一种湖泊浮标近距离无线调制解调器设计

戴连栋，王用红，刘 伟，陈与非

（1. 南京市水利局，江苏 南京 210036；

2. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012）

一种湖泊浮标近距离无线调制解调器设计

戴连栋1，王用红1，刘 伟2，陈与非2

（1. 南京市水利局，江苏 南京 210036；

2. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012）

从千米级近距离通信具体要求出发，选择低功率甚高频无线电通信模块，设计 1 200 bit/s 调制解调器，集成到湖泊水文监测浮标终端机中，完成浮标站到岸站的遥测数据近距离传输，通信协议符合 CCITT-V23 标准。应用实践表明通信链路稳定可靠，还可以在水库、入海口和近海进行水文水生态测验推广应用。

调制解调器；传输模块；超短波通信；湖泊浮标；近距离

0 引言

湖泊具有面积大、流态复杂等特点，不容易建设水文遥测站，湖泊水文自动监测一般采用水上建站，浮标往往成为湖泊水文的监测手段之一。

浮标常用于海洋监测，参考海洋浮标设备设计，将其小型化，研制成功直径 1.20 m，质量约 60 kg 的小型水文浮标，并在江西省鄱阳湖水域成功投运。该水文浮标站由浮标体、湖泊湖流传感器组、数据采集终端机、通讯系统、环形太阳能电源、航标警示灯等组成[1]。数据接收在岸站（水文站）完成，岸站与湖泊浮标的距离小于 3 km。

目前水文遥测系统通信信道已经广泛采用GPRS、卫星等通信手段，技术设备成熟，因产生运行费用，未被选择为本项目湖泊浮标到岸站的通信手段；其他近距离通信手段还有 Zigbee、蓝牙等，因通信距离达不到 3 km，无法实现湖泊浮标数据通信。

超短波通信在早期水文测报系统应用极多，目前在水库、水电厂等小规模水文测报系统还有应用，国家无线电管理机构已经将 230 MHz 频段划归为水文遥测专用。该超短波频段的主要特点是适用视距通信，且有一定的绕射能力，因此本项目采用低功率超短波甚高频无线通信模块，设计 1 200 bit/s 调制解调器，完成岸站与湖泊浮标近距离无线传输。

1 硬件结构

常规水文遥测系统超短波通信以 230 MHz 频段为数传频段，收发信机载波发射功率为 10～25 W，以 300 bit/s 传输速率传输水情遥测数据，终端机数据副载波产生的代表器件为 MC145442，副载波频率分别为 980 和 1180 Hz，分别代表数字信号“0”和“1”[2]，引用的国际标准为 CCITT V2.1。

在常规超短波通信的基础上，为了提升数传通信速率，采用集成芯片 MSM7512 作为关键器件，研发 MD-1200A 通信模块。MD-1200A 通信模块基于MSM7512 单片副载波发生器和解调器，内部嵌入了CCITT V2.3 标准，通信速率可提高到 V2.1 的 4 倍，因距离近，收发信机发信功率可降低到 1.0 W 内（实际运用时 0.1～1.0 W 可编程设置）。

湖泊浮标体内置小型遥测终端机 RTU，RTU包含处理器，值守电源电路、湖流传感器组接口、GPS 定位接口系统和通讯电路等。主控芯片采用 S12双核微处理器芯片，该芯片为军用级芯片，工作温度范围宽，可靠性高[3-4]。通信电路采用内置 MD-1200A 模块的方式，与主控芯片为 TTL 通信方式，浮标 RTU 结构图如图1 所示。

MSM7512B 是一种低成本内置式调制解调器芯片，特点如下：1）单电源工作，低功耗，工作模式时功耗为 25.0 mW（典型值），掉电模式时功耗为0.1 mW（最大值）；2）具有片内回音消除电路，大大简化了外围电路；3）具有载波检测和自环测试功能；4）采用 3.579 545 MHz 振荡器进行同步；5）数据接口与 TTL 电平兼容。

图1 浮标 RTU 结构图

调制解调器硬件结构框图如图2 所示，连接控制电路如图3 所示。

图2 调制解调器硬件结构

图3 调制解调器连接控制电路

依据 CCITT V2.3 通信标准，MSM7512B 芯片将需要传输的数字信号经过调制后，形成“1 300 Hz”和“2 100 Hz”的副载波模拟信号组合，该模拟信号通过小功率无线收发信机调制到 230 MHz 高频载波上发射出去。接收方通过无线接收模块接收高频信号，接收到的高频信号被解调成相应的“1300 Hz”和“2100 Hz”FM 模拟信号，再通过 MSM7512B 芯片解调出对应的数字信号进入接收计算机。

调制解调器工作模式有 4 种，通过的 MOD1和MOD2端子进行控制[5]，工作状态如表1 所示。

表1 工作模式

浮标 RTU 将调制解调器同数字接口连接，加上少量的外围控制电路，研发出 MD-1200A 通信模块，做到了微型化，集成在 RTU 主板上，也可以单独置于收发信机中。

2 软件设计

因数据传输速率固定 1200 bit/s，故在 S12 双核微处理器芯片初始化程序中将数据通信波特率发生器寄存器设置为 1 200。

2.1 浮标 RTU 嵌入式软件工作流程

浮标系统 RTU 嵌入式软件工作流程包括 RTU初始化，数据采集与计算，数据传输等。

每次工作时首先对芯片、时钟模块、通信模块初始化，数据采集完成后发送定时报文，为达到低功耗（降低静态值守电流），程序需要定时控制开关机。浮标系统主工作流程如图4 所示。

图4 浮标系统主工作流程

远程修改参数包括修改系统基本配置、运行参数，设置系统时间和恢复出厂设置等。

2.2 浮标数据传输设计

系统采用的通讯协议符合水利行业标准《水文监测数据通讯规约》。采用 HEX/BCD 编码方式，便于日后系统集成和数据整合；报文传输规约是适用于本项目水文浮标遥测站与中心站之间的近距离数据传输通信协议规定[6]。

报文分为上行和下行报文，报文正文结构如表2和 3 所示。

表2 上行报文帧结构框架

表3 下行报文帧结构框架

3 应用实例

本项目实施地点在江西省鄱阳湖棠荫水文站所辖水面，水文站东面 3 km 处为赣江南支、中支、和信江、抚河、饶河汇合后形成的鄱阳湖东水道，水量占 5 河入水总量的 55%。因其独特的地理位置和极好的水文、生态、气象代表性，是开展鄱阳湖水文监测实验研究的理想场所。

3.1 浮标装置

水文监测浮标实际投放地点距水文站直线距离小于 3 km，属于视距通信，浮标实物如图5 所示。

图5 鄱阳湖水文浮标监测站

浮标站将水文监测传感器、数据采集终端和近距离通信设备进行技术集成，转化为湖泊水文水上监测一体化应用平台。具体设置如下：

1）浮标 RTU 处理器。采用 Freescale 双核微型处理器。

2）数据接口。通用化为数字串口和模拟接口，适应多种湖泊水文在线监测传感器；监测参数在浮标上完成采集和传输 。

3）浮标定位。GPS 接收器位置定位。

4）传感器。湖流参数监测传感器，可根据现场监测需要配置其他湖泊参数自动监测传感器。

3.2 浮标数据通信效果

超短波通信数据量小，通信时间短，基于MSM7512B 调制解调芯片，MD-1200A 通信模块有效利用了超短波的特性，平时将收发信机关闭，需要传输数据时将发射机打开传输短报文，中心站通过超短波收发信机接收数据。表4 为 2013年8月27日运行数据，可以看出数据连续性好，证明通信模块运行稳定可靠。

参照国家防汛指挥系统水情分中心项目建设测试方法，连续统计了 2 周时间的系统运行数据，数据统计表明浮标数据畅通率为 99.7%，大于 95% 的指标要求。

表4 2013年8月27日运行数据

4 结语

通过近距离超短波通信 MD-1200A 通信模块的研发，使湖泊水文浮标站实现了测验和近距离报讯实用化，汛期运行实践证明其能抗水上恶劣环境，工作可靠。

原先的湖泊水文检测采用人工测验，动用水文测船，恶劣天气和夜间无法施测。采用安装有 MD-1200A 通信模块的湖泊水文浮标站，可使浮标测验实现采集传输自动化，解决了人工测验需要测船下湖的实际困难，数据的连续性也远高于人工湖流测验。

集成的水文浮标装置体积小、重量轻，运输容易、安装快捷，具有现场快速安装、投运的特点，不仅满足湖泊湖流测验应用，还可以在水库、入海口和近海进行水文水生态测验推广应用。

[1] 刘伟，王吉星. 水文浮标站应急监测装置设计与开发[J].水利信息化，2013 (2): 29-32.

[2] 水利部水利信息中心. 水文自动测报系统技术规范 SL61-2003[S]. 北京：中国水利水电出版社，2003: 16-17.

[3] 邵贝贝，宫辉. 嵌入式系统中的双核技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2008: 2-12.

[4] 孙同景，陈桂友. Freescale 9S12 十六位单片机原理及嵌入式开发技术[M]. 北京：机械工业出版社，2008: 1-24.

[5] OKI. OKI Semiconduct MSM7512B 1200 bps FSK MODEMITU-T V.23 [R]. OKI, 2006: 3-5.

[6] 水利部水利信息中心. 水文监测数据通讯规约[EB/OL]. [2013-11-11]. http://www.watertesting.cn/UploadFiles/ 201311116111.pdf.

Designing of Wireless Transmission Module at Short Range Used in Lake Buoys

DAI Liandong1, WANG Yonghong1, LIU Wei2, CHEN Yufei2
(1. Nanjing Water Conservancy Bureau，Nanjing 210036, China；
2. Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China)

From specific requirements of short range communication at kilometer level, it choices low-power VHF radio communication module, designs 1200 bit/s modem, integrates into a lake hydrological monitoring buoy terminal, and completes telemetry data transmission from buoys close to shore station. The communication protocol agreement conforms to CCITT-V23 standard. The application practice shows that communication links are reliable, and the system can be spreaded in reservoirs, estuaries and coastal hydrological aquatic ecosystems.

modulator-demodulator; transport module; ultrashort wave communication; lake buoys; short range

TN915.05

A

1674-9405(2014)01-0039-04

2013-12-04

水利部科技推广计划项目“水文浮标站应急监测装置的推广应用”（TG1122）

戴连栋（1975－），男，江苏兴化人，硕士，从事防汛抗旱调度与水利工程管理工作。