李政清,關(guān)曉磊

(1.三亞學(xué)院 理工學(xué)院, 三亞 570200；2.北京航天科工世紀(jì)衛(wèi)星科技有限公司)

基于北斗RDSS的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)*

李政清,關(guān)曉磊

(1.三亞學(xué)院 理工學(xué)院, 三亞 570200；2.北京航天科工世紀(jì)衛(wèi)星科技有限公司)

摘要:偏遠(yuǎn)地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警事關(guān)人民安居樂(lè)業(yè)，由此提出了基于北斗衛(wèi)星RDSS的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)偏遠(yuǎn)地區(qū)的地動(dòng)、溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，合成環(huán)境綜合數(shù)據(jù)，通過(guò)北斗短報(bào)文通道及時(shí)反饋到國(guó)家監(jiān)測(cè)部門(mén)，提供及時(shí)的環(huán)境狀況信息。經(jīng)實(shí)地測(cè)試，系統(tǒng)可準(zhǔn)確測(cè)得設(shè)計(jì)參數(shù)，精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞:北斗RDSS；環(huán)境監(jiān)測(cè)；遠(yuǎn)程預(yù)警

引言

我國(guó)是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，交通、水利及資源開(kāi)發(fā)等工程項(xiàng)目的大量實(shí)施以及自然環(huán)境變化影響造成的災(zāi)害大量增加，嚴(yán)重制約著區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。但目前災(zāi)害監(jiān)測(cè)存在兩個(gè)問(wèn)題：一是地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大部分都是局部小范圍且以人工監(jiān)測(cè)為主；二是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的通信技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)的無(wú)縫覆蓋，可靠性與安全性也難以得到保障。

國(guó)際上，只有荷蘭、美國(guó)、日本等國(guó)家在環(huán)境災(zāi)害遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)、控制、傳輸方面居于領(lǐng)先水平[1]。同時(shí)，我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)覆蓋我國(guó)領(lǐng)土及周邊地區(qū)，具備定位功能，安全、可靠、保密性強(qiáng)，適合關(guān)鍵部門(mén)應(yīng)用，其短信通信功能是GPS所不具備的，可以作為常規(guī)通信方式的補(bǔ)充。因此，本文設(shè)計(jì)了基于北斗RDSS(Radio Determination Satellite System)的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

1系統(tǒng)原理

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自行研制、自行建設(shè)、自行管理并具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由空間衛(wèi)星、地面中心站和用戶終端三部分組成(如圖1所示)，具有快速定位、雙向通信和精密授時(shí)三大功能。

圖1　北斗導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

北斗短報(bào)文通信技術(shù)是指北斗衛(wèi)星終端和北斗衛(wèi)星或北斗地面服務(wù)站之間能夠直接通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行雙向的信息傳遞，傳遞效率高、覆蓋面廣、組網(wǎng)靈活、不易受環(huán)境影響，比如在普通移動(dòng)通信信號(hào)不能覆蓋的情況下，北斗終端就可以通過(guò)短報(bào)文進(jìn)行緊急通信，適合遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警的情況。該終端系統(tǒng)由傳感器采集模塊、信號(hào)處理控制模塊、通信定位模塊構(gòu)成，系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)原理框圖

傳感器采集模塊包括溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)速傳感器和三軸加速度傳感器。其中溫度、濕度傳感器模塊主要采集參考點(diǎn)的溫濕度數(shù)字信號(hào)，當(dāng)測(cè)得溫濕度超出設(shè)定界限時(shí)進(jìn)行報(bào)警，提示惡劣環(huán)境的出現(xiàn)；風(fēng)速傳感器可連續(xù)監(jiān)測(cè)參考點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)量；三軸加速度傳感器用于測(cè)量地表的運(yùn)動(dòng)情況，得到地動(dòng)系數(shù)；GPS用于獲得位置信息。

傳感器采集數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路、ADC，采用STM32F107FV微控制器。由于北斗RDSS是主動(dòng)定位系統(tǒng)，在北斗二代中主要用于數(shù)據(jù)的傳輸，在這里可以將傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)打包壓縮傳送至后端監(jiān)控主機(jī)，顯示環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)量、地動(dòng)系數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2硬件組成

2.1傳感器采集模塊

(1) 溫度傳感器

其采用不銹鋼金屬外殼封裝，內(nèi)部填充絕緣導(dǎo)熱材料密封，具有體積小巧、反應(yīng)靈敏、防水抗震的特點(diǎn)，最大測(cè)溫范圍為-200～400 ℃，可廣泛用于環(huán)境溫度、氣體溫度、液體溫度、物體表面溫度等各種類型的溫度測(cè)量。

(2) 濕度傳感器

由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)通常環(huán)境較為復(fù)雜，易受到塵土、油污及有害氣體的影響，電容式濕敏元件穩(wěn)定性差的特點(diǎn)不利于長(zhǎng)期使用，故采用氯化鋰濕敏電阻。其精度較高，受溫度影響小，抗腐蝕能力強(qiáng)，具有良好的線性度及一致性長(zhǎng)期穩(wěn)定性強(qiáng)，是其他感濕材料無(wú)法取代的優(yōu)勢(shì)。圖3為濕敏元件電路。

圖3　濕敏元件電路

(3) 三軸加速度傳感器

利用微型電容式三軸加速度傳感器MMA7260芯片，利用其設(shè)計(jì)穩(wěn)定、防震能力強(qiáng)的特點(diǎn)對(duì)運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行檢測(cè)。其采用信號(hào)調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù)，可在4個(gè)靈敏度(±1.5g/2g/4g/6g)中選擇，還帶有低通濾波并做0g補(bǔ)償，且功耗低，工作時(shí)電流為500 μA，休眠模式下為3 μA，是電池供電的無(wú)線數(shù)據(jù)采集的理想之選。

(4) 風(fēng)速傳感器

要求風(fēng)速傳感器具有防腐、防侵蝕、抗雷擊的特點(diǎn)，且工作溫度范圍廣，故采用PH100SX風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其工作可靠、動(dòng)態(tài)性能良好，滿足野外惡劣環(huán)境的需要。

2.2通信模塊

北斗衛(wèi)星模塊UM330是基于多系統(tǒng)、多頻率、高性能的SoC芯片，采用單芯片接收機(jī)方案，同時(shí)支持BD1基帶以及BD2/GPS基帶和射頻，實(shí)現(xiàn)更高的集成度和更低的功耗，支持短報(bào)文收發(fā)[2]。

用戶一次最大可以傳送120個(gè)漢字的報(bào)文信息，而民用信息發(fā)送的頻度通常為30～60 s。系統(tǒng)接收載波頻率S波段(1.55～3.4 GHz)，發(fā)射載波頻率為L(zhǎng)波段(1～2 GHz)，由于強(qiáng)降雨、雪、霧等惡劣天氣引起的信號(hào)衰減效應(yīng)在此頻段范圍內(nèi)非常小，因此可以充分保證系統(tǒng)的信號(hào)傳輸不受雨衰效應(yīng)的影響。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析，北斗短報(bào)文通信單數(shù)據(jù)包的傳輸成功率為95.5%，平均傳輸延時(shí)為3.8 s[3]。

2.3控制模塊

作為主控芯片選擇STM32F107FV(以下簡(jiǎn)稱STM32)微控制器，主要考慮兩個(gè)方面：一方面是功耗水平。STM32可以在2 V供電的情況下運(yùn)行，在所有設(shè)備同時(shí)打開(kāi)且運(yùn)行在滿速72 MHz主頻時(shí)，最大電流為36 mA，在Cortex-M3內(nèi)核的低功耗模式，僅有2 μA的電流。當(dāng)外部振蕩器處在待啟動(dòng)狀態(tài)，使用內(nèi)部8 MHz的RC振蕩器也可迅速退出低功耗模式。這種快速進(jìn)出低功耗模式的特性，進(jìn)一步降低了整體的功耗，同時(shí)，微控制器仍然可以保持器件的整體高性能，非常適合野外環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間采集需要。另一方面是器件精度的要求。由于系統(tǒng)所處環(huán)境變化無(wú)常，要求器件穩(wěn)定性要好，出于可靠性的考慮，STM32配備一個(gè)低電壓檢測(cè)器、一個(gè)時(shí)鐘安全管理系統(tǒng)和兩個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，以支持對(duì)可靠性的高度要求。時(shí)鐘管理系統(tǒng)可以檢測(cè)到外部主振蕩器的失效，并隨即安全地將STM32內(nèi)部8 MHz的RC振蕩器切換為主時(shí)鐘源。兩個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器中的一個(gè)稱為窗口看門(mén)狗，必須在事先定義好的時(shí)間上下限到達(dá)之前刷新，如果過(guò)早或過(guò)晚，將會(huì)觸發(fā)窗口看門(mén)狗復(fù)位。第二個(gè)看門(mén)狗為獨(dú)立看門(mén)狗，使用外部振蕩器驅(qū)動(dòng)，該振蕩器與主系統(tǒng)時(shí)鐘相互獨(dú)立，即使主系統(tǒng)時(shí)鐘崩潰，獨(dú)立看門(mén)狗也能繼續(xù)工作，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3程序設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集是通過(guò)主程序定時(shí)周期性地調(diào)用采集程序模塊來(lái)完成，每隔30 s主程序調(diào)用一次采集程序，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于存儲(chǔ)區(qū)，等待傳輸模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，數(shù)據(jù)采集程序的流程圖如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)采集程序流程圖

4測(cè)試結(jié)果

圖5為測(cè)試時(shí)系統(tǒng)地動(dòng)系數(shù)值，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為地表物質(zhì)移動(dòng)距離。

圖5　地動(dòng)系數(shù)值

從上述測(cè)試結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確獲得地動(dòng)參數(shù)，符合設(shè)計(jì)精度要求，結(jié)合北斗RDSS服務(wù)能夠達(dá)到環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 周平根，過(guò)靜珺，李昂，等.基于“北斗一號(hào)”導(dǎo)航衛(wèi)星通訊的滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].全球定位系統(tǒng)，2008(5)：20-23.

[2] 吳悅，任濤，王璇.基于北斗短報(bào)文的泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與儀表，2014(3)：19-22.

[3] 谷軍霞，王春芳，宋之光.北斗短報(bào)文通信信道性能測(cè)試與統(tǒng)計(jì)分析[J].氣象科技，2015，43(3)：45-46.

李政清(碩士)，主要從事測(cè)控技術(shù)與儀器方面的研究。

結(jié)語(yǔ)

在過(guò)去20年內(nèi)，ARM已然成為移動(dòng)變革的核心。從早期的2G手機(jī)到3G再到LTE，已經(jīng)有超過(guò)200億手機(jī)采用了ARM技術(shù)，ARM是蜂窩式調(diào)制解調(diào)器的核心。

除了諸如電子郵件、新聞和社交媒體等信息化服務(wù)之外，人們則傾向于更復(fù)雜的使用案例，覆蓋到日常生活的方方面面(如健康、福利、醫(yī)療等)。即使這些設(shè)備的形狀因數(shù)已經(jīng)開(kāi)始改變并打破了傳統(tǒng)智能手機(jī)的限制，新的應(yīng)用(如可穿戴設(shè)備)已經(jīng)與我們的日常生活無(wú)縫銜接。

未來(lái)對(duì)服務(wù)的更多需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。如何更有效地利用無(wú)線頻譜是至關(guān)重要的，這將推進(jìn)5G無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展。增加移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的容量，可以讓移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不僅服務(wù)于更多的用戶，并且在物聯(lián)網(wǎng)的推動(dòng)下，也服務(wù)于更多的“事件”或物體。通過(guò)更高效地使用和監(jiān)控資源實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)、通過(guò)遠(yuǎn)程醫(yī)療實(shí)現(xiàn)普遍醫(yī)療保健或?qū)崿F(xiàn)汽車(chē)聯(lián)網(wǎng)，這些只是持續(xù)移動(dòng)變革所帶來(lái)的諸多益處中的幾個(gè)。

Environmental Remote Monitoring and Early-warning System Based on Beidou RDSS

Li Zhengqing1,Guan Xiaolei2

(1.College of Science and Engineering,Sanya University,Sanya 570200,China;2.Beijing Aerospace Science and Industry Century Satellite Technology Corporation Ltd)

Abstract：The environmental monitoring and early warning in the remote areas relates to people live and work,so the environmental monitoring and early warning system based on Beidou RDSS is proposed,which is used to monitor the earth motion,temperature,humidity,wind speed and other environmental data.After data analysis,the data will be integrated into synthetic environmental data and be transmitted to the national testing department by Beidou’s short-message channel to provide timely information of the environmental conditions.At last,the field test results show that the system can accurately test design parameters,which meets the required precision.

Key words:Beidou RDSS;environmental monitoring;remote early warning

* 基金項(xiàng)目：三亞學(xué)院科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：XYQN14-06)。

中圖分類號(hào):TN98

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

收稿日期：(責(zé)任編輯：楊迪娜2015-11-23) (責(zé)任編輯：薛士然2016-04-15)