基于北斗傳輸的地下水監測儀的設計與實現

龐麗麗，董翰川 ，史 云

(1.中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051；2.國土資源部地質環境監測技術重點實驗室，河北 保定 071051)

基于北斗傳輸的地下水監測儀的設計與實現

龐麗麗1,2，董翰川1，史 云1,2

(1.中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定071051；2.國土資源部地質環境監測技術重點實驗室，河北 保定071051)

地質環境監測儀器在實際應用中應具有較為嚴格的儀器屬性，包括耐高低溫性、密封性、耐腐蝕性、低功耗等。而無公網覆蓋地區多為高寒高海拔地區，儀器長期暴露在較為惡劣的地質環境中。因此，及時、穩定的數據通信傳輸技術是獲取水文地質參數、確保地下水動態監測系統穩定運行的關鍵。目前，地下水動態遠程監測技術多采用GSM短信格式進行監測數據的傳輸，但是該方式在野外應用中非常受限。為使地下水參數監測不受無線公共網絡覆蓋區域的限制，利用北斗衛星的定位與短報文技術，研究了一種可利用北斗衛星進行數據傳輸的通信儀器。經過大量的室內調試及野外穩定性試驗，證明了基于北斗衛星開發的地下水動態監測通信控制終端，數據傳輸穩定，儀器功耗低，防風、防沙、防潮性能良好。該研究解決了無手機信號地區地下水監測數據的傳輸障礙，實現了多方式的地下水監測通信。

北斗； 數據傳輸； 監測儀； 傳感器； 太陽能； 動態監測； 通信控制

0 引言

地下水是人類生存和發展的重要資源。目前，由于對地下水的不合理開發和利用，產生了許多不良后果。如何有效、精細地監測地下水的變化，并采取相應合理的監測手段是目前的主要任務。隨著地下水監測設備的發展，提高監測設備的野外適用性已成為研究的主要目的[1-3]。目前，我國地下水監測多采用GSM短信方式實現數據傳輸，但是在有些公共網絡信號較弱或通信基站沒有覆蓋的地區，監測數據無法有效傳輸到控制中心。因此，本文利用北斗衛星進行監測數據的傳輸，實現了各個地區的無障礙數據通信[4]。

1 地下水監測系統概述

S-BD-1地下水動態信息采集與傳輸儀器主要包括數據采集儀器(或壓力式水位水溫儀)、數據傳輸裝置、軟件管理平臺以及其他配套附件，用于對地下水的水位、水溫等動態信息進行連續、長期、自動監測。測量數據自動保存在儀器內部的存儲單元內，可定期通過移動公共服務網，將監測數據傳入終端管理平臺并完成監測數據、監測設備的動態管理。該系統實現了地下水動態數據自動采集、存儲、傳輸、遠程管理，方便了監測部門的相關工作[5-6]。

1.1系統功能

①按照設定的工作方式和監測模式，自動采集監測信息。

②實現遠程監測數據的接收、監測設備的動態管理。

③數據可自動保存在現場監測儀器的存儲單元內，可在現場進行數據回收。

④實現監測設備的參數設置及儀器配置管理。

1.2技術特點

①全自動無人值守，可任意設定工作周期。

②圓筒式結構便于安裝保護，太陽能控制器與采集通信主機采用一體式結構設計。

③由太陽能供電，微功耗。具備電池電量監控功能，可實時地將電池電量發送到管理平臺。

④內置大氣壓傳感器，可獨立測量氣壓/氣溫，并可進行就地大氣壓力補償。

⑤傳輸儀器具有開放性，可掛接多種標準協議的水位計。

1.3主要技術參數

(1)地下水動態數據采集儀技術參數如表1所示。用戶可根據自身需要選擇測量范圍。此外，探頭內部采用3.6V鋰電池供電，可用壽命≥8年；外殼防護等級為IP68。

表1 技術參數

(2)地下水動態遠程傳輸裝置配置如下。

①傳輸方式：北斗。

②工作溫度范圍：-40～+60℃，適用于野外各種氣候條件。

③供電方式：太陽能供電。

④具有大氣壓補償功能，可測量現場氣壓值。

2 地下水監測北斗傳輸硬件設計

儀器整體設計采用高精度壓力傳感器，能夠精確測量地下水水位、水溫變化，帶有存儲功能，能記錄四萬條數據。儀器具備太陽能充電管理功能，其充電管理采用的是最大功率點跟蹤(maximumpowerpointtracking,MPPT)方式充電，使充電效率更高。整體設計主要包括太陽能充電模塊、電源管理模塊、傳感器接口模塊、單片機(microcontrollerunit,MCU)、通信模塊[7-9]。地下水監測傳輸儀整體結構如圖1所示。

圖1 地下水監測傳輸儀整體結構圖

2.1太陽能充電模塊

充電模塊電路采用TI公司的BQ24650RVA芯片，具有MPPT功能，充電電流設置為4A。當太陽能電壓變低后，芯片進入待機模式。太陽能電池輸入帶有TVS二極管保護，防止因靜電進入而造成的設備損壞。充電電感采用一體成型電感，具有體積小、功率大等優點。

2.2電源管理模塊

單片機供電電路如圖2所示。

圖2 單片機供電電路

儀器整體供電部分，包括北斗供電、單片機系統供電、氣壓傳感器供電、水位傳感器供電。時鐘供電部分，用于給實時時鐘供電。電源控制部分，用于觸發供電與保持供電。氣壓傳感器供電電路如圖3所示。

圖3 氣壓傳感器供電電路

北斗與水位傳感器供電電路采用BTS723GW過載保護二極管，具有短路保護和過載保護的功能，提升了儀器的整體安全性。北斗與水位傳感器供電電路如圖4所示。

圖4 北斗與水位傳感器供電電路

時鐘供電電路使用型號為TPS70933-Q1的3.3V芯片。此芯片電壓耐壓高，靜態電流僅為1μA，滿足時鐘對低待機功耗的需求，也滿足電池16.8V的電壓。時鐘供電電路如圖5所示。

圖5 時鐘供電電路

針對野外惡劣的環境條件，儀器的設計需要從低功耗、防塵防水防雷電等方面重點考慮。因低功耗是檢驗儀器主要的性能，故對電源控制進行了研究。電路設置了1個系統時鐘觸發信號，并將系統時鐘設置為1h觸發1次，低電平有效。當觸發輸入時，系統供電被使能，單片機開始工作，單片機輸出保持信號。并消除時鐘觸發信號，單片機系統處理完任務后，清除保持信號。將自身系統電源切除，以達到省電的目的。在電路上還設置了串口觸發信號功能。外部串口連接后，當串口發送數據時，系統供電被使能，單片機開始工作，單片機輸出保持信號，單片機系統處理完任務后，清除保持信號，將自身系統電源切除，以達到省電的目的。

2.3傳感器接口單元

氣壓傳感器采用SPI接口通信，水位傳感器采用RS-485通信，使用MODBUS協議。設備內置了120Ω匹配電阻。電路采用自動收發控制，無需單片機控制接收、發送，提高了可靠性。

2.4單片機系統

基于北斗傳輸的地下水數據采集傳輸設備主要由單片機最小系統、實時時鐘系統、EEPROM系統、FLASH系統等部分構成。儀器采用PIC24FJ128GA306單片機芯片，其特點是超低功耗，從根本上提升了儀器的整體性能。時鐘芯片采用PCF8563，待機電流小，同時具有鬧鐘功能，可實現1h觸發1次，并向系統提供準確的時鐘信號。EEPROM系統用來存儲一些可變量，容量為2KB。其記錄內容主要有：服務器北斗地址、FLASH存儲數量、每天數據回傳數量、每天數據回傳的時間點。FLASH系統主要存放每個時間點的數據，容量為16MB，每組信息為64B，可以存儲262144條數據。數據記錄內容為：采樣時間、電池電壓、氣壓、氣溫、水壓、水溫。

2.5通信模塊

北斗通信模塊，通過RS-232接口與北斗通信，電源采用BTS723GW。此芯片耐壓高，電流大，有短路保護和高溫保護。

3 北斗傳輸地下水監測數據接收平臺

數據接收平臺已經實現數據的接收、解析、入庫、導出等功能，經過實驗室測試和野外測試，數據接收平臺可根據用戶自行設定的時間間隔進行數據回傳，下載數據及曲線。平臺界面需要進一步優化，使用戶可進行分組分級管理，并可指定用戶權限，方便用戶對各自的項目進行管理。

4 野外試驗

基于北斗傳輸方式的地下水監測系統，儀器整體設計采用不銹鋼外殼。儀器分為電路板腔體倉和電池倉2部分。供電采用鋰電池組供電，儀器內置氣壓傳感器，自動完成氣壓補償，無需二次換算。整套儀器防水、防塵，適用于野外惡劣的環境。目前，該系統已在野外進行試驗，在后續的研究中，還需不斷完善硬件及軟件的各項功能，服務于全國地下水監測工程。

5 結束語

本設計將北斗衛星通信技術與現代信息技術相結合，克服了地下水監測數據傳輸方式單一、應用受限的缺點。研發的基于北斗傳輸方式的地下水監測儀適用于無公共網絡信號地區，是對原有的地下水動態監測的有效補充，也提高了地下水動態監測儀器的普遍適用性和時效性，實現了多方式數據的采集、存儲、傳輸及遠程控制。

[1] 史云，錢東平，呂長飛.基于智能網絡傳感技術的地下水動態監測系統[J].農業工程學報，2008，24(s2)：68-71.

[2] 何春燕，韓文權.地下水動態監測系統研發與應用示范[J].地下空間與工程學報，2015,11(1)：199-203.

[3] 劉堯成，華小軍.北斗衛星通信在水文測報數據傳輸中的應用[J].人民長江，2007,38(10)：120-121.

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[6] 張忠遠，林春方．基于UPSD3454單片機智能水位監測儀的研究[J]．宿州學院學報，2007，22(5)：1．

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DesignandImplementationofGroundwaterMonitorBasedonBeidouTransmitted

PANG Lili1,2，DONG Hanchuan1，SHI Yun1,2

(1.Center for Hydrogeology and Environmental Geology Survey,CGS,Baoding071051,China;2.Key Laboratory of Geological Environmental Monitoring Technology,MLR,Baoding071051,China)

In practical applications,the geological environmental monitoring instruments should have more stringent instrument properties,their resistance to high and low temperature,sealing,corrosion resistance and low power consumption,etc.,are all have higher requirements.While the areas whitout public network coverage are mostly alpine high-altitude areas,the instruments are exposed to relatively harsh geological conditions for a long time.The timely and stable data communication transmission technology is the key technology to ensure stable operation of groundwater dynamic monitoring systems.At present,GSM short message format is mostly used in the groundwater dynamic remote monitoring technology,but this approach is extremely limited in field applications.For obtaining groundwater monitoring parameters not affected by the limitation of public wireless network coverage area,the Beidou satellite positioning and short message technology is adopted,and a kind of data transmission communication apparatus using Beidou satellite is researched.After a large number of indoor debugging and field stability tests,it is proved that the control terminal of groundwater dynamic monitoring and communication developed based on Beidou satellite communication features stable data transmission,low power consumption,good resistance of wind,sand and moisture.It solves the transmission obstacle of groundwater monitoring data in the area without mobile phone signal,and realizes multi-mode groundwater monitoring communication.

Beidou; Data transmission; Monitor; Sensor; Solar energy; Dynamic monitoring; Communication control

TH86; TP216

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710016

修改稿收到日期:2016-11-23

國土資源部公益性科研專項基金資助項目(201411083)、中國地質調查局地質調查項目(DD20160232)

龐麗麗(1984—)，女，碩士，工程師，主要從事水文地質環境地質儀器的研究。E-mail583289675@qq.com。