基于北斗傳輸?shù)牡叵滤O(jiān)測儀的設(shè)計與實現(xiàn)

龐麗麗，董翰川 ，史 云

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051；2.國土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，河北 保定 071051)

基于北斗傳輸?shù)牡叵滤O(jiān)測儀的設(shè)計與實現(xiàn)

龐麗麗1,2，董翰川1，史 云1,2

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定071051；2.國土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，河北 保定071051)

地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測儀器在實際應(yīng)用中應(yīng)具有較為嚴(yán)格的儀器屬性，包括耐高低溫性、密封性、耐腐蝕性、低功耗等。而無公網(wǎng)覆蓋地區(qū)多為高寒高海拔地區(qū)，儀器長期暴露在較為惡劣的地質(zhì)環(huán)境中。因此，及時、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信傳輸技術(shù)是獲取水文地質(zhì)參數(shù)、確保地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。目前，地下水動態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)多采用GSM短信格式進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，但是該方式在野外應(yīng)用中非常受限。為使地下水參數(shù)監(jiān)測不受無線公共網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的限制，利用北斗衛(wèi)星的定位與短報文技術(shù)，研究了一種可利用北斗衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艃x器。經(jīng)過大量的室內(nèi)調(diào)試及野外穩(wěn)定性試驗，證明了基于北斗衛(wèi)星開發(fā)的地下水動態(tài)監(jiān)測通信控制終端，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，儀器功耗低，防風(fēng)、防沙、防潮性能良好。該研究解決了無手機信號地區(qū)地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸障礙，實現(xiàn)了多方式的地下水監(jiān)測通信。

北斗； 數(shù)據(jù)傳輸； 監(jiān)測儀； 傳感器； 太陽能； 動態(tài)監(jiān)測； 通信控制

0 引言

地下水是人類生存和發(fā)展的重要資源。目前，由于對地下水的不合理開發(fā)和利用，產(chǎn)生了許多不良后果。如何有效、精細(xì)地監(jiān)測地下水的變化，并采取相應(yīng)合理的監(jiān)測手段是目前的主要任務(wù)。隨著地下水監(jiān)測設(shè)備的發(fā)展，提高監(jiān)測設(shè)備的野外適用性已成為研究的主要目的[1-3]。目前，我國地下水監(jiān)測多采用GSM短信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，但是在有些公共網(wǎng)絡(luò)信號較弱或通信基站沒有覆蓋的地區(qū)，監(jiān)測數(shù)據(jù)無法有效傳輸?shù)娇刂浦行?。因此，本文利用北斗衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)了各個地區(qū)的無障礙數(shù)據(jù)通信[4]。

1 地下水監(jiān)測系統(tǒng)概述

S-BD-1地下水動態(tài)信息采集與傳輸儀器主要包括數(shù)據(jù)采集儀器(或壓力式水位水溫儀)、數(shù)據(jù)傳輸裝置、軟件管理平臺以及其他配套附件，用于對地下水的水位、水溫等動態(tài)信息進(jìn)行連續(xù)、長期、自動監(jiān)測。測量數(shù)據(jù)自動保存在儀器內(nèi)部的存儲單元內(nèi)，可定期通過移動公共服務(wù)網(wǎng)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳入終端管理平臺并完成監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)測設(shè)備的動態(tài)管理。該系統(tǒng)實現(xiàn)了地下水動態(tài)數(shù)據(jù)自動采集、存儲、傳輸、遠(yuǎn)程管理，方便了監(jiān)測部門的相關(guān)工作[5-6]。

1.1系統(tǒng)功能

①按照設(shè)定的工作方式和監(jiān)測模式，自動采集監(jiān)測信息。

②實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收、監(jiān)測設(shè)備的動態(tài)管理。

③數(shù)據(jù)可自動保存在現(xiàn)場監(jiān)測儀器的存儲單元內(nèi)，可在現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)回收。

④實現(xiàn)監(jiān)測設(shè)備的參數(shù)設(shè)置及儀器配置管理。

1.2技術(shù)特點

①全自動無人值守，可任意設(shè)定工作周期。

②圓筒式結(jié)構(gòu)便于安裝保護，太陽能控制器與采集通信主機采用一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計。

③由太陽能供電，微功耗。具備電池電量監(jiān)控功能，可實時地將電池電量發(fā)送到管理平臺。

④內(nèi)置大氣壓傳感器，可獨立測量氣壓/氣溫，并可進(jìn)行就地大氣壓力補償。

⑤傳輸儀器具有開放性，可掛接多種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的水位計。

1.3主要技術(shù)參數(shù)

(1)地下水動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀技術(shù)參數(shù)如表1所示。用戶可根據(jù)自身需要選擇測量范圍。此外，探頭內(nèi)部采用3.6V鋰電池供電，可用壽命≥8年；外殼防護等級為IP68。

表1 技術(shù)參數(shù)

(2)地下水動態(tài)遠(yuǎn)程傳輸裝置配置如下。

①傳輸方式：北斗。

②工作溫度范圍：-40～+60℃，適用于野外各種氣候條件。

③供電方式：太陽能供電。

④具有大氣壓補償功能，可測量現(xiàn)場氣壓值。

2 地下水監(jiān)測北斗傳輸硬件設(shè)計

儀器整體設(shè)計采用高精度壓力傳感器，能夠精確測量地下水水位、水溫變化，帶有存儲功能，能記錄四萬條數(shù)據(jù)。儀器具備太陽能充電管理功能，其充電管理采用的是最大功率點跟蹤(maximumpowerpointtracking,MPPT)方式充電，使充電效率更高。整體設(shè)計主要包括太陽能充電模塊、電源管理模塊、傳感器接口模塊、單片機(microcontrollerunit,MCU)、通信模塊[7-9]。地下水監(jiān)測傳輸儀整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 地下水監(jiān)測傳輸儀整體結(jié)構(gòu)圖

2.1太陽能充電模塊

充電模塊電路采用TI公司的BQ24650RVA芯片，具有MPPT功能，充電電流設(shè)置為4A。當(dāng)太陽能電壓變低后，芯片進(jìn)入待機模式。太陽能電池輸入帶有TVS二極管保護，防止因靜電進(jìn)入而造成的設(shè)備損壞。充電電感采用一體成型電感，具有體積小、功率大等優(yōu)點。

2.2電源管理模塊

單片機供電電路如圖2所示。

圖2 單片機供電電路

儀器整體供電部分，包括北斗供電、單片機系統(tǒng)供電、氣壓傳感器供電、水位傳感器供電。時鐘供電部分，用于給實時時鐘供電。電源控制部分，用于觸發(fā)供電與保持供電。氣壓傳感器供電電路如圖3所示。

圖3 氣壓傳感器供電電路

北斗與水位傳感器供電電路采用BTS723GW過載保護二極管，具有短路保護和過載保護的功能，提升了儀器的整體安全性。北斗與水位傳感器供電電路如圖4所示。

圖4 北斗與水位傳感器供電電路

時鐘供電電路使用型號為TPS70933-Q1的3.3V芯片。此芯片電壓耐壓高，靜態(tài)電流僅為1μA，滿足時鐘對低待機功耗的需求，也滿足電池16.8V的電壓。時鐘供電電路如圖5所示。

圖5 時鐘供電電路

針對野外惡劣的環(huán)境條件，儀器的設(shè)計需要從低功耗、防塵防水防雷電等方面重點考慮。因低功耗是檢驗儀器主要的性能，故對電源控制進(jìn)行了研究。電路設(shè)置了1個系統(tǒng)時鐘觸發(fā)信號，并將系統(tǒng)時鐘設(shè)置為1h觸發(fā)1次，低電平有效。當(dāng)觸發(fā)輸入時，系統(tǒng)供電被使能，單片機開始工作，單片機輸出保持信號。并消除時鐘觸發(fā)信號，單片機系統(tǒng)處理完任務(wù)后，清除保持信號。將自身系統(tǒng)電源切除，以達(dá)到省電的目的。在電路上還設(shè)置了串口觸發(fā)信號功能。外部串口連接后，當(dāng)串口發(fā)送數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)供電被使能，單片機開始工作，單片機輸出保持信號，單片機系統(tǒng)處理完任務(wù)后，清除保持信號，將自身系統(tǒng)電源切除，以達(dá)到省電的目的。

2.3傳感器接口單元

氣壓傳感器采用SPI接口通信，水位傳感器采用RS-485通信，使用MODBUS協(xié)議。設(shè)備內(nèi)置了120Ω匹配電阻。電路采用自動收發(fā)控制，無需單片機控制接收、發(fā)送，提高了可靠性。

2.4單片機系統(tǒng)

基于北斗傳輸?shù)牡叵滤當(dāng)?shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備主要由單片機最小系統(tǒng)、實時時鐘系統(tǒng)、EEPROM系統(tǒng)、FLASH系統(tǒng)等部分構(gòu)成。儀器采用PIC24FJ128GA306單片機芯片，其特點是超低功耗，從根本上提升了儀器的整體性能。時鐘芯片采用PCF8563，待機電流小，同時具有鬧鐘功能，可實現(xiàn)1h觸發(fā)1次，并向系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時鐘信號。EEPROM系統(tǒng)用來存儲一些可變量，容量為2KB。其記錄內(nèi)容主要有：服務(wù)器北斗地址、FLASH存儲數(shù)量、每天數(shù)據(jù)回傳數(shù)量、每天數(shù)據(jù)回傳的時間點。FLASH系統(tǒng)主要存放每個時間點的數(shù)據(jù)，容量為16MB，每組信息為64B，可以存儲262144條數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)記錄內(nèi)容為：采樣時間、電池電壓、氣壓、氣溫、水壓、水溫。

2.5通信模塊

北斗通信模塊，通過RS-232接口與北斗通信，電源采用BTS723GW。此芯片耐壓高，電流大，有短路保護和高溫保護。

3 北斗傳輸?shù)叵滤O(jiān)測數(shù)據(jù)接收平臺

數(shù)據(jù)接收平臺已經(jīng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、解析、入庫、導(dǎo)出等功能，經(jīng)過實驗室測試和野外測試，數(shù)據(jù)接收平臺可根據(jù)用戶自行設(shè)定的時間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳，下載數(shù)據(jù)及曲線。平臺界面需要進(jìn)一步優(yōu)化，使用戶可進(jìn)行分組分級管理，并可指定用戶權(quán)限，方便用戶對各自的項目進(jìn)行管理。

4 野外試驗

基于北斗傳輸方式的地下水監(jiān)測系統(tǒng)，儀器整體設(shè)計采用不銹鋼外殼。儀器分為電路板腔體倉和電池倉2部分。供電采用鋰電池組供電，儀器內(nèi)置氣壓傳感器，自動完成氣壓補償，無需二次換算。整套儀器防水、防塵，適用于野外惡劣的環(huán)境。目前，該系統(tǒng)已在野外進(jìn)行試驗，在后續(xù)的研究中，還需不斷完善硬件及軟件的各項功能，服務(wù)于全國地下水監(jiān)測工程。

5 結(jié)束語

本設(shè)計將北斗衛(wèi)星通信技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合，克服了地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方式單一、應(yīng)用受限的缺點。研發(fā)的基于北斗傳輸方式的地下水監(jiān)測儀適用于無公共網(wǎng)絡(luò)信號地區(qū)，是對原有的地下水動態(tài)監(jiān)測的有效補充，也提高了地下水動態(tài)監(jiān)測儀器的普遍適用性和時效性，實現(xiàn)了多方式數(shù)據(jù)的采集、存儲、傳輸及遠(yuǎn)程控制。

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DesignandImplementationofGroundwaterMonitorBasedonBeidouTransmitted

PANG Lili1,2，DONG Hanchuan1，SHI Yun1,2

(1.Center for Hydrogeology and Environmental Geology Survey,CGS,Baoding071051,China;2.Key Laboratory of Geological Environmental Monitoring Technology,MLR,Baoding071051,China)

In practical applications,the geological environmental monitoring instruments should have more stringent instrument properties,their resistance to high and low temperature,sealing,corrosion resistance and low power consumption,etc.,are all have higher requirements.While the areas whitout public network coverage are mostly alpine high-altitude areas,the instruments are exposed to relatively harsh geological conditions for a long time.The timely and stable data communication transmission technology is the key technology to ensure stable operation of groundwater dynamic monitoring systems.At present,GSM short message format is mostly used in the groundwater dynamic remote monitoring technology,but this approach is extremely limited in field applications.For obtaining groundwater monitoring parameters not affected by the limitation of public wireless network coverage area,the Beidou satellite positioning and short message technology is adopted,and a kind of data transmission communication apparatus using Beidou satellite is researched.After a large number of indoor debugging and field stability tests,it is proved that the control terminal of groundwater dynamic monitoring and communication developed based on Beidou satellite communication features stable data transmission,low power consumption,good resistance of wind,sand and moisture.It solves the transmission obstacle of groundwater monitoring data in the area without mobile phone signal,and realizes multi-mode groundwater monitoring communication.

Beidou; Data transmission; Monitor; Sensor; Solar energy; Dynamic monitoring; Communication control

TH86; TP216

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710016

修改稿收到日期:2016-11-23

國土資源部公益性科研專項基金資助項目(201411083)、中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目(DD20160232)

龐麗麗(1984—)，女，碩士，工程師，主要從事水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)儀器的研究。E-mail583289675@qq.com。