基于北斗短报文通信的水质监测系统设计*

王星星，姜 岚，黄 科，赵贤林

(中冶华天工程技术有限公司，江苏 南京 210000)

0 引言

巢湖是我国五大淡水湖之一,坐落于长江和淮河之间,位于安徽省中部,流域独特的地理位置、良好的生态环境和丰富的自然资源,为地区经济发展提供了优越的条件,巢湖水环境质量状况直接关系到当地社会经济发展目标的实现[1]。20世纪 60～70年代初期巢湖处于中营养状态,80年代中期,受人类活动的影响,巢湖及其流域生态系统遭到严重破坏,湖盆淤积,水质迅速恶化,已经成为长江下游地区典型的富营养湖泊[2]。因此，针对巢湖水质实施自动在线监测，构建巢湖水环境评价预警系统显得尤为重要。

国内现有的远程水质数据采集主要有3种方式：一为采用PLC采集通过以太网传输，此种方式需要基建施工架设网络，工程量大、施工周期长、资金消耗大；二为采用ZigBee或者无线电波的方式传输数据，此种方式通信距离近，中控室需要建立在水质采集点附近，对中控室的选点造成很大的限制；三为采用GPRS方式传输数据，此种方式虽然能够实现大面积覆盖，但是依赖基站通信，在人迹较少或者多山地区容易出现信号盲区，导致数据传输的中断。而本文提出的基于北斗短报文通信的远程水质采集传输系统，在实现大面积范围覆盖的同时，又能做到无信号盲区，保证水质采集的连续与稳定。

1 系统总体架构设计

基于北斗短报文通信的水质监测系统设计主要由水质传感器模块(如温度、pH、浊度、溶解氧、电导率、COD、氨氮、TP、TN等传感器)、信号调理模块、传感器清洗模块、北斗通信模块、北斗指挥型用户机组成。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

本系统工作原理：水质传感器信号输出形式分为两种，第一种为4～20 mA信号，此种传感器通过I-V转换电路将电流信号转化为电压信号，现场水质采集终端中主控制器接收该电压信号之后通过AD转换为数字信号并进行相应的处理。第二种为RS485信号，此种信号通过RS485收发控制器转换之后由主控制器读取并作处理。主控制器对采集到的传感器数据通过“加权平均法”、“移动平均法”等进行初步处理，去除一些冗余信息，将处理结果通过北斗通信模块发送到北斗指挥型用户机以便上位机软件进行下一步分析处理，传感器清洗模块则定时对所有水质传感器进行清洗，以确保每次采集水质数据的准确性。

2 系统软件设计

水质监测系统软件包括三部分：北斗通信协议、主控制器软件程序、上位机软件。北斗通信协议主要包括针对北斗短报文通信特点而特殊定制的通信协议；主控制器软件程序主要包括传感器数据读取、传感器探头清洗和北斗通信等功能模块之间的逻辑关系；上位机软件用Java开发，主要实现水质数据接收、存储、统计、分析以及实现人机交互和水质预警。

2.1 北斗通信协议设计

终端的短报文传输带宽由用户卡决定，与设备本身无关，以一个用户卡为例，有两个参数：传输容量和传输频度。传输容量：7～120汉字/min，也就是说每条报文最大长度为120 B。传输频度：1 次/min或2～3次/min，取决于ID卡级别。按每分钟单向1次报文传输，每条短信报文100 B计算，单卡终端：6 KB/h，60 KB/10 h，144 KB/d[3]。与GPRS通信方式相比，使用北斗卫星的数据通信具有以下优点：覆盖范围大，没有通信盲区。北斗系统覆盖了中国及周边国家，不仅可为中国服务，也可为周边国家服务，特别适合集团用户大范围监控管理与数据采集和数据传输；北斗系统是我国自主研发的卫星通信系统，不但性价比高，而且具有安全性、可靠性、稳定性和保密性强的特点，适合关键部门应用[4]。

根据以上北斗短报文传输的特点和所受限制，结合水质数据采集的具体需求，本系统设计了一套简单可行的短报文传输的可靠性算法，该算法简单易行，具体实现思路如下：

(1)每个数据包包含水质采集站ID、数据类型标识、数据包校验字节。

(2)发送方发送之前先暂存要发送的数据，发送之后在约定的超时时间内如果没有收到确认收到数据的回复，就重发要发送的数据，如此循环发送三次，如若三次发送全部失败则丢弃此包数据，转而进入下一轮数据发送环节。

(3)北斗指挥型用户机具备通播功能，可以对同一时间内接收到的所有采集站点的数据进行回复确认。

本系统设计了如表1所示的通信协议。

表1 北斗通信数据报文协议

应用此通信协议可以最大限度地使用民用北斗卡的服务频度，在一次服务频度周期内发送间隔10 s的6次采样数据，10 s的水质数据刷新周期可以满足大部分水质监测的应用。另一方面，北斗短报文通信具备双向通信能力，可以接收北斗指挥机发送的配置指令，也可以配置水质数据采集周期、水质传感器清洗间隔等参数。

2.2 系统软件程序设计

水质数据采集终端主要包含水质传感器、信号调理模块、传感器清洗模块、北斗通信模块。采集终端上电后，系统先初始化传感器、北斗模块以及其他接口，系统开始工作循环检测北斗卫星信号，检测到信号之后，每隔10 s读取一次所有水质传感器数据暂存，北斗用户卡发送频度1 min时间到达之后，把6次暂存的水质数据通过北斗发送到目标北斗指挥机。当水质数据采集周期比较长时(比如5 min一次)，系统会在每次水质数据采集之后，将北斗等功耗较大的模块进入睡眠模式，在下一次采集周期到来之前自动唤醒，以节约终端的功耗。

水质数据采集终端流程图如图2所示。

图2 主控制器流程图

2.3 上位机软件设计

上位机软件即是水质数据管理系统软件，包含通信层、数据层、应用层三个部分[5]。

通信层模块采用JavaScript开发，主要功能有两个：一是读取北斗指挥机接收到的各个水质采集站上报的水质数据，根据ID进行解析，添加时间等必要信息之后分类、存储；二是接收配置参数指令，通过北斗指挥机发送给水质数据采集终端。

数据层模块主要功能是实现水质数据的分类存储与备份。

图3 上位机软件架构

应用层模块包括人机交互、显示各站点水质数据、采集站点参数配置、历史水质数据查询、水质数据报表打印、水质阈值报警等功能。

上位机的软件架构如图3所示。

3 部分系统硬件设计

3.1 数据采集单元

数据采集单元包含水质传感器、信号调理单元、485总线收发单元。其结构框图如图4所示。

图4 数据采集单元结构框图

电源电路采用AOZ1284PI开关稳压芯片将24 V电源电压转换为5 V电压。采用AMS1117-3.3芯片将5 V转为3.3 V。经过两级降压后，系统功耗大大降低，工作时的散热也减小了很多，增加了系统稳定性[6]。

北斗模块在发送信号的瞬间需要20 W的功率，保证稳定的电源供应是北斗模块正常工作的先决条件。电源模块电路如图5所示，采用AOZ1284PI开关电源芯片将12～24 V电源电压转换成5 V电压，此芯片最大可以达到5 A电流，且输出电压可调整(Vo=0.8×(1+R2/R1))。

I-V转换电路如图5所示。

图5 I-V转换电路

温度传感器和pH传感器的输出信号为电流信号，通过图5所示的I-V转换电路转换成电压之后送到主控制器，主控制器对该信号进行滤波处理，完成信号采集、分析、存储与转发。该同相放大电路的放大倍数为：A=1+R4/R2。若按图中参数取值，当输入信号为4～20 mA时，输出电压为1～5 V。其中C1可以滤除输入信号的波动，提高转换的稳定性。

3.2 北斗传输模块

本系统中采用的北斗模块为GNS1531通信模组，该模组经低噪声LNA放大所接收到的天线信号，由射频收发芯片实现下变频功能，将射频信号变换到数字中频信号，作为RDSS基带芯片的数字中频输入。基带芯片集成了10个独立的数字接收机通道和1个发射通道，完成北斗RDSS基带信号的接收和发射基带信号的生成等功能。该模组通过标准的UART接口与主控制器通信[7]，可以直接与MCU相连接，通过AT指令来控制数据的收发。

4 系统测试

为了验证基于北斗短报文通信的水质监测系统的正确性与稳定性，在马鞍山雨山湖和博望区博望河安置了5个采集站点进行测试。上位机软件部署于带有北斗用户指挥机的服务器上，各个采集站点部署完成后将会定时上传采集站点的水质数据。上报的部分水质数据如表2所示。

表2 采集站上报的部分水质数据表

在整个系统测试期间，组织专人对5个水质采集站点进行同步人工采集，将人工采集结果与在同一地点同一时间采集系统上报的结果进行对比。实验结果表明，自动采集设备采集的结果与人工采集的结果基本一致，该系统能够实现水质数据的远程、稳定、正确传输。

5 结论

本文从软件和硬件两个方面设计了一种基于北斗短时通信服务的水质监测系统，描述了采集终端软件功能及流程图，部分硬件系统设计原理图等，实现了对水质数据的远程监测、存储、显示、统计等功能。该系统没有通信盲区、不依赖基站通信、无后续流量费用，并且北斗系统由我国自主研发，安全性、可靠性、稳定性和保密性强。本系统对河道、湖泊的远程数据采集、传输提供了一种科学有效的技术解决方案，具有很好的市场应用前景。下一步工作将会在降低系统功耗、减小采集系统体积、优化采集系统安装、提高数据通信稳定性等方面进行改进，以扩展系统的应用范围。

[1] 姜霞,钟立香,王书航,等.巢湖水华暴发期水-沉积物界面溶解性氮形态的变化[J].中国环境科学,2009,29(11)：1158-1163.

[2] 殷福才,张之源.巢湖富营养化研究进展[J].湖泊科学,2003,15(4):37-38.

[3] 庞瑜.基于北斗短报文通信的小水电站用电采集系统研究[D].长春:吉林大学,2016.

[4] 陈钢.基于北斗的远程水文监测系统[D].成都:西南石油大学,2013.

[5] 陈东升.基于GPRS的下水道气体远程监测系统设计[J].计算机测量与控制,2014,22(12):3932-3934.

[6] 张文建,赵路佳,吴鹏,等. 基于STM32的温湿度变送器设计[J].计算机测量与控制,2016,24(4):287-290.

[7] 江苏星宇芯联电子科技有限公司.GNS1531型模块用户手册[Z].2014.