基于北斗传输的地下水监测仪的设计与实现

庞丽丽，董翰川 ，史 云

(1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051；2.国土资源部地质环境监测技术重点实验室，河北 保定 071051)

基于北斗传输的地下水监测仪的设计与实现

庞丽丽1,2，董翰川1，史 云1,2

(1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定071051；2.国土资源部地质环境监测技术重点实验室，河北 保定071051)

地质环境监测仪器在实际应用中应具有较为严格的仪器属性，包括耐高低温性、密封性、耐腐蚀性、低功耗等。而无公网覆盖地区多为高寒高海拔地区，仪器长期暴露在较为恶劣的地质环境中。因此，及时、稳定的数据通信传输技术是获取水文地质参数、确保地下水动态监测系统稳定运行的关键。目前，地下水动态远程监测技术多采用GSM短信格式进行监测数据的传输，但是该方式在野外应用中非常受限。为使地下水参数监测不受无线公共网络覆盖区域的限制，利用北斗卫星的定位与短报文技术，研究了一种可利用北斗卫星进行数据传输的通信仪器。经过大量的室内调试及野外稳定性试验，证明了基于北斗卫星开发的地下水动态监测通信控制终端，数据传输稳定，仪器功耗低，防风、防沙、防潮性能良好。该研究解决了无手机信号地区地下水监测数据的传输障碍，实现了多方式的地下水监测通信。

北斗； 数据传输； 监测仪； 传感器； 太阳能； 动态监测； 通信控制

0 引言

地下水是人类生存和发展的重要资源。目前，由于对地下水的不合理开发和利用，产生了许多不良后果。如何有效、精细地监测地下水的变化，并采取相应合理的监测手段是目前的主要任务。随着地下水监测设备的发展，提高监测设备的野外适用性已成为研究的主要目的[1-3]。目前，我国地下水监测多采用GSM短信方式实现数据传输，但是在有些公共网络信号较弱或通信基站没有覆盖的地区，监测数据无法有效传输到控制中心。因此，本文利用北斗卫星进行监测数据的传输，实现了各个地区的无障碍数据通信[4]。

1 地下水监测系统概述

S-BD-1地下水动态信息采集与传输仪器主要包括数据采集仪器(或压力式水位水温仪)、数据传输装置、软件管理平台以及其他配套附件，用于对地下水的水位、水温等动态信息进行连续、长期、自动监测。测量数据自动保存在仪器内部的存储单元内，可定期通过移动公共服务网，将监测数据传入终端管理平台并完成监测数据、监测设备的动态管理。该系统实现了地下水动态数据自动采集、存储、传输、远程管理，方便了监测部门的相关工作[5-6]。

1.1系统功能

①按照设定的工作方式和监测模式，自动采集监测信息。

②实现远程监测数据的接收、监测设备的动态管理。

③数据可自动保存在现场监测仪器的存储单元内，可在现场进行数据回收。

④实现监测设备的参数设置及仪器配置管理。

1.2技术特点

①全自动无人值守，可任意设定工作周期。

②圆筒式结构便于安装保护，太阳能控制器与采集通信主机采用一体式结构设计。

③由太阳能供电，微功耗。具备电池电量监控功能，可实时地将电池电量发送到管理平台。

④内置大气压传感器，可独立测量气压/气温，并可进行就地大气压力补偿。

⑤传输仪器具有开放性，可挂接多种标准协议的水位计。

1.3主要技术参数

(1)地下水动态数据采集仪技术参数如表1所示。用户可根据自身需要选择测量范围。此外，探头内部采用3.6V锂电池供电，可用寿命≥8年；外壳防护等级为IP68。

表1 技术参数

(2)地下水动态远程传输装置配置如下。

①传输方式：北斗。

②工作温度范围：-40～+60℃，适用于野外各种气候条件。

③供电方式：太阳能供电。

④具有大气压补偿功能，可测量现场气压值。

2 地下水监测北斗传输硬件设计

仪器整体设计采用高精度压力传感器，能够精确测量地下水水位、水温变化，带有存储功能，能记录四万条数据。仪器具备太阳能充电管理功能，其充电管理采用的是最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking,MPPT)方式充电，使充电效率更高。整体设计主要包括太阳能充电模块、电源管理模块、传感器接口模块、单片机(microcontrollerunit,MCU)、通信模块[7-9]。地下水监测传输仪整体结构如图1所示。

图1 地下水监测传输仪整体结构图

2.1太阳能充电模块

充电模块电路采用TI公司的BQ24650RVA芯片，具有MPPT功能，充电电流设置为4A。当太阳能电压变低后，芯片进入待机模式。太阳能电池输入带有TVS二极管保护，防止因静电进入而造成的设备损坏。充电电感采用一体成型电感，具有体积小、功率大等优点。

2.2电源管理模块

单片机供电电路如图2所示。

图2 单片机供电电路

仪器整体供电部分，包括北斗供电、单片机系统供电、气压传感器供电、水位传感器供电。时钟供电部分，用于给实时时钟供电。电源控制部分，用于触发供电与保持供电。气压传感器供电电路如图3所示。

图3 气压传感器供电电路

北斗与水位传感器供电电路采用BTS723GW过载保护二极管，具有短路保护和过载保护的功能，提升了仪器的整体安全性。北斗与水位传感器供电电路如图4所示。

图4 北斗与水位传感器供电电路

时钟供电电路使用型号为TPS70933-Q1的3.3V芯片。此芯片电压耐压高，静态电流仅为1μA，满足时钟对低待机功耗的需求，也满足电池16.8V的电压。时钟供电电路如图5所示。

图5 时钟供电电路

针对野外恶劣的环境条件，仪器的设计需要从低功耗、防尘防水防雷电等方面重点考虑。因低功耗是检验仪器主要的性能，故对电源控制进行了研究。电路设置了1个系统时钟触发信号，并将系统时钟设置为1h触发1次，低电平有效。当触发输入时，系统供电被使能，单片机开始工作，单片机输出保持信号。并消除时钟触发信号，单片机系统处理完任务后，清除保持信号。将自身系统电源切除，以达到省电的目的。在电路上还设置了串口触发信号功能。外部串口连接后，当串口发送数据时，系统供电被使能，单片机开始工作，单片机输出保持信号，单片机系统处理完任务后，清除保持信号，将自身系统电源切除，以达到省电的目的。

2.3传感器接口单元

气压传感器采用SPI接口通信，水位传感器采用RS-485通信，使用MODBUS协议。设备内置了120Ω匹配电阻。电路采用自动收发控制，无需单片机控制接收、发送，提高了可靠性。

2.4单片机系统

基于北斗传输的地下水数据采集传输设备主要由单片机最小系统、实时时钟系统、EEPROM系统、FLASH系统等部分构成。仪器采用PIC24FJ128GA306单片机芯片，其特点是超低功耗，从根本上提升了仪器的整体性能。时钟芯片采用PCF8563，待机电流小，同时具有闹钟功能，可实现1h触发1次，并向系统提供准确的时钟信号。EEPROM系统用来存储一些可变量，容量为2KB。其记录内容主要有：服务器北斗地址、FLASH存储数量、每天数据回传数量、每天数据回传的时间点。FLASH系统主要存放每个时间点的数据，容量为16MB，每组信息为64B，可以存储262144条数据。数据记录内容为：采样时间、电池电压、气压、气温、水压、水温。

2.5通信模块

北斗通信模块，通过RS-232接口与北斗通信，电源采用BTS723GW。此芯片耐压高，电流大，有短路保护和高温保护。

3 北斗传输地下水监测数据接收平台

数据接收平台已经实现数据的接收、解析、入库、导出等功能，经过实验室测试和野外测试，数据接收平台可根据用户自行设定的时间间隔进行数据回传，下载数据及曲线。平台界面需要进一步优化，使用户可进行分组分级管理，并可指定用户权限，方便用户对各自的项目进行管理。

4 野外试验

基于北斗传输方式的地下水监测系统，仪器整体设计采用不锈钢外壳。仪器分为电路板腔体仓和电池仓2部分。供电采用锂电池组供电，仪器内置气压传感器，自动完成气压补偿，无需二次换算。整套仪器防水、防尘，适用于野外恶劣的环境。目前，该系统已在野外进行试验，在后续的研究中，还需不断完善硬件及软件的各项功能，服务于全国地下水监测工程。

5 结束语

本设计将北斗卫星通信技术与现代信息技术相结合，克服了地下水监测数据传输方式单一、应用受限的缺点。研发的基于北斗传输方式的地下水监测仪适用于无公共网络信号地区，是对原有的地下水动态监测的有效补充，也提高了地下水动态监测仪器的普遍适用性和时效性，实现了多方式数据的采集、存储、传输及远程控制。

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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

国土资源部公益性科研专项基金资助项目(201411083)、中国地质调查局地质调查项目(DD20160232)

庞丽丽(1984—)，女，硕士，工程师，主要从事水文地质环境地质仪器的研究。E-mail583289675@qq.com。