一種基于地面和衛星物聯網融合的智慧水利系統設計

作者簡介：盧向雨（1987—），男，高級工程師，碩士；研究方向：衛星通信。

摘要：水利信息化是水利高質量發展的重要途徑之一，而通信設備和通信網絡是智慧水利中不可缺少部分。通過智慧水利需求分析，文章提出了一種衛星和地面物聯網融合的水利監測系統。水利信息通過衛星或地面網絡傳遞到應用中心進行融合處理，然后轉入相應的業務系統。文中給出了多模終端的國產化設計方案及優化的節能流程。

關鍵詞：智慧水利；衛星物聯網；地面物聯網；信息融合；多模智能終端

中圖分類號：TP14文獻標志碼：A文獻標志碼

0引言

水是一切生命的源泉，是人類生活和生產活動中必不可少的物質。在人類社會的生存和發展中，人們需要不斷地適應、利用、改造和保護水環境。水利是指人類為了生存和發展的需要，采取各種措施，對自然界的水和水域進行控制和調配，以防治水旱災害，開發利用和保護水資源。水利事業隨著社會生產力的發展而不斷發展，成為人類社會文明和經濟發展的重要支柱。智慧水利建設是實現新階段水利高質量發展的重要路徑之一，以數字化、網絡化、智能化為主線，加強物聯網、遙感、人工智能、5G等技術與水利業務深度融合，構建具有預報、預警功能的智慧水利體系［1-3］。

但是，海洋、河流、湖泊等相關水利工程大多數遠離居民區，采集樣點間隔距離較遠，傳輸數據所用的光纖、有線網絡鋪設費用高，地面無線通信網絡覆蓋率低，無法滿足采集數據的回傳需求。衛星通信無需建設多個信號塔，不受地形地貌影響，能夠隨時隨地遠距離傳輸信息，進行跨地域數據交互，不僅可以實現數據采集，還能實現多區域數據共享［4］。針對水利大范圍部署時無人值守、長續航、信號覆蓋弱等特點和需求，本文設計了一款天通衛星和地面物聯網雙模數據傳輸系統，通過低功耗的器件選型、硬件設計、軟件流程設計和通信方式優化，實現了全天候、全地形的水文監測。多模式終端可根據所在區域的信號覆蓋情況，靈活地選擇天通衛星模式或地面模式將采集到的數據傳送至系統應用中心。

1系統整體設計

11系統需求分析

智慧水利系統除了對采集點傳感器智能化要求較高外，對通信網絡也有較高要求。

（1）自主可控。水利建設須具有高安全性、穩定性和可控性等，能夠有效防止非法接入、破壞性攻擊、數據盜取等行為，因此系統需要采用具有自主知識產權的國產衛星移動系統、移動網絡作為傳輸網絡。

（2）易于使用和管理。系統使用通信網絡時無需搭建復雜設備，即可實現網絡接入和數據提取，無需維護通信網絡，從而降低整體建設成本。

（3）多模式融合。通信網絡是系統數據賴以傳輸的基礎，多網融合模式具有較高的冗余性和可靠性，能夠有效提高數據傳輸成功率。

12系統設計

通過上述分析，本文設計了一種星地融合通信網絡的水利監測系統［5］。其中，數據采集側主要包括各類傳感器、多模智能終端；信息傳輸網絡包括天通衛星、天通信關站、地面移動網絡、互聯網等；應用中心包括物聯網處理平臺、業務服務器等。系統組成如圖1所示。

天通信關站是天通民用通信網絡的管控中心和業務交換處理中心，由中國電信運營。地面移動網絡是國內移動通信運營商已建成的系統，完成多模智能終端的地面物聯網模式的數據傳輸。多模智能終端為樣點采集側的數據傳輸設備，具有地面物聯網模式和天通衛星模式，能夠將連接在該設備上的各種傳感器采集到的數據轉發到地面移動通信網絡或天通衛星網絡。應用中心包括物聯網處理平臺和業務處理中心，負責接收來自天通衛星網或地面移動通信網的數據，進行冗余化處理，然后根據不同的信息類別轉發到不同的業務服務器，由其進行后續處理和用戶展示，系統架構如圖2所示。

2業務流程

21天通物聯網業務流程

天通物聯網模式業務流程如圖3所示。

業務通信具體過程如下。

（1）傳感器完成數據采集后，把數據轉發到多模智能終端；終端收到傳感器數據后，選擇天通衛星模式進行幀格式封裝，然后通過天通衛星模塊及天線發送到無線鏈路。

（2）天通衛星收到來自終端的無線信號后，進行透明轉發，通過衛星系統饋電鏈路發送到天通信關站。

（3）天通信關站收到無線信號后進行解調、幀格式處理、內容解析，然后通過信關站的短信SP服務把業務內容轉發到本系統應用中心的物聯網處理平臺。

（4）物聯網處理平臺中的衛星接入網關收到天通數據后進行解析及轉譯，把數據轉發到信息融合處理單元；信息融合處理單元根據數據庫中存儲的數據判斷是否從互聯網接入網關已經收到該條數據，進行冗余處理，然后根據應用類型將數據轉發到應用中心的不同業務服務器。

22地面物聯網業務流程

業務通信具體流程如下。

（1）多模智能終端收到傳感器數據后，選擇地面網模式進行幀封裝，然后通過地面物聯網模塊發送到無線信道。

（2）通過互聯網，地面網基站把來自多模智能終端的信息轉發到物聯網處理平臺中的互聯網接入網關。

（3）信息融合處理單元接收來自互聯網接入網關的信息，根據數據庫中存儲的信息判斷是否已經通過天通系統收到，然后進行冗余處理，最后根據數據類型轉發到不同的業務服務器。

3終端設計

31硬件設計

天通衛星和地面網絡一體化的多模智能終端以主控芯片為控制中心，外圍連接雷達流速儀、雨量傳感器、超聲波液位計、百葉箱傳感器等，并通過串口連接天通衛星模組和地面網模組。硬件連接如圖5所示。

311主控芯片

主控芯片采用意法半導體STM32單片機芯片，其特點為超低工作功耗和待機功耗；芯片具有豐富的外圍接口，包括I2C/UART/CAN/SPI等，能夠滿足多類傳感器外設通信需求；芯片內含最高512kBFLASH和128kBSRAM存儲器，支持外擴SPI接口形式存儲器；其自身包含RTC定時器［6］。

312天通衛星模組

SIOTM0115是我國自主研發的天通衛星物聯網模組，支持天通物聯網通信模式，其優點為衛星信號覆蓋范圍廣，可以在沒有地面信號的地區使用衛星進行突發數據傳輸；模組集成度高，無需額外的射頻前端設計，可搭配高增益全向無源天線實現隨時通信的功能［7］。SIOTM0115從功能上可分為基帶單元、射頻單元、電源處理和接口單元，構成如圖6所示。

MSC02A是一款用于衛星通信的基帶芯片，采用雙核架構，包含1個ARM9和1個ZSP540處理器內核，支持USB20HS，支持2個SIM卡、2個SDMMC卡接口，可外接SDRAM和靜態存儲器，擁有1個NFC接口，可外接NandFlash。MSR01B是一款支持基于移動衛星通信系統設計的高集成度的射頻收發器芯片。該芯片只需要配置SAW濾波器、VCTCXO、PA、LNA等很少的外圍配套單元就可以實現天線到基帶芯片的完整解決方案。M.2接口提供模塊對外的物理上的連接，其中包括電源輸入、通信接口、控制信號和調試接口等。

313電源管理單元

電源管理單元的功能主要將供電的鋰電池電壓通過DCDC或LDO等方式轉換為適合主控芯片和通信模組、傳感器正常工作需要的電壓。此外，由于部分模組和傳感器工作功耗較高，因此在必要時主控芯片會根據工作場景來進行供電控制；電源管理芯片還可以通過終端上選裝的太陽能充電面板，來實現對電池的充電管理。

32軟件設計

321主控軟件設計

根據傳感器的通信接口類型和數據采集方式以及天通衛星模組和地面網模組的控制協議，結合主控芯片的工作狀態，將主控芯片軟件進行功能模塊劃分，其組成如圖7所示。

按照軟件功能模塊的不同作用，將主控軟件劃分為驅動層、硬件抽象層和應用業務層。其中，驅動層主要完成主控芯片與外部設備通信接口的驅動功能，包含串口驅動、I2C驅動和RTC驅動等；硬件抽象層包含各個外部設備和模塊的軟件抽象模塊，通過調用驅動層接口，將設備訪問和控制抽象為API函數，屏蔽了底層的硬件操作細節，便于應用業務層的相關模塊進行本地調用；應用業務層用于終端整機的上層應用流程控制，通過用戶遠程配置參數，完成終端整機的周期性數據采集、數據識別、環境信息上報等功能。

322低功耗設計

主控芯片支持工作模式下降頻運行，支持低功耗休眠和RTC定時喚醒。因此，終端的工作狀態可分為周期采集態、緊急采集態、數據通信態和休眠態。其狀態跳轉過程如圖8所示。

主控芯片工作流程如下。

（1）開機工作后，主控芯片通過獲取存儲配置信息來設置RTC定時器，然后進入低功耗休眠態。

（2）當定時器超時喚醒芯片后，主控芯片配置電源管理芯片為各類傳感器上電，然后啟動環境信息采集。

（3）當環境信息采集完成后，主控芯片對各傳感信息進行分析和識別，如果數據正常，則繼續進入休眠態，等待下一次喚醒。

（4）當周期采集時，若主控芯片識別到數據可能存在異常，則切換到緊急采集態，控制電源管理芯片為傳感器上電，使其開始采集各類水文信息。

（5）緊急采集態下全部采集信息完成后，主控芯片首先為地面網模組加電使其入網，嘗試通過其網絡將信息傳輸到應用中心。如果在設定時間內信息傳輸失敗，則主控芯片啟動天通衛星模組，將傳感信息通過天通物聯網模式發送到應用中心。

（6）數據傳輸完成后，如果用戶沒有下發新的配置，主控芯片則繼續回到緊急采集態，繼續采集信息并上報。

（7）如果主控芯片接收到用戶配置，則根據用戶指令繼續工作或進入低功耗休眠態，等待下次喚醒后進行周期性采集。

（8）在休眠態喚醒后，根據存儲配置信息，主控芯片將周期性地啟動通信模組，以獲取用戶的操作指令，完成周期性心跳上報或狀態信息上報，接收用戶配置信息。

4結語

本設計采用衛星通信與地面物聯網融合的方式傳輸傳感器數據，充分發揮不同系統的優勢，能夠在無地面網絡覆蓋區域實現大范圍、遠距離信息采集，為水利監測和工程建設提供支撐和保障。衛星傳輸具有方式簡單、可靠且便于擴展等優點；地面物聯網技術成熟，實現成本低，兩者有效結合提高了系統可靠性和穩定性。

參考文獻

［1］陳杰.水利綜合智能監測平臺的設計與應用［J］.江西水利科技，2023（4）：296-299.

［2］方佳琳，葉勇.智慧水利物聯管護系統的建設與應用［J］.浙江水利科技，2023（4）：55-58.

［3］管菁菁，吳秋明，秦平，等.面向智慧水利的水行政執法綜合管理平臺設計［J］.水利技術監督，2023（9）：32-37.

［4］廉長亮，王星妍.衛星移動通信系統的組成與應用分析［J］.集成電路應用，2023（4）：309-311.

［5］黃華，蘇兆景，林奕霖.基于5G+AI智慧水利融合網關的設計與應用［J］.機電工程技術，2023（7）：259-262.

［6］肖鑫海，王庭有.基于STM32的環境監測系統設計［J］.化工自動化及儀表，2023（1）：33-36，81.

［7］舒然.基于北斗和衛星移動通信的多模終端設計［J］.信息系統工程，2023（12）：86-89.

（編輯王永超）