戴連棟，王用紅，劉 偉，陳與非

（1. 南京市水利局，江蘇 南京 210036；

2. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012）

一種湖泊浮標(biāo)近距離無線調(diào)制解調(diào)器設(shè)計

戴連棟1，王用紅1，劉 偉2，陳與非2

（1. 南京市水利局，江蘇 南京 210036；

2. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012）

從千米級近距離通信具體要求出發(fā)，選擇低功率甚高頻無線電通信模塊，設(shè)計 1 200 bit/s 調(diào)制解調(diào)器，集成到湖泊水文監(jiān)測浮標(biāo)終端機(jī)中，完成浮標(biāo)站到岸站的遙測數(shù)據(jù)近距離傳輸，通信協(xié)議符合 CCITT-V23 標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用實(shí)踐表明通信鏈路穩(wěn)定可靠，還可以在水庫、入?？诤徒＿M(jìn)行水文水生態(tài)測驗(yàn)推廣應(yīng)用。

調(diào)制解調(diào)器；傳輸模塊；超短波通信；湖泊浮標(biāo)；近距離

0 引言

湖泊具有面積大、流態(tài)復(fù)雜等特點(diǎn)，不容易建設(shè)水文遙測站，湖泊水文自動監(jiān)測一般采用水上建站，浮標(biāo)往往成為湖泊水文的監(jiān)測手段之一。

浮標(biāo)常用于海洋監(jiān)測，參考海洋浮標(biāo)設(shè)備設(shè)計，將其小型化，研制成功直徑 1.20 m，質(zhì)量約 60 kg 的小型水文浮標(biāo)，并在江西省鄱陽湖水域成功投運(yùn)。該水文浮標(biāo)站由浮標(biāo)體、湖泊湖流傳感器組、數(shù)據(jù)采集終端機(jī)、通訊系統(tǒng)、環(huán)形太陽能電源、航標(biāo)警示燈等組成[1]。數(shù)據(jù)接收在岸站（水文站）完成，岸站與湖泊浮標(biāo)的距離小于 3 km。

目前水文遙測系統(tǒng)通信信道已經(jīng)廣泛采用GPRS、衛(wèi)星等通信手段，技術(shù)設(shè)備成熟，因產(chǎn)生運(yùn)行費(fèi)用，未被選擇為本項目湖泊浮標(biāo)到岸站的通信手段；其他近距離通信手段還有 Zigbee、藍(lán)牙等，因通信距離達(dá)不到 3 km，無法實(shí)現(xiàn)湖泊浮標(biāo)數(shù)據(jù)通信。

超短波通信在早期水文測報系統(tǒng)應(yīng)用極多，目前在水庫、水電廠等小規(guī)模水文測報系統(tǒng)還有應(yīng)用，國家無線電管理機(jī)構(gòu)已經(jīng)將 230 MHz 頻段劃歸為水文遙測專用。該超短波頻段的主要特點(diǎn)是適用視距通信，且有一定的繞射能力，因此本項目采用低功率超短波甚高頻無線通信模塊，設(shè)計 1 200 bit/s 調(diào)制解調(diào)器，完成岸站與湖泊浮標(biāo)近距離無線傳輸。

1 硬件結(jié)構(gòu)

常規(guī)水文遙測系統(tǒng)超短波通信以 230 MHz 頻段為數(shù)傳頻段，收發(fā)信機(jī)載波發(fā)射功率為 10～25 W，以 300 bit/s 傳輸速率傳輸水情遙測數(shù)據(jù)，終端機(jī)數(shù)據(jù)副載波產(chǎn)生的代表器件為 MC145442，副載波頻率分別為 980 和 1180 Hz，分別代表數(shù)字信號“0”和“1”[2]，引用的國際標(biāo)準(zhǔn)為 CCITT V2.1。

在常規(guī)超短波通信的基礎(chǔ)上，為了提升數(shù)傳通信速率，采用集成芯片 MSM7512 作為關(guān)鍵器件，研發(fā) MD-1200A 通信模塊。MD-1200A 通信模塊基于MSM7512 單片副載波發(fā)生器和解調(diào)器，內(nèi)部嵌入了CCITT V2.3 標(biāo)準(zhǔn)，通信速率可提高到 V2.1 的 4 倍，因距離近，收發(fā)信機(jī)發(fā)信功率可降低到 1.0 W 內(nèi)（實(shí)際運(yùn)用時 0.1～1.0 W 可編程設(shè)置）。

湖泊浮標(biāo)體內(nèi)置小型遙測終端機(jī) RTU，RTU包含處理器，值守電源電路、湖流傳感器組接口、GPS 定位接口系統(tǒng)和通訊電路等。主控芯片采用 S12雙核微處理器芯片，該芯片為軍用級芯片，工作溫度范圍寬，可靠性高[3-4]。通信電路采用內(nèi)置 MD-1200A 模塊的方式，與主控芯片為 TTL 通信方式，浮標(biāo) RTU 結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

MSM7512B 是一種低成本內(nèi)置式調(diào)制解調(diào)器芯片，特點(diǎn)如下：1）單電源工作，低功耗，工作模式時功耗為 25.0 mW（典型值），掉電模式時功耗為0.1 mW（最大值）；2）具有片內(nèi)回音消除電路，大大簡化了外圍電路；3）具有載波檢測和自環(huán)測試功能；4）采用 3.579 545 MHz 振蕩器進(jìn)行同步；5）數(shù)據(jù)接口與 TTL 電平兼容。

圖1 浮標(biāo) RTU 結(jié)構(gòu)圖

調(diào)制解調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示，連接控制電路如圖3 所示。

圖2 調(diào)制解調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)

圖3 調(diào)制解調(diào)器連接控制電路

依據(jù) CCITT V2.3 通信標(biāo)準(zhǔn)，MSM7512B 芯片將需要傳輸?shù)臄?shù)字信號經(jīng)過調(diào)制后，形成“1 300 Hz”和“2 100 Hz”的副載波模擬信號組合，該模擬信號通過小功率無線收發(fā)信機(jī)調(diào)制到 230 MHz 高頻載波上發(fā)射出去。接收方通過無線接收模塊接收高頻信號，接收到的高頻信號被解調(diào)成相應(yīng)的“1300 Hz”和“2100 Hz”FM 模擬信號，再通過 MSM7512B 芯片解調(diào)出對應(yīng)的數(shù)字信號進(jìn)入接收計算機(jī)。

調(diào)制解調(diào)器工作模式有 4 種，通過的 MOD1和MOD2端子進(jìn)行控制[5]，工作狀態(tài)如表1 所示。

表1 工作模式

浮標(biāo) RTU 將調(diào)制解調(diào)器同數(shù)字接口連接，加上少量的外圍控制電路，研發(fā)出 MD-1200A 通信模塊，做到了微型化，集成在 RTU 主板上，也可以單獨(dú)置于收發(fā)信機(jī)中。

2 軟件設(shè)計

因數(shù)據(jù)傳輸速率固定 1200 bit/s，故在 S12 雙核微處理器芯片初始化程序中將數(shù)據(jù)通信波特率發(fā)生器寄存器設(shè)置為 1 200。

2.1 浮標(biāo) RTU 嵌入式軟件工作流程

浮標(biāo)系統(tǒng) RTU 嵌入式軟件工作流程包括 RTU初始化，數(shù)據(jù)采集與計算，數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

每次工作時首先對芯片、時鐘模塊、通信模塊初始化，數(shù)據(jù)采集完成后發(fā)送定時報文，為達(dá)到低功耗（降低靜態(tài)值守電流），程序需要定時控制開關(guān)機(jī)。浮標(biāo)系統(tǒng)主工作流程如圖4 所示。

圖4 浮標(biāo)系統(tǒng)主工作流程

遠(yuǎn)程修改參數(shù)包括修改系統(tǒng)基本配置、運(yùn)行參數(shù)，設(shè)置系統(tǒng)時間和恢復(fù)出廠設(shè)置等。

2.2 浮標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

系統(tǒng)采用的通訊協(xié)議符合水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水文監(jiān)測數(shù)據(jù)通訊規(guī)約》。采用 HEX/BCD 編碼方式，便于日后系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)整合；報文傳輸規(guī)約是適用于本項目水文浮標(biāo)遙測站與中心站之間的近距離數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議規(guī)定[6]。

報文分為上行和下行報文，報文正文結(jié)構(gòu)如表2和 3 所示。

表2 上行報文幀結(jié)構(gòu)框架

表3 下行報文幀結(jié)構(gòu)框架

3 應(yīng)用實(shí)例

本項目實(shí)施地點(diǎn)在江西省鄱陽湖棠蔭水文站所轄水面，水文站東面 3 km 處為贛江南支、中支、和信江、撫河、饒河匯合后形成的鄱陽湖東水道，水量占 5 河入水總量的 55%。因其獨(dú)特的地理位置和極好的水文、生態(tài)、氣象代表性，是開展鄱陽湖水文監(jiān)測實(shí)驗(yàn)研究的理想場所。

3.1 浮標(biāo)裝置

水文監(jiān)測浮標(biāo)實(shí)際投放地點(diǎn)距水文站直線距離小于 3 km，屬于視距通信，浮標(biāo)實(shí)物如圖5 所示。

圖5 鄱陽湖水文浮標(biāo)監(jiān)測站

浮標(biāo)站將水文監(jiān)測傳感器、數(shù)據(jù)采集終端和近距離通信設(shè)備進(jìn)行技術(shù)集成，轉(zhuǎn)化為湖泊水文水上監(jiān)測一體化應(yīng)用平臺。具體設(shè)置如下：

1）浮標(biāo) RTU 處理器。采用 Freescale 雙核微型處理器。

2）數(shù)據(jù)接口。通用化為數(shù)字串口和模擬接口，適應(yīng)多種湖泊水文在線監(jiān)測傳感器；監(jiān)測參數(shù)在浮標(biāo)上完成采集和傳輸 。

3）浮標(biāo)定位。GPS 接收器位置定位。

4）傳感器。湖流參數(shù)監(jiān)測傳感器，可根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測需要配置其他湖泊參數(shù)自動監(jiān)測傳感器。

3.2 浮標(biāo)數(shù)據(jù)通信效果

超短波通信數(shù)據(jù)量小，通信時間短，基于MSM7512B 調(diào)制解調(diào)芯片，MD-1200A 通信模塊有效利用了超短波的特性，平時將收發(fā)信機(jī)關(guān)閉，需要傳輸數(shù)據(jù)時將發(fā)射機(jī)打開傳輸短報文，中心站通過超短波收發(fā)信機(jī)接收數(shù)據(jù)。表4 為 2013年8月27日運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以看出數(shù)據(jù)連續(xù)性好，證明通信模塊運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

參照國家防汛指揮系統(tǒng)水情分中心項目建設(shè)測試方法，連續(xù)統(tǒng)計了 2 周時間的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明浮標(biāo)數(shù)據(jù)暢通率為 99.7%，大于 95% 的指標(biāo)要求。

表4 2013年8月27日運(yùn)行數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

通過近距離超短波通信 MD-1200A 通信模塊的研發(fā)，使湖泊水文浮標(biāo)站實(shí)現(xiàn)了測驗(yàn)和近距離報訊實(shí)用化，汛期運(yùn)行實(shí)踐證明其能抗水上惡劣環(huán)境，工作可靠。

原先的湖泊水文檢測采用人工測驗(yàn)，動用水文測船，惡劣天氣和夜間無法施測。采用安裝有 MD-1200A 通信模塊的湖泊水文浮標(biāo)站，可使浮標(biāo)測驗(yàn)實(shí)現(xiàn)采集傳輸自動化，解決了人工測驗(yàn)需要測船下湖的實(shí)際困難，數(shù)據(jù)的連續(xù)性也遠(yuǎn)高于人工湖流測驗(yàn)。

集成的水文浮標(biāo)裝置體積小、重量輕，運(yùn)輸容易、安裝快捷，具有現(xiàn)場快速安裝、投運(yùn)的特點(diǎn)，不僅滿足湖泊湖流測驗(yàn)應(yīng)用，還可以在水庫、入?？诤徒＿M(jìn)行水文水生態(tài)測驗(yàn)推廣應(yīng)用。

[1] 劉偉，王吉星. 水文浮標(biāo)站應(yīng)急監(jiān)測裝置設(shè)計與開發(fā)[J].水利信息化，2013 (2): 29-32.

[2] 水利部水利信息中心. 水文自動測報系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范 SL61-2003[S]. 北京：中國水利水電出版社，2003: 16-17.

[3] 邵貝貝，宮輝. 嵌入式系統(tǒng)中的雙核技術(shù)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008: 2-12.

[4] 孫同景，陳桂友. Freescale 9S12 十六位單片機(jī)原理及嵌入式開發(fā)技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008: 1-24.

[5] OKI. OKI Semiconduct MSM7512B 1200 bps FSK MODEMITU-T V.23 [R]. OKI, 2006: 3-5.

[6] 水利部水利信息中心. 水文監(jiān)測數(shù)據(jù)通訊規(guī)約[EB/OL]. [2013-11-11]. http://www.watertesting.cn/UploadFiles/ 201311116111.pdf.

Designing of Wireless Transmission Module at Short Range Used in Lake Buoys

DAI Liandong1, WANG Yonghong1, LIU Wei2, CHEN Yufei2
(1. Nanjing Water Conservancy Bureau，Nanjing 210036, China；
2. Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China)

From specific requirements of short range communication at kilometer level, it choices low-power VHF radio communication module, designs 1200 bit/s modem, integrates into a lake hydrological monitoring buoy terminal, and completes telemetry data transmission from buoys close to shore station. The communication protocol agreement conforms to CCITT-V23 standard. The application practice shows that communication links are reliable, and the system can be spreaded in reservoirs, estuaries and coastal hydrological aquatic ecosystems.

modulator-demodulator; transport module; ultrashort wave communication; lake buoys; short range

TN915.05

A

1674-9405(2014)01-0039-04

2013-12-04

水利部科技推廣計劃項目“水文浮標(biāo)站應(yīng)急監(jiān)測裝置的推廣應(yīng)用”（TG1122）

戴連棟（1975－），男，江蘇興化人，碩士，從事防汛抗旱調(diào)度與水利工程管理工作。