基于北斗通信技術的水情自動測報系統設計

邵燦輝

（1.國電南京自動化股份有限公司，南京210032；2.南京河海南自水電自動化有限公司，南京210032）

隨著國家對北斗衛星網絡建設的高度重視，使我國成為全球第三個擁有自主衛星導航的國家，特有的衛星短報文通信功能也是其他導航衛星所不具備的。 水情自動測報系統在多數民用領域均取得了較大的成功，特別是在水利水文行業取得了良好的社會和經濟效益，為我國的天氣預報、防洪減災事業做出了突出貢獻[1]。

在此所介紹的北斗系統主要由數據服務器、北斗指揮機、內嵌北斗通信模塊的遙測終端機、北斗指揮卡、北斗子卡（根據國家相關規定，該系統使用北斗三級卡，即北斗設備每min 只能發送1次短報文，接受短報文條數不限）組成。 該系統專門用于觀測區域降雨量、水位、氣象、流量等文水要素，并且向相關部門提供實時而準確的水文預報，是水利設施建設期和運行期內重要的監測系統，為水利設施的安全經濟運行提供了有力的判定依據。

1 系統基本工作原理

基于北斗通信技術的水情測報系統組成如圖1所示。 當該系統主要應用在無手機信號，且只能通過北斗衛星收發數據的區域，其工作流程如下：

圖1 水情測報系統的組成Fig.1 Composition of water regime measuring and forecasting system

1）當現地遙測終端機發生了定時報或者增量報時，遙測終端機將對嵌入在其內的北斗通信模塊供電，并且延時5 s 以便北斗模塊搜索北斗衛星波束。

2）延時5 s 后，遙測終端機內的MCU 對北斗模塊進行內部通信，讀取北斗模塊的波束，如果總波束和大于6（此參數可設定），確認為北斗模塊工作正常，能夠進入正常通信狀態。 否則，將繼續讀取北斗波束，連續3 次，如果失敗此次發送任務失敗。

3）當北斗模塊通信狀態就緒，MUC 通過串口向北斗模塊發送包含水文要素信息的報文，該報文發送給現地一體機，具有監聽功能的北斗指揮機同樣可以收到相同的報文數據，從而做到數據互備。北斗指揮機從收到第1 條報文開始， 延時1 min 后利用其特有的通波功能向現地設備發送回復報文， 如果現地設備沒有收到該回復報文，現地北斗通信模塊連續發送報文信息3 次。

4）由于現地測量系統的供電方式是太陽能電池供電，所以當遙測終端機利用北斗通信模塊發送完數據后需要斷掉其電源以節省電能，現地設備進入休眠狀態。

2 關鍵技術和難點

嵌入北斗通信模塊和GPRS 通信模塊的遙測終端機RTU（remote terminal unit）的電氣原理[3]如圖2所示。

圖2 遙測終端機的電氣原理Fig.2 Electrical schematic diagram about RTU

該裝置的MCU 選用了TI 公司最新的低功耗MSP430 芯片，內置北斗無線通信模件和GPRS 無線通信模件各1 塊， 有線通信有RS485，RS232，USB各1 路；配備USB 通訊接口，可通過計算機及相關通訊軟件實現對RTU 的控制、實時監測、參數下載、數據上傳和程序更新等功能；可顯示裝置內部溫濕度及供電電源、太陽能發電板電壓等信息，長時間無操作自動關閉液晶功能并進入超低功耗狀態；內置的大容量存貯器，可存儲2 a 以上的雨量、水位數據，并且存儲時間10 a 以上。

2.1 無線信號強度的判斷和信道選擇

水情遙測終端機的使用地點大多沒有移動信號，現場僅有的是衛星北斗信號[2]。 然而北斗一代短報功能的字符數有限，其有效傳輸數據量為70 多B，無法滿足SL651—2014 《水文監測數據通信規約》。但北斗民用版本的通信間隔是1 次每min， 而且北斗模塊在發送北斗報文時功耗很大，達到10 W。 這就需要遙測終端機能自動地對北斗信號進行信號強度判斷，如能滿足北斗信號強度的時候首先用北斗模塊發送報文； 如果無北斗信號則采用移動信號。 另外，北斗傳輸的規約為本公司自行約定，上位機解析時就按照該規約進行解析，由此保證了在地理環境惡劣的情況下的通信有效率。

針對北斗模塊的待機和工作功耗均比較大，并且北斗模塊在發送報文時的工作電流約為1.5 A。這就需要MCU 頻繁地對北斗模塊進行供電和斷電操作。 普通的繼電器控制容易實現，但由于控制繼電器線圈通電動作功耗比較大，有必要設計低功耗電路開關。

圖3 北斗模塊電源控制電路Fig.3 Power control circuit of Beidou module

北斗模塊電源控制電路如圖3 所示。 通過2 個MOS 管的搭建電路來實現12 V 電源的輸出， 并且壓降只有0.4 V， 斷開和通電時間在10 ms 之內完成。 圖中，Q2首先被MCU 觸發導通，直接導致了Q1的導通，而Q1能承受最大電流為3 A，完全能滿足北斗模塊的工作需要。

2.2 遠程無線參數修改

在水利水情裝置在前期勘探和測控時，遙測終端機的運行參數與正式投產后的運行參數肯定是不一樣的。 在漫長廣闊的流域測點中進行參數的更改是困難和繁瑣的，這樣必然達不到業主的要求[3]。為此需要RTU 具備無線參數修改功能，但裝置內的無線通信模塊不能長期帶電，以避免電池供電不足和充電不足的現象。 而本裝置利用參數修改的偶然性事件性質，使裝置北斗模塊每天待機0.5 h，既滿足參數修改要求又能降低功耗。 這樣的解決方式滿足下載參數的要求，并且在此時間段內業主可以實時讀取數據。

3 特殊水文要素的處理及通信流程設計

利用傳統GPRS 無線通信時， 現地設備可以對雨量的激增和水位的突變進行實時的上送，但由于民用北斗卡發送文水信息的時間間隔為1 min[4]。 所以當雨量增量達到設定的預報閥值時，需要實時上送雨量信息。如果按照傳統的實時上送，假設第1次上送完，需要等待1 min 才能上送第2 次，但在1 min之間有可能發生水位突變、雨量激增等一系列需要實時上送的信息。 因此，北斗短報文上送水文信息不同于傳統GPRS 上送數據模式， 需要在上送邏輯和水文實時性方面進行全方位的優化。

考慮到極端氣象條件中的情況， 如遇特大暴雨，正常情況下15 s 降雨量為1 mm，如果設定的預報閥值為2 mm，則1 min 內需要北斗模塊發送2 次數據，民用北斗的特性顯然難以滿足要求。 如果發送雨量報警，以1 min 上送1 次的頻率，可以滿足業主要求。 故采取了以下處理方式：

每1 min 的開始查看雨量值， 如果降雨量大于報警閥值就直接上送，否則不上送；間隔5 min 測量1 次水位值，如果變幅超過設定值就上送，否則不上送；如果當定時報文時間到，就將所有的水文要素一起通過北斗上送給數據中心[5]。

由于遙測終端機同時內置有北斗一代無線通信模塊和GPRS 無線通信模塊， 并且通過北斗通信模塊或GPRS 通信模塊能將同一個報文向多個中心站有序的發送，這樣解決了數據同時上報給現地控制中心和集控中心的要求。 并且，這2 種無線通信方式可以進行互備通信， 保證了在GPRS 或者北斗無信號地區的現地測量數據的上送。 工程的實際應用結果表明， 該方法保證通信有效率達到99%以上。 以北斗為主信道、GPRS 為后備信道的工作流程如圖4 所示。

4 結語

北斗衛星系統在水文水利行業的應用，不僅創拓展了行業的發展方向，同時也積極地響應了國家的號召，大力支持北斗衛星系統的建設，使我國導航系統不再受制于人[6]。 基于北斗通信技術的水情自動測報系統已經成功應用于四川雜谷腦、金沙江上游、云南以禮河流等流域，已累計應用北斗相關設備200 多臺套。 在2018 年10 月金沙江堰塞湖特大險情處理中，北斗衛星系統憑借其優良性能為各級政府提供了實時可靠的數據，保障了上下游人民群眾的生命財產安全，為處理該險情做出了突出貢獻。 此外，該系統具有定位精度高、可靠性強、適用地域廣泛等特點， 為建設期和運行期的水電站、庫區提供了大量的實時可靠數據。

圖4 通信流程Fig.4 Communication flow chart