基于北斗RDSS的遠程環境監測預警系統*

李政清,關曉磊

(1.三亞學院 理工學院, 三亞 570200；2.北京航天科工世紀衛星科技有限公司)

基于北斗RDSS的遠程環境監測預警系統*

李政清,關曉磊

(1.三亞學院 理工學院, 三亞 570200；2.北京航天科工世紀衛星科技有限公司)

摘要:偏遠地區的環境監測預警事關人民安居樂業，由此提出了基于北斗衛星RDSS的遠程環境監測預警系統，用于監測偏遠地區的地動、溫度、濕度、風速等環境數據監測。經過數據分析，合成環境綜合數據，通過北斗短報文通道及時反饋到國家監測部門，提供及時的環境狀況信息。經實地測試，系統可準確測得設計參數，精度達到設計要求。

關鍵詞:北斗RDSS；環境監測；遠程預警

引言

我國是一個地質災害多發的國家，隨著經濟建設的蓬勃發展，交通、水利及資源開發等工程項目的大量實施以及自然環境變化影響造成的災害大量增加，嚴重制約著區域社會經濟的可持續發展。但目前災害監測存在兩個問題：一是地質災害監測系統大部分都是局部小范圍且以人工監測為主；二是監測系統采用的通信技術不能實現全國范圍內的無縫覆蓋，可靠性與安全性也難以得到保障。

國際上，只有荷蘭、美國、日本等國家在環境災害遠程自動監測、控制、傳輸方面居于領先水平[1]。同時，我國自主研發的北斗衛星系統信號覆蓋我國領土及周邊地區，具備定位功能，安全、可靠、保密性強，適合關鍵部門應用，其短信通信功能是GPS所不具備的，可以作為常規通信方式的補充。因此，本文設計了基于北斗RDSS(Radio Determination Satellite System)的遠程環境監測預警系統。

1系統原理

“北斗”衛星導航系統是我國自行研制、自行建設、自行管理并具有完全自主知識產權的區域性衛星導航系統，該系統主要由空間衛星、地面中心站和用戶終端三部分組成(如圖1所示)，具有快速定位、雙向通信和精密授時三大功能。

圖1　北斗導航系統結構圖

北斗短報文通信技術是指北斗衛星終端和北斗衛星或北斗地面服務站之間能夠直接通過衛星信號進行雙向的信息傳遞，傳遞效率高、覆蓋面廣、組網靈活、不易受環境影響，比如在普通移動通信信號不能覆蓋的情況下，北斗終端就可以通過短報文進行緊急通信，適合遠程環境監測預警的情況。該終端系統由傳感器采集模塊、信號處理控制模塊、通信定位模塊構成，系統原理框圖如圖2所示。

圖2　系統原理框圖

傳感器采集模塊包括溫度傳感器、濕度傳感器、風速傳感器和三軸加速度傳感器。其中溫度、濕度傳感器模塊主要采集參考點的溫濕度數字信號，當測得溫濕度超出設定界限時進行報警，提示惡劣環境的出現；風速傳感器可連續監測參考點的風速、風量；三軸加速度傳感器用于測量地表的運動情況，得到地動系數；GPS用于獲得位置信息。

傳感器采集數據后，經過信號調理電路、ADC，采用STM32F107FV微控制器。由于北斗RDSS是主動定位系統，在北斗二代中主要用于數據的傳輸，在這里可以將傳感器采集的數據經過打包壓縮傳送至后端監控主機，顯示環境的溫度、濕度、風速、風量、地動系數，進行實時監測。

2硬件組成

2.1傳感器采集模塊

(1) 溫度傳感器

其采用不銹鋼金屬外殼封裝，內部填充絕緣導熱材料密封，具有體積小巧、反應靈敏、防水抗震的特點，最大測溫范圍為-200～400 ℃，可廣泛用于環境溫度、氣體溫度、液體溫度、物體表面溫度等各種類型的溫度測量。

(2) 濕度傳感器

由于監測點通常環境較為復雜，易受到塵土、油污及有害氣體的影響，電容式濕敏元件穩定性差的特點不利于長期使用，故采用氯化鋰濕敏電阻。其精度較高，受溫度影響小，抗腐蝕能力強，具有良好的線性度及一致性長期穩定性強，是其他感濕材料無法取代的優勢。圖3為濕敏元件電路。

圖3　濕敏元件電路

(3) 三軸加速度傳感器

利用微型電容式三軸加速度傳感器MMA7260芯片，利用其設計穩定、防震能力強的特點對運動方向進行檢測。其采用信號調理、單極低通濾波器和溫度補償技術，可在4個靈敏度(±1.5g/2g/4g/6g)中選擇，還帶有低通濾波并做0g補償，且功耗低，工作時電流為500 μA，休眠模式下為3 μA，是電池供電的無線數據采集的理想之選。

(4) 風速傳感器

要求風速傳感器具有防腐、防侵蝕、抗雷擊的特點，且工作溫度范圍廣，故采用PH100SX風速風向傳感器，其工作可靠、動態性能良好，滿足野外惡劣環境的需要。

2.2通信模塊

北斗衛星模塊UM330是基于多系統、多頻率、高性能的SoC芯片，采用單芯片接收機方案，同時支持BD1基帶以及BD2/GPS基帶和射頻，實現更高的集成度和更低的功耗，支持短報文收發[2]。

用戶一次最大可以傳送120個漢字的報文信息，而民用信息發送的頻度通常為30～60 s。系統接收載波頻率S波段(1.55～3.4 GHz)，發射載波頻率為L波段(1～2 GHz)，由于強降雨、雪、霧等惡劣天氣引起的信號衰減效應在此頻段范圍內非常小，因此可以充分保證系統的信號傳輸不受雨衰效應的影響。

經實驗統計分析，北斗短報文通信單數據包的傳輸成功率為95.5%，平均傳輸延時為3.8 s[3]。

2.3控制模塊

作為主控芯片選擇STM32F107FV(以下簡稱STM32)微控制器，主要考慮兩個方面：一方面是功耗水平。STM32可以在2 V供電的情況下運行，在所有設備同時打開且運行在滿速72 MHz主頻時，最大電流為36 mA，在Cortex-M3內核的低功耗模式，僅有2 μA的電流。當外部振蕩器處在待啟動狀態，使用內部8 MHz的RC振蕩器也可迅速退出低功耗模式。這種快速進出低功耗模式的特性，進一步降低了整體的功耗，同時，微控制器仍然可以保持器件的整體高性能，非常適合野外環境長時間采集需要。另一方面是器件精度的要求。由于系統所處環境變化無常，要求器件穩定性要好，出于可靠性的考慮，STM32配備一個低電壓檢測器、一個時鐘安全管理系統和兩個看門狗定時器，以支持對可靠性的高度要求。時鐘管理系統可以檢測到外部主振蕩器的失效，并隨即安全地將STM32內部8 MHz的RC振蕩器切換為主時鐘源。兩個看門狗定時器中的一個稱為窗口看門狗，必須在事先定義好的時間上下限到達之前刷新，如果過早或過晚，將會觸發窗口看門狗復位。第二個看門狗為獨立看門狗，使用外部振蕩器驅動，該振蕩器與主系統時鐘相互獨立，即使主系統時鐘崩潰，獨立看門狗也能繼續工作，保證系統正常運行。

3程序設計

環境監測數據的采集是通過主程序定時周期性地調用采集程序模塊來完成，每隔30 s主程序調用一次采集程序，將數據存儲于存儲區，等待傳輸模塊對數據進行發送，數據采集程序的流程圖如圖4所示。

圖4　數據采集程序流程圖

4測試結果

圖5為測試時系統地動系數值，橫坐標為時間，縱坐標為地表物質移動距離。

圖5　地動系數值

從上述測試結果可以看出，該系統能夠準確獲得地動參數，符合設計精度要求，結合北斗RDSS服務能夠達到環境參數遠程監測目的。

參考文獻

[1] 周平根，過靜珺，李昂，等.基于“北斗一號”導航衛星通訊的滑坡實時監測系統研究[J].全球定位系統，2008(5)：20-23.

[2] 吳悅，任濤，王璇.基于北斗短報文的泥石流監測預警系統[J].自動化與儀表，2014(3)：19-22.

[3] 谷軍霞，王春芳，宋之光.北斗短報文通信信道性能測試與統計分析[J].氣象科技，2015，43(3)：45-46.

李政清(碩士)，主要從事測控技術與儀器方面的研究。

結語

在過去20年內，ARM已然成為移動變革的核心。從早期的2G手機到3G再到LTE，已經有超過200億手機采用了ARM技術，ARM是蜂窩式調制解調器的核心。

除了諸如電子郵件、新聞和社交媒體等信息化服務之外，人們則傾向于更復雜的使用案例，覆蓋到日常生活的方方面面(如健康、福利、醫療等)。即使這些設備的形狀因數已經開始改變并打破了傳統智能手機的限制，新的應用(如可穿戴設備)已經與我們的日常生活無縫銜接。

未來對服務的更多需求對網絡提出了更高的要求。如何更有效地利用無線頻譜是至關重要的，這將推進5G無線通信系統的發展。增加移動網絡的容量，可以讓移動網絡不僅服務于更多的用戶，并且在物聯網的推動下，也服務于更多的“事件”或物體。通過更高效地使用和監控資源實現低碳經濟、通過遠程醫療實現普遍醫療保健或實現汽車聯網，這些只是持續移動變革所帶來的諸多益處中的幾個。

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

* 基金項目：三亞學院科研項目(項目編號：XYQN14-06)。

中圖分類號:TN98

文獻標識碼:A

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2015-11-23) (責任編輯：薛士然2016-04-15)