基于北斗短報文通信的智能水文監測系統設計

曾銘進 夏夢茜 任 帥

（桂林電子科技大學，桂林 541004）

1 研究背景

水文監測是進行洪水預報、防汛指揮、水利工程安全調度、水資源管理和保護的重要手段。我國地域廣闊，江河湖泊眾多，因此水利管理部門在實施水文監測時面臨許多困難：許多監測點遠離城鎮、交通不便；監測現場普遍無電源，偏遠地區無通信網絡；在汛期采用人工檢測存在安全隱患；現有水文監測點較少，且單點水文監測工程需要建設觀測站、帶刻度的標尺立柱，投資大，工序復雜，難以大范圍推廣使用等。現代水利管理部門需要構建一套不僅能有效防災又可以對水資源進行優化配置的系統，以實現對重點江河湖泊水文的監測和對洪災的預警。

水文數據是可以反映相關問題非常關鍵的水文資料。目前，我國大多處水域的水文數據都是采用人工檢測方式獲得。這種方式需要考慮監測人員的人身安全問題，而且數據實時性較差[1]。

本文提出一種基于多種水文信息采集傳感器、微控制器、LoRa通信模塊及北斗短報文模塊等的智能水文監測系統，通過北斗衛星短報文通信傳輸技術將檢測到的水文數據發到監測終端。此設計能提高水文數據的測量精度與效率，實現水文的遠程實時自動監測，為預警防災和獲取水資源實時數據提供新的 思路。

2 系統整體設計

系統整體結構如圖1所示。監測所需的水位傳感器、濁度傳感器、溫度傳感器和降雨量傳感器嵌入各個采集節點結構，同時每個采集節點都安裝一個LoRa通信模塊。微控制器將采集到的水位、溫度、濁度及當前區域的降雨量等實時數據通過LoRa通信模塊傳輸到數據匯集節點。數據匯集節點將接收到的數據進行分類、合并等處理后，自動封裝成北斗短報文通信協議規定的標準傳輸格式，通過北斗短報文模塊，利用北斗衛星的短報文通信傳輸技術，與北斗衛星進行遠程通信。北斗衛星將監測數據傳輸到安裝有北斗短報文模塊的終端數據監測管理中心或支持北斗短報文通信的移動端App平臺，實現監測點與終端的實時數據傳輸。當某個采集節點的水文數據達到或超過預先設定的預警值時，數據匯集節點立即通過北斗衛星將預警信號傳輸到監測終端。同時，管理人員可以按照實際需求設置任意采集節點的監測預警值。監測終端也會實時通過北斗衛星將修改后的預警值傳輸到數據匯集節點，數據匯集節點再將信息返回到目標監測點所在的采集節點，然后采集節點中的微控制器將自動設置新的預警值，從而實現管理人員對多個監測點的實時遠程監控。

3 硬件設計

3.1 微控制器

采集節點的微控制器只需要收集傳感器模塊的實時采集數據，并整合發送到數據匯集節點。為了降低采集點的成本和延長單次充滿電在監測點的工作時間，采集節點的微控制器選用基于ARM架構、Cortex-M3內核且具有4個定時器、2個SPI、2個I2C、3個USART等外設接口的STM32F103C8T6。由于STM32F103C8T6微控制器的工作頻率最高可達72 MHz且功耗極低[2]，因此能夠滿足同時控制4個傳感器的運行和實時收集4個傳感器采集的數據等需求。

數據匯集節點的微控制器需要對多個采集節點傳輸的數據進行分類、合并，并將數據封裝成北斗短報文通信協議規定的標準傳輸格式。它同樣基于ARM架構，但選用了具有比Cortex-M3內核性能更好的Cortex-M4內核，其工作頻率最高可達168 MHz，不僅有多達17個定時器和17個通信串口，還具有 1 024 kB FLASH和192 kB SRAM的高性能低功耗微控制器STM32F407ZGT6[3]。

3.2 LoRa通信模塊

LoRa通信技術是Semtech公司在2013年8月發布的一種基于擴頻調制的新型無線數據傳輸技術[4]。LoRa通信模塊具有抗干擾能力強、傳輸距離遠以及最低接收功耗僅為3 mA等優點[5]。由于不同水文監測點的距離相對較遠，且監測點所在的地理環境不同，獲取實時水文數據的采集節點更適合用LoRa通信模塊作為與數據匯集節點通信的媒介。采集節點較少時，數據匯集節點可用一個LoRa通信模塊作為網關。本設計選用正點原子型號為ATK-LORA-01的LoRa通信模塊，采用定向傳輸的點對多通信模式。該模塊的傳輸距離最遠可達到3 km，可以滿足中小型水域的監測。模塊的引腳連接如圖2所示。模塊的MDO引腳和AUX引腳與微控制器的GPIO引腳相連不同，模塊上電時，微控制器通過置高或置低MDO引腳和AUX引腳的電平可改變模塊工作模式，在配置模式下可通過串口通信修改模塊的地址、信道及空中速率等參數。

3.3 北斗短報文模塊

相比于只有定位功能的全球定位系統（Global Positioning System，GPS），北斗系統能同時定位和通信，且不需要其通信系統的支持[5]。在普通移動信號不能覆蓋的地方，裝有北斗短報文模塊的設備能通過北斗衛星進行通信。北斗短報文通信還具備連續覆蓋、快速響應、抗干擾能力強以及設備要求低等優點，已廣泛用于交通運輸、海洋漁業等行業。對于監測點可能存在移動信號覆蓋率小、通信效果效果差以及出現極端天氣等情況，采用北斗短報文通信技術能保證監測點和終端的實時遠程通信。本設計選用易緯科技一款型號為M201的北斗短報文模塊。該模塊集成了衛星無線電測定業務（Radio Determination Satellite Service，RDSS）和衛星無線電導航業務（Radio Navigation Satellite System，RNSS），即定位和通信功能，具有外形尺寸小、收發成功率高以及功耗低等優點。北斗短報文模塊與微控器的引腳連接如圖3所示。用戶只需要控制微處理器與VEN引腳連接的GPIO引腳輸出高電平就可啟動模塊，而輸出低電平即可關閉模塊，因此該模塊通過簡單設置便可以實現遠程、無線、網絡化的北斗短報文通信。

3.4 水位傳感器

本設計選用電應普公司型號為A01的基于超聲波測距的水位傳感器。測距原理為傳感器的發射裝置向液面發射超聲波，接收裝置接收到從液面反射回來的超聲波后計算發射到接收的時間差t，則距離s=vt/2，這里v為超聲波速度。該傳感器具有測量距離長、測量精度高、防水性能好以及功耗可控等優點，且采用低電壓供電，支持通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）輸出、脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）輸出等多種輸出模式，能夠滿足不同用戶的使用需求。

3.5 溫度傳感器

對于水域的水溫監測，測量的溫度范圍小，需要傳感器具有高的測量精度，且保證能在不同水質的環境中長時間工作而不被腐蝕。因此，本設計選用Pt100熱電阻式溫度傳感器。Pt指的是鉑電阻，100指在0 ℃時鉑電阻的阻值為100 Ω。鉑電阻對溫度十分敏感，溫度上升時，電阻的阻值會迅速增加。鉑電阻相對于熱敏電阻和熱電偶，阻值與溫度的線性程度最好，測量精度高。Pt100熱電阻式溫度傳感器通常有二線制、三線制和四線制。二線制測量精度相對較低，四線制測量精度較高但成本也高。鑒于實用需求，選用三線制的Pt100熱電阻式溫度傳感器。傳感器外接MAX31865模塊，將鉑電阻的阻值變化轉化為數字量輸出。微控制器通過串口讀取數字量，按照公式換算即可求出當前的溫度值。本設計選用華北傳感器儀表的Pt100熱電阻式溫度傳感器，采用耐高溫的四氟鍍銀屏蔽線，同時金屬探頭與屏蔽線間采用加焊技術和雙道壓槽工藝密封，使傳感器整體具有較好的防水性和耐腐蝕性，且價格不高。

3.6 濁度傳感器

濁度傳感器測量的是水中懸浮顆粒的含量。傳感器內部兩側封裝有紅外對管，紅外對管的發射端正對接收端發射光線。水中懸浮顆粒的含量越高，光線的透光率越低，接收端收到的光強越低，傳感器將光強轉化為電流的大小越小。濁度傳感器將電流信號轉化為電壓信號，微控制器引腳通過采集電壓信號經內部A/D轉換處理即可獲取當前的濁度值。本設計選用型號為TS-300B的濁度傳感器。

3.7 降雨量傳感器

本設計選用的降雨量傳感器上覆有鍍鎳的導電層。傳感器外接LM393電壓比較器模塊，模塊可由3.3～5.0 V的電壓供電。當導電層上的濕度增加時，導電層的電阻減少，模塊經比較后輸出的電壓減小。微控制器引腳通過采集電壓大小經過A/D轉換處理后，即可獲取當前的降雨量。

4 結語

本設計是基于北斗短報文通信、LoRa通信以及各種水文信息監測模塊的智能水文監測系統，能提高水文數據的測量精度與效率，實現水文的遠程實時自動監測，為洪水預報、防汛指揮、水資源管理和保護等提供新的思路，具有廣闊的應用前景。