李 和 汪淑賢

（1.桂林師范高等專科學(xué)校，廣西 桂林 541199；2.桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

我國(guó)疆域廣闊，河流眾多，降雨分布不均，是世界上受洪澇災(zāi)害影響最嚴(yán)重的國(guó)家之一[1]。受世界氣候變化的影響，近年來洪澇災(zāi)害日趨嚴(yán)重，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大威脅，直接影響著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，針對(duì)地形、地域和氣候等復(fù)雜條件，建立覆蓋主要江河湖泊的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，快速精準(zhǔn)的采集和傳輸雨情、水情等各類災(zāi)情信息，保障防災(zāi)抗災(zāi)信息傳達(dá)，可最大限度地減少洪澇災(zāi)害損失[2]。但目前市面上的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在測(cè)量精度低、報(bào)汛不及時(shí)、限制性大等缺點(diǎn)，特別是在邊遠(yuǎn)山區(qū)移動(dòng)信號(hào)失效時(shí)，無(wú)法提供準(zhǔn)確可靠的水文變化數(shù)據(jù)，無(wú)法解決山洪暴發(fā)等洪澇災(zāi)害所帶來的影響。本文基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位及短報(bào)文通信功能應(yīng)用，設(shè)計(jì)一款山區(qū)水文信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用一系列傳感器采集水文環(huán)境信息，采用北斗定位模塊獲取水文的位置信息，通過北斗通信模塊將水文位置和環(huán)境信息發(fā)送至監(jiān)控中心。本系統(tǒng)利用北斗系統(tǒng)進(jìn)行定位和數(shù)據(jù)傳輸，不受地點(diǎn)、外界條件限制，在發(fā)生地震、洪澇等自然災(zāi)害時(shí)，依然穩(wěn)定可靠。

1 水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

基于北斗系統(tǒng)的山區(qū)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括主控處理器（MCU）、北斗RNSS定位模塊、北斗RDSS通信模塊、水位檢測(cè)模塊、雨量檢測(cè)模塊和流量檢測(cè)模塊等，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示：

圖1 山區(qū)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用水位檢測(cè)模塊、雨量檢測(cè)模塊和流量檢測(cè)模塊等采集水位、降雨量、流量等水文環(huán)境信息，采用北斗RNSS定位模塊獲取水文的位置信息，通過北斗RDSS通信模塊將水文位置和環(huán)境信息發(fā)送至監(jiān)控中心。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前的水位、降雨量及流量等水文環(huán)境信息進(jìn)行綜合分析處理，并及時(shí)向監(jiān)控中心發(fā)出預(yù)警，以便指揮中心及時(shí)做出防災(zāi)抗災(zāi)的應(yīng)對(duì)措施。

2 水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控處理器（MCU）

系統(tǒng)采用成熟穩(wěn)定的MSP432處理器作為主控處理器，控制北斗RNSS定位模塊、北斗RDSS通信模塊、水位檢測(cè)模塊、雨量檢測(cè)模塊和流量檢測(cè)模塊等重要模塊。主控處理器一方面對(duì)北斗RNSS定位模塊傳送過來的衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行讀取、解析及綜合處理后，得到用戶的位置、時(shí)間等定位信息；另一方面，將傳感器采集到的水文環(huán)境信息與位置信息一起按照標(biāo)準(zhǔn)的北斗短報(bào)文格式進(jìn)行封裝和打包，并將打包和封裝好的數(shù)據(jù)信息傳送至北斗RDSS通信模塊。同時(shí)，根據(jù)當(dāng)前的水位、降雨量及流量等水文環(huán)境信息進(jìn)行綜合分析處理，及時(shí)通過北斗通信模塊向監(jiān)控中心發(fā)出預(yù)警。

2.2 北斗RNSS定位模塊

北斗RNSS（Radio Navigation Satellite System）定位模塊，是用來接收衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航信號(hào)，實(shí)現(xiàn)用戶位置、時(shí)間、速度等信息的獲取。本次設(shè)計(jì)北斗RNSS定位模塊采用的是和芯星通公司的UM220-IV模塊，該模塊在雙系統(tǒng)水平下定位精度能達(dá)到2.5 m CEP，測(cè)速精度為0.1 m/s，垂直定位精度為5 m CEP，跟蹤靈敏度可達(dá)-161 dBm。UM220-IV模塊串口（UART）支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸、固件升級(jí)功能，輸入/輸出信號(hào)類型為L(zhǎng)VTTL電平，與單片機(jī)配合使用無(wú)須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

2.3 水位檢測(cè)模塊

本系統(tǒng)的水位檢測(cè)模塊以超聲波作為檢測(cè)手段，它的基木測(cè)量原理是利用其反射特性，測(cè)量發(fā)射波與反射波之間的時(shí)間差，并根據(jù)公式s=v×t/2計(jì)算距離（其中：v是超聲波的傳播速度，s是測(cè)量距離，t是傳播的時(shí)間差）。超聲波可以在比較惡劣的環(huán)境條件工作，對(duì)雨、雪、霧的穿透能力很強(qiáng)，因此，本系統(tǒng)選擇NU40C12TR-1超聲波傳感器來測(cè)量水位。NU40C12TR-1是收發(fā)一體的超聲波傳感器，其敏感性好，靈敏度為-55 dBm，容易接收信號(hào)，再加上NU40C12TR-1是一款通用型傳感器，價(jià)格較便宜，且比較容易購(gòu)買，是本方案的最佳選擇。

2.4 流量檢測(cè)模塊

流量檢測(cè)模塊采用紅旗儀表生產(chǎn)的HQ-LWGY分體式渦輪流量傳感器。其工作原理是當(dāng)被測(cè)流體流經(jīng)傳感器時(shí)，傳感器內(nèi)的葉輪借助于流體的動(dòng)能而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，葉輪即周期性收變磁電感應(yīng)系統(tǒng)中的磁電阻，通過線圈的磁通量周期性發(fā)生變化而產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，經(jīng)放大器放大后傳送至相應(yīng)的流量積算處理器，進(jìn)行流量或總量的測(cè)量[3]。HQ-LWGY的工作內(nèi)電源為3.6V鋰電池（鋰電池可用2年以上），輸出方式為4～20 mA脈沖電流信號(hào)，通過RS485接口可傳輸瞬時(shí)流量和累積流量和時(shí)間、日期。HQLWGY采用先進(jìn)的微處理技術(shù)，具有流量范圍寬，操作簡(jiǎn)單，安裝使用方便的特點(diǎn)。

2.5 雨量檢測(cè)模塊

雨量檢測(cè)模塊采用天星智聯(lián)生產(chǎn)的RS-100光學(xué)雨量傳感器。RS-100光學(xué)雨量傳感器采用光學(xué)感應(yīng)原理測(cè)量降雨量，內(nèi)置多個(gè)光學(xué)探頭，并且采用了可靠的遙測(cè)算法[4]，確保雨量的可靠檢測(cè)。RS-100光學(xué)雨量傳感器支持開關(guān)量和UART輸出，并可擴(kuò)展RS485、RS232或GPRS無(wú)線傳輸，具有感雨、測(cè)雨兩種工作模式：測(cè)雨模式下的分辨為0.1 mm，傳感器每檢測(cè)到0.1 mm的降雨時(shí)，通過信號(hào)線向外界發(fā)出一個(gè)時(shí)長(zhǎng)50 ms的5V脈沖信號(hào)；感雨模式下的分辨率為0.01 mm，傳感器每檢測(cè)到0.01 mm的降雨時(shí)，通過信號(hào)線向外界發(fā)出一個(gè)時(shí)長(zhǎng)1 min的5V脈沖信號(hào)。

2.6 北斗RDSS通信模塊

北斗RDSS（Radio Determination Satellite Service）是另一種衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)，其特點(diǎn)是在完成定位的同時(shí)，通過用戶應(yīng)答完成用戶位置向外部系統(tǒng)的報(bào)告，這是北斗系統(tǒng)的重要特色，即北斗短報(bào)文服務(wù)功能。北斗RDSS通信模塊將單片機(jī)送過來的打包和封裝好的短報(bào)文水文位置和環(huán)境信息發(fā)送到北斗衛(wèi)星上去，再通過北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到地面監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)水文監(jiān)測(cè)。本設(shè)計(jì)采用的是一款泰斗TD3201模塊，其內(nèi)部集成了北斗RDSS基帶芯片TD1100A、RDSS射頻收發(fā)芯片DT-A6、5W功放芯片LXK6618等電路，通過外接無(wú)源天線，即可實(shí)現(xiàn)北斗系統(tǒng)的短報(bào)文通信功能。

3 結(jié)語(yǔ)

以上是基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一款山區(qū)水文信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用一系列傳感器采集水文環(huán)境信息，利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位和數(shù)據(jù)傳輸，具有測(cè)量精度高、抗自然災(zāi)害能力強(qiáng)、不受地域限制等特點(diǎn)，在發(fā)生地震、洪澇等自然災(zāi)害時(shí)，依然穩(wěn)定可靠，具有廣闊的應(yīng)用前景。