体制、许可程序和联合执法等方面制定相关政策，逐步完善相应的行政管理手段；另一方面还通过不断改进监控技术和监控手段，加强执法装备和执法能力建设，比较典型的是利用现代化的通信、视频、控制等技术手段［1］，对河道采砂行为进行实时监控，实现河道采砂行为的远程自动化监管。

本文从河道采砂管理监控装备和监管技术的角度出发，提出一种低成本的用于采砂管理的船载监控终端的开发方案，将此终端安装于取得采砂许可的合法采砂船上，可对其采砂行为实现定点、定时、定量、定船及定功率开采的监管，一定程度上提高对持证采砂船只的远程实时监管力度。

2 监控终端功能分析

针对当前河道采砂管理中存在的问题，结合持证采砂船和河道采区控制的监管需求［2］，持证采砂船采砂管理监控终端应具备以下功能。

2.1 定点、定时开采监控

对于记录采砂船只在规定时间、规定地点（即定时、定点）进行采砂活动的要求，可以通过GPS功能模块实现。采用成熟的GPS接收机是一种快捷的解决方案，但其成本相对高昂。本文拟采用台湾长天（HOLUX）的GPS模块M91实现卫星星历的接收，从而解析出装有此GPS模块的采砂船只的经纬度信息，即当前实时位置，同时可以通过GPS模块的时间信息对时钟芯片DS3231进行周期性的校时，从而实现采砂船只的活动轨迹及活动时间进行实时监控。

2.2 定量开采控制

目前对持证采砂船上采砂量测量方法包括计时估算法、吃水位估算法等。这些方法对经验数据的依赖性较大，所以都不同程度地存在估算误差比较大的缺点。为提高采砂量估算精度，本文拟采用多普勒超声流量计测量砂水混合物流量的相对低成本解决方案。具体实施方案是将外夹式超声流量计安装于采砂船的尾砂槽管外，实现流量的无接触测量，再通过特定的流量体积折算公式及阀值控制实现采砂量的实时预估及控制。

2.3 定船、定功率开采及控制开采高程的要求

定船开采的控制要求可以通过GPRS模块的SIM卡号区分来实现。每艘合法的采砂船上安装一台GPRS模块作为监控终端的通讯部件。此SIM卡号与本船获取的采砂许可证绑定。对采砂船限定采砂功率的要求，可以通过安装油表或者电度表监控采砂船柴油机油耗或者耗电量来实现，通过不同采砂区域能耗经验数据结合采砂船功率等级进行功率监测及限定。对于砂石可采区开采高程的控制，可通过多波束测深系统实现，基于多波束测深系统的成本考虑，宜通过将其搭载在采砂监控执法艇上进行周期性区域监管，而不是每艘采砂船上都安装多波束测深装置。

3 监控终端的实现

基于上述对监控功能的分析，本文提出一种成本适中、功能实用、安装于持证采砂船只上的采砂管理监控终端，实现河道采砂管理定点、定时、定功率实时监控及采砂量远程测控。该装置由主控制器、GPS功能电路、流量监测电路及无线通信电路等子电路等主要模块组成。

3.1 微控制器选择

作为监控终端的核心部件，微控制器的功能决定了监控终端的档次。根据系统功能需求，所选微控制器应具备I2C接口、UART接口等，最好内部集成模数转换器，且具备一定数量的输入输出端口，并支持低功耗运行模式。TI的MSP430系列单片机、NEC的部分单片机及Microchip的低功耗专用单片机均可满足设计要求。综合芯片成本及开发的快速性、平台的可移植性等因素考虑，选择Microchip的超低功耗XLP系列单片机PIC18F46J11。NanoWatt XLP技术的3大突出优势是：休眠电流可低至20 nA、实时时钟电流可低至500 nA以及看门狗定时器电流可低至400 nA。大多数低功耗应用都要求具备这几个特性中的一个或多个。而NanoWatt XLP技术在多个系列器件中整合了上述3个优势。无论是在延长电池寿命、密封电池，还是在集成能量收集功能方面，Microchip采用NanoWatt XLP技术的8位及16位PIC MCU都为设计人员提供了更大的自由度。

Microchip的全系列8位单片机以及dsPIC30F，dsPIC33F，dsPIC24F系列16位单片机，均可通用一款性价比极高的在线调试器ICD2或者ICD3，而且其集成开发环境（IDE）MPLAB通用，仅需搭配对应的C编译器即可［3］。

3.2 GPS功能电路

M91是一种根据低耗电Mediatek GPS解决方案设计的超小型13 mm×15 mm×2.2 mm GPS引擎模组。它对于导航应用提供高达－159 dBm的绝佳灵敏度与快速的第一次定位时间，可用于搜寻多达32个卫星频道，并支持NMEA0183 V3.01数据通讯协定。M91十分适用于PDA，PND，移动电话和便携式装置中。基于M91和时钟芯片构成的授时及定位功能电路如图1所示。M91通过TTL电平与单片机的串行口进行数据交互，本文提出的测控装置是通过TXDGPS经过两输入与门芯片74HC08进行波形整定后与单片机的串行输入口连接，数据传输波特率采用115 200 bps。

图1 基于GPS模块的时钟校正电路图Fig.1 Clock calibration circuit based on GPSmodule

3.3 流量监测

多普勒超声流量计利用多普勒效应，在任何流动的液体中存在的不连续都会使被反射的超声波信号产生频移（即相位差），由于频移是流速的线性函数，通过测量相位差即可测得流速［4］。理论上，这些不连续可以是悬浮的气泡、固体，或者由于流体扰动引起的界面。因此多普勒超声流量计适用于测量封闭管道中含有一定固体杂质和气泡的液体或者浆状物的介质。

本设计中选用的多普勒超声流量计输出标准的4～20 mA电流信号，基于超声流量计构成的采砂量采集传输系统框图如图2所示。经过一转换模块将电流模拟量信号转换为数字量，通信模块通过RS485总线按设定频率读取流量测量结果，并通过控制具备RS485接口的GPRS模块实现采砂船实时采砂量的远传。由于大部分的GPRS模块均支持透明传输功能，因些通信模块未选用一路RS485总线同时与4～20 mA转485模块、GPRS模块通信的方案，而应分别用两路RS485总线连接2个模块，因此本装置设计中考虑通信模块采用的微控制器具备两路UART集成接口，或者藉由普通I／O端口通过软件模拟实现UART功能。

图2 采砂量采集传输功能框图Fig.2 Block diagram of sand amount acquisition and transm ission function

3.4 GPRS模块选择

为将采砂船工况参数实时远传至监控中心，通常采用数传电台或者GPRS模块。目前常用的GPRS模块，比如宏电的H7710系列产品，但此系列仅支持点对点、多点至单中心的工作模式。为实现采砂监管执法的多部门联动，监控终端应支持将采集结果发送至多个监控中心，即所采用的GPRS模块支持多点至多中心功能，且为应对GPRS网络的盲区问题，监控终端应支持采集数据的存储转发功能。因此本装置选择了驿唐科技和捷麦通信的两款GPRS模块分别进行测试，其工作模式如图3所示。

图3 GPRS模块一点至多中心工作模式Fig.3 Operation mode from one point tomulti-center of GPRSmodu le

3.5 低功耗设计

为降低监控系统整体功耗，本装备在电路设计的各个环节采取了相应措施。首先是在芯片选择上，选取静态功耗更低的同类芯片。对于静态功耗较高的功能芯片，根据其功能要求对其电源进行控制，只在其工作时为其提供电源，其它时间处于不供电状态，如本系统中的GPS芯片、流量计及GPRS通信模块等即可采取这种电源控制策略，仅当需要设备工作时才启动控制电路为其提供供电电源。电源控制电路通过一PMOS管组成的电子开关实现，如图4所示。其中VCC为监控系统的5V电源，VCC_ GPS为M91的工作电源，其通过接单片机I／O口的Ctrl实现通断控制。

图4 电源控制电路Fig.4 Power supply control circuit

4 结 语

针对采砂管理远程自动化监控的需求，本文提出了一种船载监控终端的设计方案。通过在持证采砂船只上安装此款监控终端，可一定程度上实现对采砂过程的定点、定时、定量、定船、定功率监控，并为控制开采高程提供控制接口。监控终端硬件平台的选取使其具备良好的功能扩展性、接口兼容性，由于采用了低功耗设计，监控终端的可靠性高、使用寿命长。监控终端所具备的GPRS无线远传功能，便于构建基于无线网络的远程监控软件系统，实现对采砂过程的数据存储、历史查询及过程控制。

［1］ 马水山，黄万林，刘前隆，等.长江河道采砂管理远程可视化实时监控系统［J］.人民长江，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］ 邹紫伟.河道采砂可采区六大核心要素的控制与管理［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数字信号控制器C程序开发及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，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.传感器技术及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005.（HE Xi-cai.Sensor Technology and Application［M］.Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2005.（in Chinese） ）

（编辑：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

水利部公益性行业科研专项（201001007，200901058）；中央级公益性科研院所基金项目（CKSF2010002）；中央级公益性科研院所基本科研业务费重点项目（YWF0906）

赵军华（1980－），男，山东潍坊人，博士，主要从事无线传感器网络、嵌入式系统及电力电子方向的研究工作，（电话）027－82829879（电子信箱）jhzhao2009＠163.com。