曾銘進 夏夢茜 任 帥

（桂林電子科技大學，桂林 541004）

1 研究背景

水文監(jiān)測是進行洪水預報、防汛指揮、水利工程安全調(diào)度、水資源管理和保護的重要手段。我國地域廣闊，江河湖泊眾多，因此水利管理部門在實施水文監(jiān)測時面臨許多困難：許多監(jiān)測點遠離城鎮(zhèn)、交通不便；監(jiān)測現(xiàn)場普遍無電源，偏遠地區(qū)無通信網(wǎng)絡；在汛期采用人工檢測存在安全隱患；現(xiàn)有水文監(jiān)測點較少，且單點水文監(jiān)測工程需要建設觀測站、帶刻度的標尺立柱，投資大，工序復雜，難以大范圍推廣使用等?，F(xiàn)代水利管理部門需要構(gòu)建一套不僅能有效防災又可以對水資源進行優(yōu)化配置的系統(tǒng)，以實現(xiàn)對重點江河湖泊水文的監(jiān)測和對洪災的預警。

水文數(shù)據(jù)是可以反映相關(guān)問題非常關(guān)鍵的水文資料。目前，我國大多處水域的水文數(shù)據(jù)都是采用人工檢測方式獲得。這種方式需要考慮監(jiān)測人員的人身安全問題，而且數(shù)據(jù)實時性較差[1]。

本文提出一種基于多種水文信息采集傳感器、微控制器、LoRa通信模塊及北斗短報文模塊等的智能水文監(jiān)測系統(tǒng)，通過北斗衛(wèi)星短報文通信傳輸技術(shù)將檢測到的水文數(shù)據(jù)發(fā)到監(jiān)測終端。此設計能提高水文數(shù)據(jù)的測量精度與效率，實現(xiàn)水文的遠程實時自動監(jiān)測，為預警防災和獲取水資源實時數(shù)據(jù)提供新的 思路。

2 系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)測所需的水位傳感器、濁度傳感器、溫度傳感器和降雨量傳感器嵌入各個采集節(jié)點結(jié)構(gòu)，同時每個采集節(jié)點都安裝一個LoRa通信模塊。微控制器將采集到的水位、溫度、濁度及當前區(qū)域的降雨量等實時數(shù)據(jù)通過LoRa通信模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)匯集節(jié)點。數(shù)據(jù)匯集節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)進行分類、合并等處理后，自動封裝成北斗短報文通信協(xié)議規(guī)定的標準傳輸格式，通過北斗短報文模塊，利用北斗衛(wèi)星的短報文通信傳輸技術(shù)，與北斗衛(wèi)星進行遠程通信。北斗衛(wèi)星將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨惭b有北斗短報文模塊的終端數(shù)據(jù)監(jiān)測管理中心或支持北斗短報文通信的移動端App平臺，實現(xiàn)監(jiān)測點與終端的實時數(shù)據(jù)傳輸。當某個采集節(jié)點的水文數(shù)據(jù)達到或超過預先設定的預警值時，數(shù)據(jù)匯集節(jié)點立即通過北斗衛(wèi)星將預警信號傳輸?shù)奖O(jiān)測終端。同時，管理人員可以按照實際需求設置任意采集節(jié)點的監(jiān)測預警值。監(jiān)測終端也會實時通過北斗衛(wèi)星將修改后的預警值傳輸?shù)綌?shù)據(jù)匯集節(jié)點，數(shù)據(jù)匯集節(jié)點再將信息返回到目標監(jiān)測點所在的采集節(jié)點，然后采集節(jié)點中的微控制器將自動設置新的預警值，從而實現(xiàn)管理人員對多個監(jiān)測點的實時遠程監(jiān)控。

3 硬件設計

3.1 微控制器

采集節(jié)點的微控制器只需要收集傳感器模塊的實時采集數(shù)據(jù)，并整合發(fā)送到數(shù)據(jù)匯集節(jié)點。為了降低采集點的成本和延長單次充滿電在監(jiān)測點的工作時間，采集節(jié)點的微控制器選用基于ARM架構(gòu)、Cortex-M3內(nèi)核且具有4個定時器、2個SPI、2個I2C、3個USART等外設接口的STM32F103C8T6。由于STM32F103C8T6微控制器的工作頻率最高可達72 MHz且功耗極低[2]，因此能夠滿足同時控制4個傳感器的運行和實時收集4個傳感器采集的數(shù)據(jù)等需求。

數(shù)據(jù)匯集節(jié)點的微控制器需要對多個采集節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行分類、合并，并將數(shù)據(jù)封裝成北斗短報文通信協(xié)議規(guī)定的標準傳輸格式。它同樣基于ARM架構(gòu)，但選用了具有比Cortex-M3內(nèi)核性能更好的Cortex-M4內(nèi)核，其工作頻率最高可達168 MHz，不僅有多達17個定時器和17個通信串口，還具有 1 024 kB FLASH和192 kB SRAM的高性能低功耗微控制器STM32F407ZGT6[3]。

3.2 LoRa通信模塊

LoRa通信技術(shù)是Semtech公司在2013年8月發(fā)布的一種基于擴頻調(diào)制的新型無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)[4]。LoRa通信模塊具有抗干擾能力強、傳輸距離遠以及最低接收功耗僅為3 mA等優(yōu)點[5]。由于不同水文監(jiān)測點的距離相對較遠，且監(jiān)測點所在的地理環(huán)境不同，獲取實時水文數(shù)據(jù)的采集節(jié)點更適合用LoRa通信模塊作為與數(shù)據(jù)匯集節(jié)點通信的媒介。采集節(jié)點較少時，數(shù)據(jù)匯集節(jié)點可用一個LoRa通信模塊作為網(wǎng)關(guān)。本設計選用正點原子型號為ATK-LORA-01的LoRa通信模塊，采用定向傳輸?shù)狞c對多通信模式。該模塊的傳輸距離最遠可達到3 km，可以滿足中小型水域的監(jiān)測。模塊的引腳連接如圖2所示。模塊的MDO引腳和AUX引腳與微控制器的GPIO引腳相連不同，模塊上電時，微控制器通過置高或置低MDO引腳和AUX引腳的電平可改變模塊工作模式，在配置模式下可通過串口通信修改模塊的地址、信道及空中速率等參數(shù)。

3.3 北斗短報文模塊

相比于只有定位功能的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），北斗系統(tǒng)能同時定位和通信，且不需要其通信系統(tǒng)的支持[5]。在普通移動信號不能覆蓋的地方，裝有北斗短報文模塊的設備能通過北斗衛(wèi)星進行通信。北斗短報文通信還具備連續(xù)覆蓋、快速響應、抗干擾能力強以及設備要求低等優(yōu)點，已廣泛用于交通運輸、海洋漁業(yè)等行業(yè)。對于監(jiān)測點可能存在移動信號覆蓋率小、通信效果效果差以及出現(xiàn)極端天氣等情況，采用北斗短報文通信技術(shù)能保證監(jiān)測點和終端的實時遠程通信。本設計選用易緯科技一款型號為M201的北斗短報文模塊。該模塊集成了衛(wèi)星無線電測定業(yè)務（Radio Determination Satellite Service，RDSS）和衛(wèi)星無線電導航業(yè)務（Radio Navigation Satellite System，RNSS），即定位和通信功能，具有外形尺寸小、收發(fā)成功率高以及功耗低等優(yōu)點。北斗短報文模塊與微控器的引腳連接如圖3所示。用戶只需要控制微處理器與VEN引腳連接的GPIO引腳輸出高電平就可啟動模塊，而輸出低電平即可關(guān)閉模塊，因此該模塊通過簡單設置便可以實現(xiàn)遠程、無線、網(wǎng)絡化的北斗短報文通信。

3.4 水位傳感器

本設計選用電應普公司型號為A01的基于超聲波測距的水位傳感器。測距原理為傳感器的發(fā)射裝置向液面發(fā)射超聲波，接收裝置接收到從液面反射回來的超聲波后計算發(fā)射到接收的時間差t，則距離s=vt/2，這里v為超聲波速度。該傳感器具有測量距離長、測量精度高、防水性能好以及功耗可控等優(yōu)點，且采用低電壓供電，支持通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）輸出、脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）輸出等多種輸出模式，能夠滿足不同用戶的使用需求。

3.5 溫度傳感器

對于水域的水溫監(jiān)測，測量的溫度范圍小，需要傳感器具有高的測量精度，且保證能在不同水質(zhì)的環(huán)境中長時間工作而不被腐蝕。因此，本設計選用Pt100熱電阻式溫度傳感器。Pt指的是鉑電阻，100指在0 ℃時鉑電阻的阻值為100 Ω。鉑電阻對溫度十分敏感，溫度上升時，電阻的阻值會迅速增加。鉑電阻相對于熱敏電阻和熱電偶，阻值與溫度的線性程度最好，測量精度高。Pt100熱電阻式溫度傳感器通常有二線制、三線制和四線制。二線制測量精度相對較低，四線制測量精度較高但成本也高。鑒于實用需求，選用三線制的Pt100熱電阻式溫度傳感器。傳感器外接MAX31865模塊，將鉑電阻的阻值變化轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出。微控制器通過串口讀取數(shù)字量，按照公式換算即可求出當前的溫度值。本設計選用華北傳感器儀表的Pt100熱電阻式溫度傳感器，采用耐高溫的四氟鍍銀屏蔽線，同時金屬探頭與屏蔽線間采用加焊技術(shù)和雙道壓槽工藝密封，使傳感器整體具有較好的防水性和耐腐蝕性，且價格不高。

3.6 濁度傳感器

濁度傳感器測量的是水中懸浮顆粒的含量。傳感器內(nèi)部兩側(cè)封裝有紅外對管，紅外對管的發(fā)射端正對接收端發(fā)射光線。水中懸浮顆粒的含量越高，光線的透光率越低，接收端收到的光強越低，傳感器將光強轉(zhuǎn)化為電流的大小越小。濁度傳感器將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，微控制器引腳通過采集電壓信號經(jīng)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換處理即可獲取當前的濁度值。本設計選用型號為TS-300B的濁度傳感器。

3.7 降雨量傳感器

本設計選用的降雨量傳感器上覆有鍍鎳的導電層。傳感器外接LM393電壓比較器模塊，模塊可由3.3～5.0 V的電壓供電。當導電層上的濕度增加時，導電層的電阻減少，模塊經(jīng)比較后輸出的電壓減小。微控制器引腳通過采集電壓大小經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換處理后，即可獲取當前的降雨量。

4 結(jié)語

本設計是基于北斗短報文通信、LoRa通信以及各種水文信息監(jiān)測模塊的智能水文監(jiān)測系統(tǒng)，能提高水文數(shù)據(jù)的測量精度與效率，實現(xiàn)水文的遠程實時自動監(jiān)測，為洪水預報、防汛指揮、水資源管理和保護等提供新的思路，具有廣闊的應用前景。