北斗短報(bào)文通信在水位監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

摘 要：本文提出了一種以單片機(jī)STM32F103ZET6作為水位監(jiān)測(cè)終端的核心控制芯片，采用投入式壓力水位傳感器，以北斗短報(bào)文功能為通信方式的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，分別給出了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)軟件測(cè)試，系統(tǒng)順利完成了數(shù)據(jù)的發(fā)送。

關(guān)鍵詞：水位監(jiān)測(cè)；北斗短報(bào)文；STM32F103ZET6

我國(guó)疆土遼闊，需要水文監(jiān)測(cè)的地點(diǎn)多且地域跨度大，目前有很多在野外環(huán)境惡劣的水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，不適合搭建有線通訊網(wǎng)絡(luò)，一些地方甚至連電信無(wú)線信號(hào)也沒(méi)有覆蓋。針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款利用北斗短報(bào)文通信的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有遠(yuǎn)距離傳輸并且不受環(huán)境限制的優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具有短報(bào)文通信能力。在水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，分為智能水位監(jiān)測(cè)終端、北斗衛(wèi)星和中心控制站3部分。將水文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)，再通過(guò)北斗短報(bào)文板卡FB3141發(fā)送到中心控制站，中心站將北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成水文數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。圖1為系統(tǒng)通信原理圖。

智能水文數(shù)據(jù)采集終端如圖2所示。系統(tǒng)采用STM32F103ZET6單片機(jī)作為遙測(cè)終端控制單元，采用北斗通信模塊FB3141以北斗短報(bào)文為通信方式。液位傳感器采用投入式壓力水位傳感器HH-T20J，溫度傳感器采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20；另還有電源電路、存儲(chǔ)單元、鍵盤、液晶顯示器等外設(shè)。

2 智能水文采集終端硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制單元與傳感器介紹

STM32系列單片機(jī)是意式半導(dǎo)體集團(tuán)開(kāi)發(fā)的32位低功耗、低成本、高性能的單片機(jī)。STM32F103ZET6配置強(qiáng)大，具有512K FLASH、64K SRAM、3個(gè)SPI、3個(gè)12位ADC、5個(gè)串口、112個(gè)通用IO口；

靜壓式液位變送器HH-T20J產(chǎn)生與水位成正比的高度線性電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)處理后即可輸出與輸入電壓成線性對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；溫度傳感器DS18B20的溫度測(cè)量范圍為-55℃～+ 125℃，最高分辨率為12位，測(cè)量精度為±0.5℃，采用單總線技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，供電方式靈活。

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

由于水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多在野外，因此采用太陽(yáng)能供電與蓄電池供電相結(jié)合的方式，蓄電池選用12V電池組，12V電源電壓經(jīng)開(kāi)關(guān)降壓芯片LM2596-5降壓至+5V，再經(jīng)降壓芯片ASM1117降壓至3.3V供單片機(jī)及周圍電路使用。

2.3 北斗通信模塊

FB3141型北斗一代RDSS射頻基帶模塊板卡為福大北斗公司自主推出的一體化模塊，模塊內(nèi)部集成了RDSS射頻收發(fā)芯片、攻防芯片、基帶電路等。模塊內(nèi)置LNA，接收為S頻點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)RDSS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行濾波，低噪聲放大，無(wú)需外置LNA，直接連接無(wú)源天線即可；該模塊集成度高、功耗低，能夠?qū)崿F(xiàn)北斗一代的定位與短報(bào)文通信。模塊的供電電壓為+5V。FB3141板卡提供RS232接口，通過(guò)MAX3232轉(zhuǎn)換芯片與STM32F103串口相連。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)

軟件與硬件相配合，主要完成溫度、水位的測(cè)量與顯示；通過(guò)按鍵可以讀取和顯示當(dāng)前的水文數(shù)據(jù)；通過(guò)北斗短報(bào)文通信板卡實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，主要包括：主程序、北斗通信子程序、水位計(jì)算子程序、溫度測(cè)量子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序、按鍵子程序和液晶顯示子程序的設(shè)計(jì)。除了中斷服務(wù)程序，其他子程序都是通過(guò)主程序調(diào)用的。

3.2 北斗短報(bào)文通訊模塊設(shè)計(jì)

通過(guò)北斗衛(wèi)星短報(bào)文板卡FB3141將檢測(cè)終端的數(shù)據(jù)發(fā)送到中心站的北斗用戶終端之前，須將水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成北斗短報(bào)文格式。短報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸格式包括指令、報(bào)文頭信息、電文內(nèi)容、校驗(yàn)和四個(gè)部分，其中電文內(nèi)容可用長(zhǎng)度為120字節(jié)。

電文中的數(shù)字與字符均用ASCII碼表示。在系統(tǒng)上電后首先檢查IC卡是否插好。因?yàn)槊裼眯畔l(fā)送的頻率通常為30-60s，若是發(fā)送失敗，設(shè)置2分鐘后重新發(fā)送，存入存儲(chǔ)器。

4 結(jié)語(yǔ)

本文論述了基于北斗短報(bào)文的水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的發(fā)送與接受。通過(guò)利用北斗短報(bào)文通訊的功能，設(shè)計(jì)的水文監(jiān)測(cè)終端能夠不受距離、地域環(huán)境的限制，特別適合普通信號(hào)無(wú)法覆蓋地區(qū)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸；

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作者簡(jiǎn)介：

呂恒琪（1993-），女，漢族，吉林白山人，山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，碩士研究生在讀，主要研究方向：自動(dòng)檢測(cè)與故障診斷。