基于北斗通信技術(shù)的水情自動測報系統(tǒng)設(shè)計

邵燦輝

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

隨著國家對北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的高度重視，使我國成為全球第三個擁有自主衛(wèi)星導航的國家，特有的衛(wèi)星短報文通信功能也是其他導航衛(wèi)星所不具備的。 水情自動測報系統(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)取得了良好的社會和經(jīng)濟效益，為我國的天氣預報、防洪減災事業(yè)做出了突出貢獻[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、內(nèi)嵌北斗通信模塊的遙測終端機、北斗指揮卡、北斗子卡（根據(jù)國家相關(guān)規(guī)定，該系統(tǒng)使用北斗三級卡，即北斗設(shè)備每min 只能發(fā)送1次短報文，接受短報文條數(shù)不限）組成。 該系統(tǒng)專門用于觀測區(qū)域降雨量、水位、氣象、流量等文水要素，并且向相關(guān)部門提供實時而準確的水文預報，是水利設(shè)施建設(shè)期和運行期內(nèi)重要的監(jiān)測系統(tǒng)，為水利設(shè)施的安全經(jīng)濟運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)的水情測報系統(tǒng)組成如圖1所示。 當該系統(tǒng)主要應(yīng)用在無手機信號，且只能通過北斗衛(wèi)星收發(fā)數(shù)據(jù)的區(qū)域，其工作流程如下：

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

1）當現(xiàn)地遙測終端機發(fā)生了定時報或者增量報時，遙測終端機將對嵌入在其內(nèi)的北斗通信模塊供電，并且延時5 s 以便北斗模塊搜索北斗衛(wèi)星波束。

2）延時5 s 后，遙測終端機內(nèi)的MCU 對北斗模塊進行內(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），確認為北斗模塊工作正常，能夠進入正常通信狀態(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）當北斗模塊通信狀態(tài)就緒，MUC 通過串口向北斗模塊發(fā)送包含水文要素信息的報文，該報文發(fā)送給現(xiàn)地一體機，具有監(jiān)聽功能的北斗指揮機同樣可以收到相同的報文數(shù)據(jù)，從而做到數(shù)據(jù)互備。北斗指揮機從收到第1 條報文開始， 延時1 min 后利用其特有的通波功能向現(xiàn)地設(shè)備發(fā)送回復報文， 如果現(xiàn)地設(shè)備沒有收到該回復報文，現(xiàn)地北斗通信模塊連續(xù)發(fā)送報文信息3 次。

4）由于現(xiàn)地測量系統(tǒng)的供電方式是太陽能電池供電，所以當遙測終端機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)備進入休眠狀態(tài)。

2 關(guān)鍵技術(shù)和難點

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

圖2 遙測終端機的電氣原理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)置北斗無線通信模件和GPRS 無線通信模件各1 塊， 有線通信有RS485，RS232，USB各1 路；配備USB 通訊接口，可通過計算機及相關(guān)通訊軟件實現(xiàn)對RTU 的控制、實時監(jiān)測、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、太陽能發(fā)電板電壓等信息，長時間無操作自動關(guān)閉液晶功能并進入超低功耗狀態(tài)；內(nèi)置的大容量存貯器，可存儲2 a 以上的雨量、水位數(shù)據(jù)，并且存儲時間10 a 以上。

2.1 無線信號強度的判斷和信道選擇

水情遙測終端機的使用地點大多沒有移動信號，現(xiàn)場僅有的是衛(wèi)星北斗信號[2]。 然而北斗一代短報功能的字符數(shù)有限，其有效傳輸數(shù)據(jù)量為70 多B，無法滿足SL651—2014 《水文監(jiān)測數(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)送北斗報文時功耗很大，達到10 W。 這就需要遙測終端機能自動地對北斗信號進行信號強度判斷，如能滿足北斗信號強度的時候首先用北斗模塊發(fā)送報文； 如果無北斗信號則采用移動信號。 另外，北斗傳輸?shù)囊?guī)約為本公司自行約定，上位機解析時就按照該規(guī)約進行解析，由此保證了在地理環(huán)境惡劣的情況下的通信有效率。

針對北斗模塊的待機和工作功耗均比較大，并且北斗模塊在發(fā)送報文時的工作電流約為1.5 A。這就需要MCU 頻繁地對北斗模塊進行供電和斷電操作。 普通的繼電器控制容易實現(xiàn)，但由于控制繼電器線圈通電動作功耗比較大，有必要設(shè)計低功耗電路開關(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2 個MOS 管的搭建電路來實現(xiàn)12 V 電源的輸出， 并且壓降只有0.4 V， 斷開和通電時間在10 ms 之內(nèi)完成。 圖中，Q2首先被MCU 觸發(fā)導通，直接導致了Q1的導通，而Q1能承受最大電流為3 A，完全能滿足北斗模塊的工作需要。

2.2 遠程無線參數(shù)修改

在水利水情裝置在前期勘探和測控時，遙測終端機的運行參數(shù)與正式投產(chǎn)后的運行參數(shù)肯定是不一樣的。 在漫長廣闊的流域測點中進行參數(shù)的更改是困難和繁瑣的，這樣必然達不到業(yè)主的要求[3]。為此需要RTU 具備無線參數(shù)修改功能，但裝置內(nèi)的無線通信模塊不能長期帶電，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0.5 h，既滿足參數(shù)修改要求又能降低功耗。 這樣的解決方式滿足下載參數(shù)的要求，并且在此時間段內(nèi)業(yè)主可以實時讀取數(shù)據(jù)。

3 特殊水文要素的處理及通信流程設(shè)計

利用傳統(tǒng)GPRS 無線通信時， 現(xiàn)地設(shè)備可以對雨量的激增和水位的突變進行實時的上送，但由于民用北斗卡發(fā)送文水信息的時間間隔為1 min[4]。 所以當雨量增量達到設(shè)定的預報閥值時，需要實時上送雨量信息。如果按照傳統(tǒng)的實時上送，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時上送的信息。 因此，北斗短報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時性方面進行全方位的優(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)定的預報閥值為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足要求。 如果發(fā)送雨量報警，以1 min 上送1 次的頻率，可以滿足業(yè)主要求。 故采取了以下處理方式：

每1 min 的開始查看雨量值， 如果降雨量大于報警閥值就直接上送，否則不上送；間隔5 min 測量1 次水位值，如果變幅超過設(shè)定值就上送，否則不上送；如果當定時報文時間到，就將所有的水文要素一起通過北斗上送給數(shù)據(jù)中心[5]。

由于遙測終端機同時內(nèi)置有北斗一代無線通信模塊和GPRS 無線通信模塊， 并且通過北斗通信模塊或GPRS 通信模塊能將同一個報文向多個中心站有序的發(fā)送，這樣解決了數(shù)據(jù)同時上報給現(xiàn)地控制中心和集控中心的要求。 并且，這2 種無線通信方式可以進行互備通信， 保證了在GPRS 或者北斗無信號地區(qū)的現(xiàn)地測量數(shù)據(jù)的上送。 工程的實際應(yīng)用結(jié)果表明， 該方法保證通信有效率達到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

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，同時也積極地響應(yīng)了國家的號召，大力支持北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)，使我國導航系統(tǒng)不再受制于人[6]。 基于北斗通信技術(shù)的水情自動測報系統(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，已累計應(yīng)用北斗相關(guān)設(shè)備200 多臺套。 在2018 年10 月金沙江堰塞湖特大險情處理中，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)憑借其優(yōu)良性能為各級政府提供了實時可靠的數(shù)據(jù)，保障了上下游人民群眾的生命財產(chǎn)安全，為處理該險情做出了突出貢獻。 此外，該系統(tǒng)具有定位精度高、可靠性強、適用地域廣泛等特點， 為建設(shè)期和運行期的水電站、庫區(qū)提供了大量的實時可靠數(shù)據(jù)。

圖4 通信流程Fig.4 Communication flow chart