基于北斗短報文通信的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

王星星，姜 嵐，黃 科，趙賢林

(中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

巢湖是我國五大淡水湖之一,坐落于長江和淮河之間,位于安徽省中部,流域獨特的地理位置、良好的生態(tài)環(huán)境和豐富的自然資源,為地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展提供了優(yōu)越的條件,巢湖水環(huán)境質(zhì)量狀況直接關(guān)系到當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展目標(biāo)的實現(xiàn)[1]。20世紀(jì) 60～70年代初期巢湖處于中營養(yǎng)狀態(tài),80年代中期,受人類活動的影響,巢湖及其流域生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴重破壞,湖盆淤積,水質(zhì)迅速惡化,已經(jīng)成為長江下游地區(qū)典型的富營養(yǎng)湖泊[2]。因此，針對巢湖水質(zhì)實施自動在線監(jiān)測，構(gòu)建巢湖水環(huán)境評價預(yù)警系統(tǒng)顯得尤為重要。

國內(nèi)現(xiàn)有的遠程水質(zhì)數(shù)據(jù)采集主要有3種方式：一為采用PLC采集通過以太網(wǎng)傳輸，此種方式需要基建施工架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，工程量大、施工周期長、資金消耗大；二為采用ZigBee或者無線電波的方式傳輸數(shù)據(jù)，此種方式通信距離近，中控室需要建立在水質(zhì)采集點附近，對中控室的選點造成很大的限制；三為采用GPRS方式傳輸數(shù)據(jù)，此種方式雖然能夠?qū)崿F(xiàn)大面積覆蓋，但是依賴基站通信，在人跡較少或者多山地區(qū)容易出現(xiàn)信號盲區(qū)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛唷６疚奶岢龅幕诒倍范虉笪耐ㄐ诺倪h程水質(zhì)采集傳輸系統(tǒng)，在實現(xiàn)大面積范圍覆蓋的同時，又能做到無信號盲區(qū)，保證水質(zhì)采集的連續(xù)與穩(wěn)定。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

基于北斗短報文通信的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計主要由水質(zhì)傳感器模塊(如溫度、pH、濁度、溶解氧、電導(dǎo)率、COD、氨氮、TP、TN等傳感器)、信號調(diào)理模塊、傳感器清洗模塊、北斗通信模塊、北斗指揮型用戶機組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)工作原理：水質(zhì)傳感器信號輸出形式分為兩種，第一種為4～20 mA信號，此種傳感器通過I-V轉(zhuǎn)換電路將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，現(xiàn)場水質(zhì)采集終端中主控制器接收該電壓信號之后通過AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并進行相應(yīng)的處理。第二種為RS485信號，此種信號通過RS485收發(fā)控制器轉(zhuǎn)換之后由主控制器讀取并作處理。主控制器對采集到的傳感器數(shù)據(jù)通過“加權(quán)平均法”、“移動平均法”等進行初步處理，去除一些冗余信息，將處理結(jié)果通過北斗通信模塊發(fā)送到北斗指揮型用戶機以便上位機軟件進行下一步分析處理，傳感器清洗模塊則定時對所有水質(zhì)傳感器進行清洗，以確保每次采集水質(zhì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)軟件包括三部分：北斗通信協(xié)議、主控制器軟件程序、上位機軟件。北斗通信協(xié)議主要包括針對北斗短報文通信特點而特殊定制的通信協(xié)議；主控制器軟件程序主要包括傳感器數(shù)據(jù)讀取、傳感器探頭清洗和北斗通信等功能模塊之間的邏輯關(guān)系；上位機軟件用Java開發(fā)，主要實現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)接收、存儲、統(tǒng)計、分析以及實現(xiàn)人機交互和水質(zhì)預(yù)警。

2.1 北斗通信協(xié)議設(shè)計

終端的短報文傳輸帶寬由用戶卡決定，與設(shè)備本身無關(guān)，以一個用戶卡為例，有兩個參數(shù)：傳輸容量和傳輸頻度。傳輸容量：7～120漢字/min，也就是說每條報文最大長度為120 B。傳輸頻度：1 次/min或2～3次/min，取決于ID卡級別。按每分鐘單向1次報文傳輸，每條短信報文100 B計算，單卡終端：6 KB/h，60 KB/10 h，144 KB/d[3]。與GPRS通信方式相比，使用北斗衛(wèi)星的數(shù)據(jù)通信具有以下優(yōu)點：覆蓋范圍大，沒有通信盲區(qū)。北斗系統(tǒng)覆蓋了中國及周邊國家，不僅可為中國服務(wù)，也可為周邊國家服務(wù)，特別適合集團用戶大范圍監(jiān)控管理與數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸；北斗系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，不但性價比高，而且具有安全性、可靠性、穩(wěn)定性和保密性強的特點，適合關(guān)鍵部門應(yīng)用[4]。

根據(jù)以上北斗短報文傳輸?shù)奶攸c和所受限制，結(jié)合水質(zhì)數(shù)據(jù)采集的具體需求，本系統(tǒng)設(shè)計了一套簡單可行的短報文傳輸?shù)目煽啃运惴?，該算法簡單易行，具體實現(xiàn)思路如下：

(1)每個數(shù)據(jù)包包含水質(zhì)采集站ID、數(shù)據(jù)類型標(biāo)識、數(shù)據(jù)包校驗字節(jié)。

(2)發(fā)送方發(fā)送之前先暫存要發(fā)送的數(shù)據(jù)，發(fā)送之后在約定的超時時間內(nèi)如果沒有收到確認收到數(shù)據(jù)的回復(fù)，就重發(fā)要發(fā)送的數(shù)據(jù)，如此循環(huán)發(fā)送三次，如若三次發(fā)送全部失敗則丟棄此包數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)而進入下一輪數(shù)據(jù)發(fā)送環(huán)節(jié)。

(3)北斗指揮型用戶機具備通播功能，可以對同一時間內(nèi)接收到的所有采集站點的數(shù)據(jù)進行回復(fù)確認。

本系統(tǒng)設(shè)計了如表1所示的通信協(xié)議。

表1 北斗通信數(shù)據(jù)報文協(xié)議

應(yīng)用此通信協(xié)議可以最大限度地使用民用北斗卡的服務(wù)頻度，在一次服務(wù)頻度周期內(nèi)發(fā)送間隔10 s的6次采樣數(shù)據(jù)，10 s的水質(zhì)數(shù)據(jù)刷新周期可以滿足大部分水質(zhì)監(jiān)測的應(yīng)用。另一方面，北斗短報文通信具備雙向通信能力，可以接收北斗指揮機發(fā)送的配置指令，也可以配置水質(zhì)數(shù)據(jù)采集周期、水質(zhì)傳感器清洗間隔等參數(shù)。

2.2 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

水質(zhì)數(shù)據(jù)采集終端主要包含水質(zhì)傳感器、信號調(diào)理模塊、傳感器清洗模塊、北斗通信模塊。采集終端上電后，系統(tǒng)先初始化傳感器、北斗模塊以及其他接口，系統(tǒng)開始工作循環(huán)檢測北斗衛(wèi)星信號，檢測到信號之后，每隔10 s讀取一次所有水質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)暫存，北斗用戶卡發(fā)送頻度1 min時間到達之后，把6次暫存的水質(zhì)數(shù)據(jù)通過北斗發(fā)送到目標(biāo)北斗指揮機。當(dāng)水質(zhì)數(shù)據(jù)采集周期比較長時(比如5 min一次)，系統(tǒng)會在每次水質(zhì)數(shù)據(jù)采集之后，將北斗等功耗較大的模塊進入睡眠模式，在下一次采集周期到來之前自動喚醒，以節(jié)約終端的功耗。

水質(zhì)數(shù)據(jù)采集終端流程圖如圖2所示。

圖2 主控制器流程圖

2.3 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件即是水質(zhì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件，包含通信層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層三個部分[5]。

通信層模塊采用JavaScript開發(fā)，主要功能有兩個：一是讀取北斗指揮機接收到的各個水質(zhì)采集站上報的水質(zhì)數(shù)據(jù)，根據(jù)ID進行解析，添加時間等必要信息之后分類、存儲；二是接收配置參數(shù)指令，通過北斗指揮機發(fā)送給水質(zhì)數(shù)據(jù)采集終端。

數(shù)據(jù)層模塊主要功能是實現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的分類存儲與備份。

圖3 上位機軟件架構(gòu)

應(yīng)用層模塊包括人機交互、顯示各站點水質(zhì)數(shù)據(jù)、采集站點參數(shù)配置、歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)查詢、水質(zhì)數(shù)據(jù)報表打印、水質(zhì)閾值報警等功能。

上位機的軟件架構(gòu)如圖3所示。

3 部分系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元包含水質(zhì)傳感器、信號調(diào)理單元、485總線收發(fā)單元。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集單元結(jié)構(gòu)框圖

電源電路采用AOZ1284PI開關(guān)穩(wěn)壓芯片將24 V電源電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓。采用AMS1117-3.3芯片將5 V轉(zhuǎn)為3.3 V。經(jīng)過兩級降壓后，系統(tǒng)功耗大大降低，工作時的散熱也減小了很多，增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性[6]。

北斗模塊在發(fā)送信號的瞬間需要20 W的功率，保證穩(wěn)定的電源供應(yīng)是北斗模塊正常工作的先決條件。電源模塊電路如圖5所示，采用AOZ1284PI開關(guān)電源芯片將12～24 V電源電壓轉(zhuǎn)換成5 V電壓，此芯片最大可以達到5 A電流，且輸出電壓可調(diào)整(Vo=0.8×(1+R2/R1))。

I-V轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 I-V轉(zhuǎn)換電路

溫度傳感器和pH傳感器的輸出信號為電流信號，通過圖5所示的I-V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓之后送到主控制器，主控制器對該信號進行濾波處理，完成信號采集、分析、存儲與轉(zhuǎn)發(fā)。該同相放大電路的放大倍數(shù)為：A=1+R4/R2。若按圖中參數(shù)取值，當(dāng)輸入信號為4～20 mA時，輸出電壓為1～5 V。其中C1可以濾除輸入信號的波動，提高轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性。

3.2 北斗傳輸模塊

本系統(tǒng)中采用的北斗模塊為GNS1531通信模組，該模組經(jīng)低噪聲LNA放大所接收到的天線信號，由射頻收發(fā)芯片實現(xiàn)下變頻功能，將射頻信號變換到數(shù)字中頻信號，作為RDSS基帶芯片的數(shù)字中頻輸入?；鶐酒闪?0個獨立的數(shù)字接收機通道和1個發(fā)射通道，完成北斗RDSS基帶信號的接收和發(fā)射基帶信號的生成等功能。該模組通過標(biāo)準(zhǔn)的UART接口與主控制器通信[7]，可以直接與MCU相連接，通過AT指令來控制數(shù)據(jù)的收發(fā)。

4 系統(tǒng)測試

為了驗證基于北斗短報文通信的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的正確性與穩(wěn)定性，在馬鞍山雨山湖和博望區(qū)博望河安置了5個采集站點進行測試。上位機軟件部署于帶有北斗用戶指揮機的服務(wù)器上，各個采集站點部署完成后將會定時上傳采集站點的水質(zhì)數(shù)據(jù)。上報的部分水質(zhì)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 采集站上報的部分水質(zhì)數(shù)據(jù)表

在整個系統(tǒng)測試期間，組織專人對5個水質(zhì)采集站點進行同步人工采集，將人工采集結(jié)果與在同一地點同一時間采集系統(tǒng)上報的結(jié)果進行對比。實驗結(jié)果表明，自動采集設(shè)備采集的結(jié)果與人工采集的結(jié)果基本一致，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的遠程、穩(wěn)定、正確傳輸。

5 結(jié)論

本文從軟件和硬件兩個方面設(shè)計了一種基于北斗短時通信服務(wù)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，描述了采集終端軟件功能及流程圖，部分硬件系統(tǒng)設(shè)計原理圖等，實現(xiàn)了對水質(zhì)數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測、存儲、顯示、統(tǒng)計等功能。該系統(tǒng)沒有通信盲區(qū)、不依賴基站通信、無后續(xù)流量費用，并且北斗系統(tǒng)由我國自主研發(fā)，安全性、可靠性、穩(wěn)定性和保密性強。本系統(tǒng)對河道、湖泊的遠程數(shù)據(jù)采集、傳輸提供了一種科學(xué)有效的技術(shù)解決方案，具有很好的市場應(yīng)用前景。下一步工作將會在降低系統(tǒng)功耗、減小采集系統(tǒng)體積、優(yōu)化采集系統(tǒng)安裝、提高數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定性等方面進行改進，以擴展系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

[1] 姜霞,鐘立香,王書航,等.巢湖水華暴發(fā)期水-沉積物界面溶解性氮形態(tài)的變化[J].中國環(huán)境科學(xué),2009,29(11)：1158-1163.

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[4] 陳鋼.基于北斗的遠程水文監(jiān)測系統(tǒng)[D].成都:西南石油大學(xué),2013.

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[6] 張文建,趙路佳,吳鵬,等. 基于STM32的溫濕度變送器設(shè)計[J].計算機測量與控制,2016,24(4):287-290.

[7] 江蘇星宇芯聯(lián)電子科技有限公司.GNS1531型模塊用戶手冊[Z].2014.