基于北斗通信技术的水情自动测报系统设计

邵灿辉

（1.国电南京自动化股份有限公司，南京210032；2.南京河海南自水电自动化有限公司，南京210032）

随着国家对北斗卫星网络建设的高度重视，使我国成为全球第三个拥有自主卫星导航的国家，特有的卫星短报文通信功能也是其他导航卫星所不具备的。 水情自动测报系统在多数民用领域均取得了较大的成功，特别是在水利水文行业取得了良好的社会和经济效益，为我国的天气预报、防洪减灾事业做出了突出贡献[1]。

在此所介绍的北斗系统主要由数据服务器、北斗指挥机、内嵌北斗通信模块的遥测终端机、北斗指挥卡、北斗子卡（根据国家相关规定，该系统使用北斗三级卡，即北斗设备每min 只能发送1次短报文，接受短报文条数不限）组成。 该系统专门用于观测区域降雨量、水位、气象、流量等文水要素，并且向相关部门提供实时而准确的水文预报，是水利设施建设期和运行期内重要的监测系统，为水利设施的安全经济运行提供了有力的判定依据。

1 系统基本工作原理

基于北斗通信技术的水情测报系统组成如图1所示。 当该系统主要应用在无手机信号，且只能通过北斗卫星收发数据的区域，其工作流程如下：

图1 水情测报系统的组成Fig.1 Composition of water regime measuring and forecasting system

1）当现地遥测终端机发生了定时报或者增量报时，遥测终端机将对嵌入在其内的北斗通信模块供电，并且延时5 s 以便北斗模块搜索北斗卫星波束。

2）延时5 s 后，遥测终端机内的MCU 对北斗模块进行内部通信，读取北斗模块的波束，如果总波束和大于6（此参数可设定），确认为北斗模块工作正常，能够进入正常通信状态。 否则，将继续读取北斗波束，连续3 次，如果失败此次发送任务失败。

3）当北斗模块通信状态就绪，MUC 通过串口向北斗模块发送包含水文要素信息的报文，该报文发送给现地一体机，具有监听功能的北斗指挥机同样可以收到相同的报文数据，从而做到数据互备。北斗指挥机从收到第1 条报文开始， 延时1 min 后利用其特有的通波功能向现地设备发送回复报文， 如果现地设备没有收到该回复报文，现地北斗通信模块连续发送报文信息3 次。

4）由于现地测量系统的供电方式是太阳能电池供电，所以当遥测终端机利用北斗通信模块发送完数据后需要断掉其电源以节省电能，现地设备进入休眠状态。

2 关键技术和难点

嵌入北斗通信模块和GPRS 通信模块的遥测终端机RTU（remote terminal unit）的电气原理[3]如图2所示。

图2 遥测终端机的电气原理Fig.2 Electrical schematic diagram about RTU

该装置的MCU 选用了TI 公司最新的低功耗MSP430 芯片，内置北斗无线通信模件和GPRS 无线通信模件各1 块， 有线通信有RS485，RS232，USB各1 路；配备USB 通讯接口，可通过计算机及相关通讯软件实现对RTU 的控制、实时监测、参数下载、数据上传和程序更新等功能；可显示装置内部温湿度及供电电源、太阳能发电板电压等信息，长时间无操作自动关闭液晶功能并进入超低功耗状态；内置的大容量存贮器，可存储2 a 以上的雨量、水位数据，并且存储时间10 a 以上。

2.1 无线信号强度的判断和信道选择

水情遥测终端机的使用地点大多没有移动信号，现场仅有的是卫星北斗信号[2]。 然而北斗一代短报功能的字符数有限，其有效传输数据量为70 多B，无法满足SL651—2014 《水文监测数据通信规约》。但北斗民用版本的通信间隔是1 次每min， 而且北斗模块在发送北斗报文时功耗很大，达到10 W。 这就需要遥测终端机能自动地对北斗信号进行信号强度判断，如能满足北斗信号强度的时候首先用北斗模块发送报文； 如果无北斗信号则采用移动信号。 另外，北斗传输的规约为本公司自行约定，上位机解析时就按照该规约进行解析，由此保证了在地理环境恶劣的情况下的通信有效率。

针对北斗模块的待机和工作功耗均比较大，并且北斗模块在发送报文时的工作电流约为1.5 A。这就需要MCU 频繁地对北斗模块进行供电和断电操作。 普通的继电器控制容易实现，但由于控制继电器线圈通电动作功耗比较大，有必要设计低功耗电路开关。

图3 北斗模块电源控制电路Fig.3 Power control circuit of Beidou module

北斗模块电源控制电路如图3 所示。 通过2 个MOS 管的搭建电路来实现12 V 电源的输出， 并且压降只有0.4 V， 断开和通电时间在10 ms 之内完成。 图中，Q2首先被MCU 触发导通，直接导致了Q1的导通，而Q1能承受最大电流为3 A，完全能满足北斗模块的工作需要。

2.2 远程无线参数修改

在水利水情装置在前期勘探和测控时，遥测终端机的运行参数与正式投产后的运行参数肯定是不一样的。 在漫长广阔的流域测点中进行参数的更改是困难和繁琐的，这样必然达不到业主的要求[3]。为此需要RTU 具备无线参数修改功能，但装置内的无线通信模块不能长期带电，以避免电池供电不足和充电不足的现象。 而本装置利用参数修改的偶然性事件性质，使装置北斗模块每天待机0.5 h，既满足参数修改要求又能降低功耗。 这样的解决方式满足下载参数的要求，并且在此时间段内业主可以实时读取数据。

3 特殊水文要素的处理及通信流程设计

利用传统GPRS 无线通信时， 现地设备可以对雨量的激增和水位的突变进行实时的上送，但由于民用北斗卡发送文水信息的时间间隔为1 min[4]。 所以当雨量增量达到设定的预报阀值时，需要实时上送雨量信息。如果按照传统的实时上送，假设第1次上送完，需要等待1 min 才能上送第2 次，但在1 min之间有可能发生水位突变、雨量激增等一系列需要实时上送的信息。 因此，北斗短报文上送水文信息不同于传统GPRS 上送数据模式， 需要在上送逻辑和水文实时性方面进行全方位的优化。

考虑到极端气象条件中的情况， 如遇特大暴雨，正常情况下15 s 降雨量为1 mm，如果设定的预报阀值为2 mm，则1 min 内需要北斗模块发送2 次数据，民用北斗的特性显然难以满足要求。 如果发送雨量报警，以1 min 上送1 次的频率，可以满足业主要求。 故采取了以下处理方式：

每1 min 的开始查看雨量值， 如果降雨量大于报警阀值就直接上送，否则不上送；间隔5 min 测量1 次水位值，如果变幅超过设定值就上送，否则不上送；如果当定时报文时间到，就将所有的水文要素一起通过北斗上送给数据中心[5]。

由于遥测终端机同时内置有北斗一代无线通信模块和GPRS 无线通信模块， 并且通过北斗通信模块或GPRS 通信模块能将同一个报文向多个中心站有序的发送，这样解决了数据同时上报给现地控制中心和集控中心的要求。 并且，这2 种无线通信方式可以进行互备通信， 保证了在GPRS 或者北斗无信号地区的现地测量数据的上送。 工程的实际应用结果表明， 该方法保证通信有效率达到99%以上。 以北斗为主信道、GPRS 为后备信道的工作流程如图4 所示。

4 结语

北斗卫星系统在水文水利行业的应用，不仅创拓展了行业的发展方向，同时也积极地响应了国家的号召，大力支持北斗卫星系统的建设，使我国导航系统不再受制于人[6]。 基于北斗通信技术的水情自动测报系统已经成功应用于四川杂谷脑、金沙江上游、云南以礼河流等流域，已累计应用北斗相关设备200 多台套。 在2018 年10 月金沙江堰塞湖特大险情处理中，北斗卫星系统凭借其优良性能为各级政府提供了实时可靠的数据，保障了上下游人民群众的生命财产安全，为处理该险情做出了突出贡献。 此外，该系统具有定位精度高、可靠性强、适用地域广泛等特点， 为建设期和运行期的水电站、库区提供了大量的实时可靠数据。

图4 通信流程Fig.4 Communication flow chart