基于北斗RDSS的远程环境监测预警系统*

李政清,关晓磊

(1.三亚学院 理工学院, 三亚 570200；2.北京航天科工世纪卫星科技有限公司)

基于北斗RDSS的远程环境监测预警系统*

李政清,关晓磊

(1.三亚学院 理工学院, 三亚 570200；2.北京航天科工世纪卫星科技有限公司)

摘要:偏远地区的环境监测预警事关人民安居乐业，由此提出了基于北斗卫星RDSS的远程环境监测预警系统，用于监测偏远地区的地动、温度、湿度、风速等环境数据监测。经过数据分析，合成环境综合数据，通过北斗短报文通道及时反馈到国家监测部门，提供及时的环境状况信息。经实地测试，系统可准确测得设计参数，精度达到设计要求。

关键词:北斗RDSS；环境监测；远程预警

引言

我国是一个地质灾害多发的国家，随着经济建设的蓬勃发展，交通、水利及资源开发等工程项目的大量实施以及自然环境变化影响造成的灾害大量增加，严重制约着区域社会经济的可持续发展。但目前灾害监测存在两个问题：一是地质灾害监测系统大部分都是局部小范围且以人工监测为主；二是监测系统采用的通信技术不能实现全国范围内的无缝覆盖，可靠性与安全性也难以得到保障。

国际上，只有荷兰、美国、日本等国家在环境灾害远程自动监测、控制、传输方面居于领先水平[1]。同时，我国自主研发的北斗卫星系统信号覆盖我国领土及周边地区，具备定位功能，安全、可靠、保密性强，适合关键部门应用，其短信通信功能是GPS所不具备的，可以作为常规通信方式的补充。因此，本文设计了基于北斗RDSS(Radio Determination Satellite System)的远程环境监测预警系统。

1系统原理

“北斗”卫星导航系统是我国自行研制、自行建设、自行管理并具有完全自主知识产权的区域性卫星导航系统，该系统主要由空间卫星、地面中心站和用户终端三部分组成(如图1所示)，具有快速定位、双向通信和精密授时三大功能。

图1　北斗导航系统结构图

北斗短报文通信技术是指北斗卫星终端和北斗卫星或北斗地面服务站之间能够直接通过卫星信号进行双向的信息传递，传递效率高、覆盖面广、组网灵活、不易受环境影响，比如在普通移动通信信号不能覆盖的情况下，北斗终端就可以通过短报文进行紧急通信，适合远程环境监测预警的情况。该终端系统由传感器采集模块、信号处理控制模块、通信定位模块构成，系统原理框图如图2所示。

图2　系统原理框图

传感器采集模块包括温度传感器、湿度传感器、风速传感器和三轴加速度传感器。其中温度、湿度传感器模块主要采集参考点的温湿度数字信号，当测得温湿度超出设定界限时进行报警，提示恶劣环境的出现；风速传感器可连续监测参考点的风速、风量；三轴加速度传感器用于测量地表的运动情况，得到地动系数；GPS用于获得位置信息。

传感器采集数据后，经过信号调理电路、ADC，采用STM32F107FV微控制器。由于北斗RDSS是主动定位系统，在北斗二代中主要用于数据的传输，在这里可以将传感器采集的数据经过打包压缩传送至后端监控主机，显示环境的温度、湿度、风速、风量、地动系数，进行实时监测。

2硬件组成

2.1传感器采集模块

(1) 温度传感器

其采用不锈钢金属外壳封装，内部填充绝缘导热材料密封，具有体积小巧、反应灵敏、防水抗震的特点，最大测温范围为-200～400 ℃，可广泛用于环境温度、气体温度、液体温度、物体表面温度等各种类型的温度测量。

(2) 湿度传感器

由于监测点通常环境较为复杂，易受到尘土、油污及有害气体的影响，电容式湿敏元件稳定性差的特点不利于长期使用，故采用氯化锂湿敏电阻。其精度较高，受温度影响小，抗腐蚀能力强，具有良好的线性度及一致性长期稳定性强，是其他感湿材料无法取代的优势。图3为湿敏元件电路。

图3　湿敏元件电路

(3) 三轴加速度传感器

利用微型电容式三轴加速度传感器MMA7260芯片，利用其设计稳定、防震能力强的特点对运动方向进行检测。其采用信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，可在4个灵敏度(±1.5g/2g/4g/6g)中选择，还带有低通滤波并做0g补偿，且功耗低，工作时电流为500 μA，休眠模式下为3 μA，是电池供电的无线数据采集的理想之选。

(4) 风速传感器

要求风速传感器具有防腐、防侵蚀、抗雷击的特点，且工作温度范围广，故采用PH100SX风速风向传感器，其工作可靠、动态性能良好，满足野外恶劣环境的需要。

2.2通信模块

北斗卫星模块UM330是基于多系统、多频率、高性能的SoC芯片，采用单芯片接收机方案，同时支持BD1基带以及BD2/GPS基带和射频，实现更高的集成度和更低的功耗，支持短报文收发[2]。

用户一次最大可以传送120个汉字的报文信息，而民用信息发送的频度通常为30～60 s。系统接收载波频率S波段(1.55～3.4 GHz)，发射载波频率为L波段(1～2 GHz)，由于强降雨、雪、雾等恶劣天气引起的信号衰减效应在此频段范围内非常小，因此可以充分保证系统的信号传输不受雨衰效应的影响。

经实验统计分析，北斗短报文通信单数据包的传输成功率为95.5%，平均传输延时为3.8 s[3]。

2.3控制模块

作为主控芯片选择STM32F107FV(以下简称STM32)微控制器，主要考虑两个方面：一方面是功耗水平。STM32可以在2 V供电的情况下运行，在所有设备同时打开且运行在满速72 MHz主频时，最大电流为36 mA，在Cortex-M3内核的低功耗模式，仅有2 μA的电流。当外部振荡器处在待启动状态，使用内部8 MHz的RC振荡器也可迅速退出低功耗模式。这种快速进出低功耗模式的特性，进一步降低了整体的功耗，同时，微控制器仍然可以保持器件的整体高性能，非常适合野外环境长时间采集需要。另一方面是器件精度的要求。由于系统所处环境变化无常，要求器件稳定性要好，出于可靠性的考虑，STM32配备一个低电压检测器、一个时钟安全管理系统和两个看门狗定时器，以支持对可靠性的高度要求。时钟管理系统可以检测到外部主振荡器的失效，并随即安全地将STM32内部8 MHz的RC振荡器切换为主时钟源。两个看门狗定时器中的一个称为窗口看门狗，必须在事先定义好的时间上下限到达之前刷新，如果过早或过晚，将会触发窗口看门狗复位。第二个看门狗为独立看门狗，使用外部振荡器驱动，该振荡器与主系统时钟相互独立，即使主系统时钟崩溃，独立看门狗也能继续工作，保证系统正常运行。

3程序设计

环境监测数据的采集是通过主程序定时周期性地调用采集程序模块来完成，每隔30 s主程序调用一次采集程序，将数据存储于存储区，等待传输模块对数据进行发送，数据采集程序的流程图如图4所示。

图4　数据采集程序流程图

4测试结果

图5为测试时系统地动系数值，横坐标为时间，纵坐标为地表物质移动距离。

图5　地动系数值

从上述测试结果可以看出，该系统能够准确获得地动参数，符合设计精度要求，结合北斗RDSS服务能够达到环境参数远程监测目的。

参考文献

[1] 周平根，过静珺，李昂，等.基于“北斗一号”导航卫星通讯的滑坡实时监测系统研究[J].全球定位系统，2008(5)：20-23.

[2] 吴悦，任涛，王璇.基于北斗短报文的泥石流监测预警系统[J].自动化与仪表，2014(3)：19-22.

[3] 谷军霞，王春芳，宋之光.北斗短报文通信信道性能测试与统计分析[J].气象科技，2015，43(3)：45-46.

李政清(硕士)，主要从事测控技术与仪器方面的研究。

结语

在过去20年内，ARM已然成为移动变革的核心。从早期的2G手机到3G再到LTE，已经有超过200亿手机采用了ARM技术，ARM是蜂窝式调制解调器的核心。

除了诸如电子邮件、新闻和社交媒体等信息化服务之外，人们则倾向于更复杂的使用案例，覆盖到日常生活的方方面面(如健康、福利、医疗等)。即使这些设备的形状因数已经开始改变并打破了传统智能手机的限制，新的应用(如可穿戴设备)已经与我们的日常生活无缝衔接。

未来对服务的更多需求对网络提出了更高的要求。如何更有效地利用无线频谱是至关重要的，这将推进5G无线通信系统的发展。增加移动网络的容量，可以让移动网络不仅服务于更多的用户，并且在物联网的推动下，也服务于更多的“事件”或物体。通过更高效地使用和监控资源实现低碳经济、通过远程医疗实现普遍医疗保健或实现汽车联网，这些只是持续移动变革所带来的诸多益处中的几个。

Environmental Remote Monitoring and Early-warning System Based on Beidou RDSS

Li Zhengqing1,Guan Xiaolei2

(1.College of Science and Engineering,Sanya University,Sanya 570200,China;2.Beijing Aerospace Science and Industry Century Satellite Technology Corporation Ltd)

Abstract：The environmental monitoring and early warning in the remote areas relates to people live and work,so the environmental monitoring and early warning system based on Beidou RDSS is proposed,which is used to monitor the earth motion,temperature,humidity,wind speed and other environmental data.After data analysis,the data will be integrated into synthetic environmental data and be transmitted to the national testing department by Beidou’s short-message channel to provide timely information of the environmental conditions.At last,the field test results show that the system can accurately test design parameters,which meets the required precision.

Key words:Beidou RDSS;environmental monitoring;remote early warning

* 基金项目：三亚学院科研项目(项目编号：XYQN14-06)。

中图分类号:TN98

文献标识码:A

收稿日期：(责任编辑：杨迪娜2015-11-23) (责任编辑：薛士然2016-04-15)