基于北斗系统的山区水文监测系统设计

李 和 汪淑贤

（1.桂林师范高等专科学校，广西 桂林 541199；2.桂林电子科技大学信息科技学院，广西 桂林 541004）

0 引言

我国疆域广阔，河流众多，降雨分布不均，是世界上受洪涝灾害影响最严重的国家之一[1]。受世界气候变化的影响，近年来洪涝灾害日趋严重，给人们的生命财产安全造成极大威胁，直接影响着我国社会经济的可持续发展。因此，针对地形、地域和气候等复杂条件，建立覆盖主要江河湖泊的水文监测系统，快速精准的采集和传输雨情、水情等各类灾情信息，保障防灾抗灾信息传达，可最大限度地减少洪涝灾害损失[2]。但目前市面上的水文监测系统存在测量精度低、报汛不及时、限制性大等缺点，特别是在边远山区移动信号失效时，无法提供准确可靠的水文变化数据，无法解决山洪暴发等洪涝灾害所带来的影响。本文基于北斗卫星导航系统定位及短报文通信功能应用，设计一款山区水文信息监测系统，系统采用一系列传感器采集水文环境信息，采用北斗定位模块获取水文的位置信息，通过北斗通信模块将水文位置和环境信息发送至监控中心。本系统利用北斗系统进行定位和数据传输，不受地点、外界条件限制，在发生地震、洪涝等自然灾害时，依然稳定可靠。

1 水文监测系统的总体结构

基于北斗系统的山区水文监测系统包括主控处理器（MCU）、北斗RNSS定位模块、北斗RDSS通信模块、水位检测模块、雨量检测模块和流量检测模块等，其实现框图如图1所示：

图1 山区水文监测系统的总体结构

系统采用水位检测模块、雨量检测模块和流量检测模块等采集水位、降雨量、流量等水文环境信息，采用北斗RNSS定位模块获取水文的位置信息，通过北斗RDSS通信模块将水文位置和环境信息发送至监控中心。同时，系统会根据当前的水位、降雨量及流量等水文环境信息进行综合分析处理，并及时向监控中心发出预警，以便指挥中心及时做出防灾抗灾的应对措施。

2 水文监测系统的硬件设计

2.1 主控处理器（MCU）

系统采用成熟稳定的MSP432处理器作为主控处理器，控制北斗RNSS定位模块、北斗RDSS通信模块、水位检测模块、雨量检测模块和流量检测模块等重要模块。主控处理器一方面对北斗RNSS定位模块传送过来的卫星无线电导航信号进行读取、解析及综合处理后，得到用户的位置、时间等定位信息；另一方面，将传感器采集到的水文环境信息与位置信息一起按照标准的北斗短报文格式进行封装和打包，并将打包和封装好的数据信息传送至北斗RDSS通信模块。同时，根据当前的水位、降雨量及流量等水文环境信息进行综合分析处理，及时通过北斗通信模块向监控中心发出预警。

2.2 北斗RNSS定位模块

北斗RNSS（Radio Navigation Satellite System）定位模块，是用来接收卫星无线电导航信号，实现用户位置、时间、速度等信息的获取。本次设计北斗RNSS定位模块采用的是和芯星通公司的UM220-IV模块，该模块在双系统水平下定位精度能达到2.5 m CEP，测速精度为0.1 m/s，垂直定位精度为5 m CEP，跟踪灵敏度可达-161 dBm。UM220-IV模块串口（UART）支持数据传输、固件升级功能，输入/输出信号类型为LVTTL电平，与单片机配合使用无须进行电平转换。

2.3 水位检测模块

本系统的水位检测模块以超声波作为检测手段，它的基木测量原理是利用其反射特性，测量发射波与反射波之间的时间差，并根据公式s=v×t/2计算距离（其中：v是超声波的传播速度，s是测量距离，t是传播的时间差）。超声波可以在比较恶劣的环境条件工作，对雨、雪、雾的穿透能力很强，因此，本系统选择NU40C12TR-1超声波传感器来测量水位。NU40C12TR-1是收发一体的超声波传感器，其敏感性好，灵敏度为-55 dBm，容易接收信号，再加上NU40C12TR-1是一款通用型传感器，价格较便宜，且比较容易购买，是本方案的最佳选择。

2.4 流量检测模块

流量检测模块采用红旗仪表生产的HQ-LWGY分体式涡轮流量传感器。其工作原理是当被测流体流经传感器时，传感器内的叶轮借助于流体的动能而产生旋转，叶轮即周期性收变磁电感应系统中的磁电阻，通过线圈的磁通量周期性发生变化而产生电脉冲信号，经放大器放大后传送至相应的流量积算处理器，进行流量或总量的测量[3]。HQ-LWGY的工作内电源为3.6V锂电池（锂电池可用2年以上），输出方式为4～20 mA脉冲电流信号，通过RS485接口可传输瞬时流量和累积流量和时间、日期。HQLWGY采用先进的微处理技术，具有流量范围宽，操作简单，安装使用方便的特点。

2.5 雨量检测模块

雨量检测模块采用天星智联生产的RS-100光学雨量传感器。RS-100光学雨量传感器采用光学感应原理测量降雨量，内置多个光学探头，并且采用了可靠的遥测算法[4]，确保雨量的可靠检测。RS-100光学雨量传感器支持开关量和UART输出，并可扩展RS485、RS232或GPRS无线传输，具有感雨、测雨两种工作模式：测雨模式下的分辨为0.1 mm，传感器每检测到0.1 mm的降雨时，通过信号线向外界发出一个时长50 ms的5V脉冲信号；感雨模式下的分辨率为0.01 mm，传感器每检测到0.01 mm的降雨时，通过信号线向外界发出一个时长1 min的5V脉冲信号。

2.6 北斗RDSS通信模块

北斗RDSS（Radio Determination Satellite Service）是另一种卫星无线电测定业务，其特点是在完成定位的同时，通过用户应答完成用户位置向外部系统的报告，这是北斗系统的重要特色，即北斗短报文服务功能。北斗RDSS通信模块将单片机送过来的打包和封装好的短报文水文位置和环境信息发送到北斗卫星上去，再通过北斗卫星转发到地面监控中心，实现水文监测。本设计采用的是一款泰斗TD3201模块，其内部集成了北斗RDSS基带芯片TD1100A、RDSS射频收发芯片DT-A6、5W功放芯片LXK6618等电路，通过外接无源天线，即可实现北斗系统的短报文通信功能。

3 结语

以上是基于北斗卫星导航系统设计的一款山区水文信息监测系统，系统采用一系列传感器采集水文环境信息，利用北斗卫星导航系统定位和数据传输，具有测量精度高、抗自然灾害能力强、不受地域限制等特点，在发生地震、洪涝等自然灾害时，依然稳定可靠，具有广阔的应用前景。