邵燦輝

（1.國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京210032；2.南京河海南自水電自動(dòng)化有限公司，南京210032）

隨著國(guó)家對(duì)北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的高度重視，使我國(guó)成為全球第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航的國(guó)家，特有的衛(wèi)星短報(bào)文通信功能也是其他導(dǎo)航衛(wèi)星所不具備的。 水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)在多數(shù)民用領(lǐng)域均取得了較大的成功，特別是在水利水文行業(yè)取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，為我國(guó)的天氣預(yù)報(bào)、防洪減災(zāi)事業(yè)做出了突出貢獻(xiàn)[1]。

在此所介紹的北斗系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器、北斗指揮機(jī)、內(nèi)嵌北斗通信模塊的遙測(cè)終端機(jī)、北斗指揮卡、北斗子卡（根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)定，該系統(tǒng)使用北斗三級(jí)卡，即北斗設(shè)備每min 只能發(fā)送1次短報(bào)文，接受短報(bào)文條數(shù)不限）組成。 該系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)用于觀測(cè)區(qū)域降雨量、水位、氣象、流量等文水要素，并且向相關(guān)部門(mén)提供實(shí)時(shí)而準(zhǔn)確的水文預(yù)報(bào)，是水利設(shè)施建設(shè)期和運(yùn)行期內(nèi)重要的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為水利設(shè)施的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了有力的判定依據(jù)。

1 系統(tǒng)基本工作原理

基于北斗通信技術(shù)的水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)組成如圖1所示。 當(dāng)該系統(tǒng)主要應(yīng)用在無(wú)手機(jī)信號(hào)，且只能通過(guò)北斗衛(wèi)星收發(fā)數(shù)據(jù)的區(qū)域，其工作流程如下：

圖1 水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)的組成Fig.1 Composition of water regime measuring and forecasting system

1）當(dāng)現(xiàn)地遙測(cè)終端機(jī)發(fā)生了定時(shí)報(bào)或者增量報(bào)時(shí)，遙測(cè)終端機(jī)將對(duì)嵌入在其內(nèi)的北斗通信模塊供電，并且延時(shí)5 s 以便北斗模塊搜索北斗衛(wèi)星波束。

2）延時(shí)5 s 后，遙測(cè)終端機(jī)內(nèi)的MCU 對(duì)北斗模塊進(jìn)行內(nèi)部通信，讀取北斗模塊的波束，如果總波束和大于6（此參數(shù)可設(shè)定），確認(rèn)為北斗模塊工作正常，能夠進(jìn)入正常通信狀態(tài)。 否則，將繼續(xù)讀取北斗波束，連續(xù)3 次，如果失敗此次發(fā)送任務(wù)失敗。

3）當(dāng)北斗模塊通信狀態(tài)就緒，MUC 通過(guò)串口向北斗模塊發(fā)送包含水文要素信息的報(bào)文，該報(bào)文發(fā)送給現(xiàn)地一體機(jī)，具有監(jiān)聽(tīng)功能的北斗指揮機(jī)同樣可以收到相同的報(bào)文數(shù)據(jù)，從而做到數(shù)據(jù)互備。北斗指揮機(jī)從收到第1 條報(bào)文開(kāi)始， 延時(shí)1 min 后利用其特有的通波功能向現(xiàn)地設(shè)備發(fā)送回復(fù)報(bào)文， 如果現(xiàn)地設(shè)備沒(méi)有收到該回復(fù)報(bào)文，現(xiàn)地北斗通信模塊連續(xù)發(fā)送報(bào)文信息3 次。

4）由于現(xiàn)地測(cè)量系統(tǒng)的供電方式是太陽(yáng)能電池供電，所以當(dāng)遙測(cè)終端機(jī)利用北斗通信模塊發(fā)送完數(shù)據(jù)后需要斷掉其電源以節(jié)省電能，現(xiàn)地設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)。

2 關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)

嵌入北斗通信模塊和GPRS 通信模塊的遙測(cè)終端機(jī)RTU（remote terminal unit）的電氣原理[3]如圖2所示。

圖2 遙測(cè)終端機(jī)的電氣原理Fig.2 Electrical schematic diagram about RTU

該裝置的MCU 選用了TI 公司最新的低功耗MSP430 芯片，內(nèi)置北斗無(wú)線通信模件和GPRS 無(wú)線通信模件各1 塊， 有線通信有RS485，RS232，USB各1 路；配備USB 通訊接口，可通過(guò)計(jì)算機(jī)及相關(guān)通訊軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)RTU 的控制、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、參數(shù)下載、數(shù)據(jù)上傳和程序更新等功能；可顯示裝置內(nèi)部溫濕度及供電電源、太陽(yáng)能發(fā)電板電壓等信息，長(zhǎng)時(shí)間無(wú)操作自動(dòng)關(guān)閉液晶功能并進(jìn)入超低功耗狀態(tài)；內(nèi)置的大容量存貯器，可存儲(chǔ)2 a 以上的雨量、水位數(shù)據(jù)，并且存儲(chǔ)時(shí)間10 a 以上。

2.1 無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度的判斷和信道選擇

水情遙測(cè)終端機(jī)的使用地點(diǎn)大多沒(méi)有移動(dòng)信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)僅有的是衛(wèi)星北斗信號(hào)[2]。 然而北斗一代短報(bào)功能的字符數(shù)有限，其有效傳輸數(shù)據(jù)量為70 多B，無(wú)法滿(mǎn)足SL651—2014 《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約》。但北斗民用版本的通信間隔是1 次每min， 而且北斗模塊在發(fā)送北斗報(bào)文時(shí)功耗很大，達(dá)到10 W。 這就需要遙測(cè)終端機(jī)能自動(dòng)地對(duì)北斗信號(hào)進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度判斷，如能滿(mǎn)足北斗信號(hào)強(qiáng)度的時(shí)候首先用北斗模塊發(fā)送報(bào)文； 如果無(wú)北斗信號(hào)則采用移動(dòng)信號(hào)。 另外，北斗傳輸?shù)囊?guī)約為本公司自行約定，上位機(jī)解析時(shí)就按照該規(guī)約進(jìn)行解析，由此保證了在地理環(huán)境惡劣的情況下的通信有效率。

針對(duì)北斗模塊的待機(jī)和工作功耗均比較大，并且北斗模塊在發(fā)送報(bào)文時(shí)的工作電流約為1.5 A。這就需要MCU 頻繁地對(duì)北斗模塊進(jìn)行供電和斷電操作。 普通的繼電器控制容易實(shí)現(xiàn)，但由于控制繼電器線圈通電動(dòng)作功耗比較大，有必要設(shè)計(jì)低功耗電路開(kāi)關(guān)。

圖3 北斗模塊電源控制電路Fig.3 Power control circuit of Beidou module

北斗模塊電源控制電路如圖3 所示。 通過(guò)2 個(gè)MOS 管的搭建電路來(lái)實(shí)現(xiàn)12 V 電源的輸出， 并且壓降只有0.4 V， 斷開(kāi)和通電時(shí)間在10 ms 之內(nèi)完成。 圖中，Q2首先被MCU 觸發(fā)導(dǎo)通，直接導(dǎo)致了Q1的導(dǎo)通，而Q1能承受最大電流為3 A，完全能滿(mǎn)足北斗模塊的工作需要。

2.2 遠(yuǎn)程無(wú)線參數(shù)修改

在水利水情裝置在前期勘探和測(cè)控時(shí)，遙測(cè)終端機(jī)的運(yùn)行參數(shù)與正式投產(chǎn)后的運(yùn)行參數(shù)肯定是不一樣的。 在漫長(zhǎng)廣闊的流域測(cè)點(diǎn)中進(jìn)行參數(shù)的更改是困難和繁瑣的，這樣必然達(dá)不到業(yè)主的要求[3]。為此需要RTU 具備無(wú)線參數(shù)修改功能，但裝置內(nèi)的無(wú)線通信模塊不能長(zhǎng)期帶電，以避免電池供電不足和充電不足的現(xiàn)象。 而本裝置利用參數(shù)修改的偶然性事件性質(zhì)，使裝置北斗模塊每天待機(jī)0.5 h，既滿(mǎn)足參數(shù)修改要求又能降低功耗。 這樣的解決方式滿(mǎn)足下載參數(shù)的要求，并且在此時(shí)間段內(nèi)業(yè)主可以實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)。

3 特殊水文要素的處理及通信流程設(shè)計(jì)

利用傳統(tǒng)GPRS 無(wú)線通信時(shí)， 現(xiàn)地設(shè)備可以對(duì)雨量的激增和水位的突變進(jìn)行實(shí)時(shí)的上送，但由于民用北斗卡發(fā)送文水信息的時(shí)間間隔為1 min[4]。 所以當(dāng)雨量增量達(dá)到設(shè)定的預(yù)報(bào)閥值時(shí)，需要實(shí)時(shí)上送雨量信息。如果按照傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)上送，假設(shè)第1次上送完，需要等待1 min 才能上送第2 次，但在1 min之間有可能發(fā)生水位突變、雨量激增等一系列需要實(shí)時(shí)上送的信息。 因此，北斗短報(bào)文上送水文信息不同于傳統(tǒng)GPRS 上送數(shù)據(jù)模式， 需要在上送邏輯和水文實(shí)時(shí)性方面進(jìn)行全方位的優(yōu)化。

考慮到極端氣象條件中的情況， 如遇特大暴雨，正常情況下15 s 降雨量為1 mm，如果設(shè)定的預(yù)報(bào)閥值為2 mm，則1 min 內(nèi)需要北斗模塊發(fā)送2 次數(shù)據(jù)，民用北斗的特性顯然難以滿(mǎn)足要求。 如果發(fā)送雨量報(bào)警，以1 min 上送1 次的頻率，可以滿(mǎn)足業(yè)主要求。 故采取了以下處理方式：

每1 min 的開(kāi)始查看雨量值， 如果降雨量大于報(bào)警閥值就直接上送，否則不上送；間隔5 min 測(cè)量1 次水位值，如果變幅超過(guò)設(shè)定值就上送，否則不上送；如果當(dāng)定時(shí)報(bào)文時(shí)間到，就將所有的水文要素一起通過(guò)北斗上送給數(shù)據(jù)中心[5]。

由于遙測(cè)終端機(jī)同時(shí)內(nèi)置有北斗一代無(wú)線通信模塊和GPRS 無(wú)線通信模塊， 并且通過(guò)北斗通信模塊或GPRS 通信模塊能將同一個(gè)報(bào)文向多個(gè)中心站有序的發(fā)送，這樣解決了數(shù)據(jù)同時(shí)上報(bào)給現(xiàn)地控制中心和集控中心的要求。 并且，這2 種無(wú)線通信方式可以進(jìn)行互備通信， 保證了在GPRS 或者北斗無(wú)信號(hào)地區(qū)的現(xiàn)地測(cè)量數(shù)據(jù)的上送。 工程的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明， 該方法保證通信有效率達(dá)到99%以上。 以北斗為主信道、GPRS 為后備信道的工作流程如圖4 所示。

4 結(jié)語(yǔ)

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在水文水利行業(yè)的應(yīng)用，不僅創(chuàng)拓展了行業(yè)的發(fā)展方向，同時(shí)也積極地響應(yīng)了國(guó)家的號(hào)召，大力支持北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)，使我國(guó)導(dǎo)航系統(tǒng)不再受制于人[6]。 基于北斗通信技術(shù)的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于四川雜谷腦、金沙江上游、云南以禮河流等流域，已累計(jì)應(yīng)用北斗相關(guān)設(shè)備200 多臺(tái)套。 在2018 年10 月金沙江堰塞湖特大險(xiǎn)情處理中，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)憑借其優(yōu)良性能為各級(jí)政府提供了實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)，保障了上下游人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，為處理該險(xiǎn)情做出了突出貢獻(xiàn)。 此外，該系統(tǒng)具有定位精度高、可靠性強(qiáng)、適用地域廣泛等特點(diǎn)， 為建設(shè)期和運(yùn)行期的水電站、庫(kù)區(qū)提供了大量的實(shí)時(shí)可靠數(shù)據(jù)。

圖4 通信流程Fig.4 Communication flow chart