基于北斗系統的山區水文監測系統設計

李 和 汪淑賢

（1.桂林師范高等專科學校，廣西 桂林 541199；2.桂林電子科技大學信息科技學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

我國疆域廣闊，河流眾多，降雨分布不均，是世界上受洪澇災害影響最嚴重的國家之一[1]。受世界氣候變化的影響，近年來洪澇災害日趨嚴重，給人們的生命財產安全造成極大威脅，直接影響著我國社會經濟的可持續發展。因此，針對地形、地域和氣候等復雜條件，建立覆蓋主要江河湖泊的水文監測系統，快速精準的采集和傳輸雨情、水情等各類災情信息，保障防災抗災信息傳達，可最大限度地減少洪澇災害損失[2]。但目前市面上的水文監測系統存在測量精度低、報汛不及時、限制性大等缺點，特別是在邊遠山區移動信號失效時，無法提供準確可靠的水文變化數據，無法解決山洪暴發等洪澇災害所帶來的影響。本文基于北斗衛星導航系統定位及短報文通信功能應用，設計一款山區水文信息監測系統，系統采用一系列傳感器采集水文環境信息，采用北斗定位模塊獲取水文的位置信息，通過北斗通信模塊將水文位置和環境信息發送至監控中心。本系統利用北斗系統進行定位和數據傳輸，不受地點、外界條件限制，在發生地震、洪澇等自然災害時，依然穩定可靠。

1 水文監測系統的總體結構

基于北斗系統的山區水文監測系統包括主控處理器（MCU）、北斗RNSS定位模塊、北斗RDSS通信模塊、水位檢測模塊、雨量檢測模塊和流量檢測模塊等，其實現框圖如圖1所示：

圖1 山區水文監測系統的總體結構

系統采用水位檢測模塊、雨量檢測模塊和流量檢測模塊等采集水位、降雨量、流量等水文環境信息，采用北斗RNSS定位模塊獲取水文的位置信息，通過北斗RDSS通信模塊將水文位置和環境信息發送至監控中心。同時，系統會根據當前的水位、降雨量及流量等水文環境信息進行綜合分析處理，并及時向監控中心發出預警，以便指揮中心及時做出防災抗災的應對措施。

2 水文監測系統的硬件設計

2.1 主控處理器（MCU）

系統采用成熟穩定的MSP432處理器作為主控處理器，控制北斗RNSS定位模塊、北斗RDSS通信模塊、水位檢測模塊、雨量檢測模塊和流量檢測模塊等重要模塊。主控處理器一方面對北斗RNSS定位模塊傳送過來的衛星無線電導航信號進行讀取、解析及綜合處理后，得到用戶的位置、時間等定位信息；另一方面，將傳感器采集到的水文環境信息與位置信息一起按照標準的北斗短報文格式進行封裝和打包，并將打包和封裝好的數據信息傳送至北斗RDSS通信模塊。同時，根據當前的水位、降雨量及流量等水文環境信息進行綜合分析處理，及時通過北斗通信模塊向監控中心發出預警。

2.2 北斗RNSS定位模塊

北斗RNSS（Radio Navigation Satellite System）定位模塊，是用來接收衛星無線電導航信號，實現用戶位置、時間、速度等信息的獲取。本次設計北斗RNSS定位模塊采用的是和芯星通公司的UM220-IV模塊，該模塊在雙系統水平下定位精度能達到2.5 m CEP，測速精度為0.1 m/s，垂直定位精度為5 m CEP，跟蹤靈敏度可達-161 dBm。UM220-IV模塊串口（UART）支持數據傳輸、固件升級功能，輸入/輸出信號類型為LVTTL電平，與單片機配合使用無須進行電平轉換。

2.3 水位檢測模塊

本系統的水位檢測模塊以超聲波作為檢測手段，它的基木測量原理是利用其反射特性，測量發射波與反射波之間的時間差，并根據公式s=v×t/2計算距離（其中：v是超聲波的傳播速度，s是測量距離，t是傳播的時間差）。超聲波可以在比較惡劣的環境條件工作，對雨、雪、霧的穿透能力很強，因此，本系統選擇NU40C12TR-1超聲波傳感器來測量水位。NU40C12TR-1是收發一體的超聲波傳感器，其敏感性好，靈敏度為-55 dBm，容易接收信號，再加上NU40C12TR-1是一款通用型傳感器，價格較便宜，且比較容易購買，是本方案的最佳選擇。

2.4 流量檢測模塊

流量檢測模塊采用紅旗儀表生產的HQ-LWGY分體式渦輪流量傳感器。其工作原理是當被測流體流經傳感器時，傳感器內的葉輪借助于流體的動能而產生旋轉，葉輪即周期性收變磁電感應系統中的磁電阻，通過線圈的磁通量周期性發生變化而產生電脈沖信號，經放大器放大后傳送至相應的流量積算處理器，進行流量或總量的測量[3]。HQ-LWGY的工作內電源為3.6V鋰電池（鋰電池可用2年以上），輸出方式為4～20 mA脈沖電流信號，通過RS485接口可傳輸瞬時流量和累積流量和時間、日期。HQLWGY采用先進的微處理技術，具有流量范圍寬，操作簡單，安裝使用方便的特點。

2.5 雨量檢測模塊

雨量檢測模塊采用天星智聯生產的RS-100光學雨量傳感器。RS-100光學雨量傳感器采用光學感應原理測量降雨量，內置多個光學探頭，并且采用了可靠的遙測算法[4]，確保雨量的可靠檢測。RS-100光學雨量傳感器支持開關量和UART輸出，并可擴展RS485、RS232或GPRS無線傳輸，具有感雨、測雨兩種工作模式：測雨模式下的分辨為0.1 mm，傳感器每檢測到0.1 mm的降雨時，通過信號線向外界發出一個時長50 ms的5V脈沖信號；感雨模式下的分辨率為0.01 mm，傳感器每檢測到0.01 mm的降雨時，通過信號線向外界發出一個時長1 min的5V脈沖信號。

2.6 北斗RDSS通信模塊

北斗RDSS（Radio Determination Satellite Service）是另一種衛星無線電測定業務，其特點是在完成定位的同時，通過用戶應答完成用戶位置向外部系統的報告，這是北斗系統的重要特色，即北斗短報文服務功能。北斗RDSS通信模塊將單片機送過來的打包和封裝好的短報文水文位置和環境信息發送到北斗衛星上去，再通過北斗衛星轉發到地面監控中心，實現水文監測。本設計采用的是一款泰斗TD3201模塊，其內部集成了北斗RDSS基帶芯片TD1100A、RDSS射頻收發芯片DT-A6、5W功放芯片LXK6618等電路，通過外接無源天線，即可實現北斗系統的短報文通信功能。

3 結語

以上是基于北斗衛星導航系統設計的一款山區水文信息監測系統，系統采用一系列傳感器采集水文環境信息，利用北斗衛星導航系統定位和數據傳輸，具有測量精度高、抗自然災害能力強、不受地域限制等特點，在發生地震、洪澇等自然災害時，依然穩定可靠，具有廣闊的應用前景。