基于北斗短报文通信的智能水文监测系统设计

2022-02-21曾铭进夏梦茜

现代制造技术与装备 2022年1期

曾铭进夏梦茜任帅

（桂林电子科技大学，桂林 541004）

1 研究背景

水文监测是进行洪水预报、防汛指挥、水利工程安全调度、水资源管理和保护的重要手段。我国地域广阔，江河湖泊众多，因此水利管理部门在实施水文监测时面临许多困难：许多监测点远离城镇、交通不便；监测现场普遍无电源，偏远地区无通信网络；在汛期采用人工检测存在安全隐患；现有水文监测点较少，且单点水文监测工程需要建设观测站、带刻度的标尺立柱，投资大，工序复杂，难以大范围推广使用等。现代水利管理部门需要构建一套不仅能有效防灾又可以对水资源进行优化配置的系统，以实现对重点江河湖泊水文的监测和对洪灾的预警。

水文数据是可以反映相关问题非常关键的水文资料。目前，我国大多处水域的水文数据都是采用人工检测方式获得。这种方式需要考虑监测人员的人身安全问题，而且数据实时性较差[1]。

本文提出一种基于多种水文信息采集传感器、微控制器、LoRa通信模块及北斗短报文模块等的智能水文监测系统，通过北斗卫星短报文通信传输技术将检测到的水文数据发到监测终端。此设计能提高水文数据的测量精度与效率，实现水文的远程实时自动监测，为预警防灾和获取水资源实时数据提供新的思路。

2 系统整体设计

系统整体结构如图1所示。监测所需的水位传感器、浊度传感器、温度传感器和降雨量传感器嵌入各个采集节点结构，同时每个采集节点都安装一个LoRa通信模块。微控制器将采集到的水位、温度、浊度及当前区域的降雨量等实时数据通过LoRa通信模块传输到数据汇集节点。数据汇集节点将接收到的数据进行分类、合并等处理后，自动封装成北斗短报文通信协议规定的标准传输格式，通过北斗短报文模块，利用北斗卫星的短报文通信传输技术，与北斗卫星进行远程通信。北斗卫星将监测数据传输到安装有北斗短报文模块的终端数据监测管理中心或支持北斗短报文通信的移动端App平台，实现监测点与终端的实时数据传输。当某个采集节点的水文数据达到或超过预先设定的预警值时，数据汇集节点立即通过北斗卫星将预警信号传输到监测终端。同时，管理人员可以按照实际需求设置任意采集节点的监测预警值。监测终端也会实时通过北斗卫星将修改后的预警值传输到数据汇集节点，数据汇集节点再将信息返回到目标监测点所在的采集节点，然后采集节点中的微控制器将自动设置新的预警值，从而实现管理人员对多个监测点的实时远程监控。

3 硬件设计

3.1 微控制器

采集节点的微控制器只需要收集传感器模块的实时采集数据，并整合发送到数据汇集节点。为了降低采集点的成本和延长单次充满电在监测点的工作时间，采集节点的微控制器选用基于ARM架构、Cortex-M3内核且具有4个定时器、2个SPI、2个I2C、3个USART等外设接口的STM32F103C8T6。由于STM32F103C8T6微控制器的工作频率最高可达72 MHz且功耗极低[2]，因此能够满足同时控制4个传感器的运行和实时收集4个传感器采集的数据等需求。

数据汇集节点的微控制器需要对多个采集节点传输的数据进行分类、合并，并将数据封装成北斗短报文通信协议规定的标准传输格式。它同样基于ARM架构，但选用了具有比Cortex-M3内核性能更好的Cortex-M4内核，其工作频率最高可达168 MHz，不仅有多达17个定时器和17个通信串口，还具有 1 024 kB FLASH和192 kB SRAM的高性能低功耗微控制器STM32F407ZGT6[3]。

3.2 LoRa通信模块

LoRa通信技术是Semtech公司在2013年8月发布的一种基于扩频调制的新型无线数据传输技术[4]。LoRa通信模块具有抗干扰能力强、传输距离远以及最低接收功耗仅为3 mA等优点[5]。由于不同水文监测点的距离相对较远，且监测点所在的地理环境不同，获取实时水文数据的采集节点更适合用LoRa通信模块作为与数据汇集节点通信的媒介。采集节点较少时，数据汇集节点可用一个LoRa通信模块作为网关。本设计选用正点原子型号为ATK-LORA-01的LoRa通信模块，采用定向传输的点对多通信模式。该模块的传输距离最远可达到3 km，可以满足中小型水域的监测。模块的引脚连接如图2所示。模块的MDO引脚和AUX引脚与微控制器的GPIO引脚相连不同，模块上电时，微控制器通过置高或置低MDO引脚和AUX引脚的电平可改变模块工作模式，在配置模式下可通过串口通信修改模块的地址、信道及空中速率等参数。

3.3 北斗短报文模块

相比于只有定位功能的全球定位系统（Global Positioning System，GPS），北斗系统能同时定位和通信，且不需要其通信系统的支持[5]。在普通移动信号不能覆盖的地方，装有北斗短报文模块的设备能通过北斗卫星进行通信。北斗短报文通信还具备连续覆盖、快速响应、抗干扰能力强以及设备要求低等优点，已广泛用于交通运输、海洋渔业等行业。对于监测点可能存在移动信号覆盖率小、通信效果效果差以及出现极端天气等情况，采用北斗短报文通信技术能保证监测点和终端的实时远程通信。本设计选用易纬科技一款型号为M201的北斗短报文模块。该模块集成了卫星无线电测定业务（Radio Determination Satellite Service，RDSS）和卫星无线电导航业务（Radio Navigation Satellite System，RNSS），即定位和通信功能，具有外形尺寸小、收发成功率高以及功耗低等优点。北斗短报文模块与微控器的引脚连接如图3所示。用户只需要控制微处理器与VEN引脚连接的GPIO引脚输出高电平就可启动模块，而输出低电平即可关闭模块，因此该模块通过简单设置便可以实现远程、无线、网络化的北斗短报文通信。

3.4 水位传感器

本设计选用电应普公司型号为A01的基于超声波测距的水位传感器。测距原理为传感器的发射装置向液面发射超声波，接收装置接收到从液面反射回来的超声波后计算发射到接收的时间差t，则距离s=vt/2，这里v为超声波速度。该传感器具有测量距离长、测量精度高、防水性能好以及功耗可控等优点，且采用低电压供电，支持通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）输出、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）输出等多种输出模式，能够满足不同用户的使用需求。

3.5 温度传感器

对于水域的水温监测，测量的温度范围小，需要传感器具有高的测量精度，且保证能在不同水质的环境中长时间工作而不被腐蚀。因此，本设计选用Pt100热电阻式温度传感器。Pt指的是铂电阻，100指在0 ℃时铂电阻的阻值为100 Ω。铂电阻对温度十分敏感，温度上升时，电阻的阻值会迅速增加。铂电阻相对于热敏电阻和热电偶，阻值与温度的线性程度最好，测量精度高。Pt100热电阻式温度传感器通常有二线制、三线制和四线制。二线制测量精度相对较低，四线制测量精度较高但成本也高。鉴于实用需求，选用三线制的Pt100热电阻式温度传感器。传感器外接MAX31865模块，将铂电阻的阻值变化转化为数字量输出。微控制器通过串口读取数字量，按照公式换算即可求出当前的温度值。本设计选用华北传感器仪表的Pt100热电阻式温度传感器，采用耐高温的四氟镀银屏蔽线，同时金属探头与屏蔽线间采用加焊技术和双道压槽工艺密封，使传感器整体具有较好的防水性和耐腐蚀性，且价格不高。

3.6 浊度传感器

浊度传感器测量的是水中悬浮颗粒的含量。传感器内部两侧封装有红外对管，红外对管的发射端正对接收端发射光线。水中悬浮颗粒的含量越高，光线的透光率越低，接收端收到的光强越低，传感器将光强转化为电流的大小越小。浊度传感器将电流信号转化为电压信号，微控制器引脚通过采集电压信号经内部A/D转换处理即可获取当前的浊度值。本设计选用型号为TS-300B的浊度传感器。