CN115802415A - 一种基于北斗通信技术的水文监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于北斗通信技术的水文监测系统，包括：水文监测传感器组、微控制器、LoRa通信模块、北斗模块、北斗地面中心、前置机以及服务器；微控制器通过LoRa通信模块将水文监测传感器组得到的水文数据传输至北斗模块；北斗模块将水文数据封装并以短信报文的形式发送第一短信报文至北斗地面中心，等待北斗地面中心发回第一反馈报文；若在规定的重发时间间隔内未收到第一反馈报文，重新发送第一短信报文；北斗地面中心接收第一短信报文并发送至前置机；在接收到第一短信报文后，重复发送第一反馈报文至北斗模块，直至收到第二短信报文；服务器从前置机获取短信报文，显著提升北斗短报文在水文数据传输上的传输成功率。
Description
技术领域
本发明涉及水文监测通信技术领域，尤其涉及一种基于北斗通信技术的水文监测系统。
背景技术
水文监测是进行洪水预报、防汛指挥、水利工程安全调度、水资源管理和保护的重要手段，水文监测站对居民生活安全、水利工程建设发展等方面具有重要意义。当前的部分地区水文监测站在水文监测中会借助人工观察的方法，水文数据的上报也依靠人工，存在上报的数据不准确和不及时问题，即使一些水文监测站配备了水文自动测报装置，但是精确度、稳定性和智能化水平都不理想，所以传统的水文测报方法已经不能满足防灾和抗灾的要求。随着科学技术水平的发展，航空航天、卫星通信等高端技术越来越多地被应用到水文监测领域当中，通过更加精准、实时的定位辅助，为工作人员提供了有效的数据导向支持，大大提高了水文监测站的工作质量和工作效率，可以对水文信息的基本条件、影响因素全面分析，对区域内的水库、河流监测点中的水位、流量、水质等信息实时采集和传输，有利于对水资源的合理利用，可以提升预测洪涝灾害的准确性，有利于分析出洪涝灾害的发生规律。
北斗卫星通信是利用人造卫星作为中继站转发微波信号以实现各地之间通信的一种方式，具有高可靠、抗干扰、覆盖面广、容量大等优点，使用地点几乎不受限制，适合长距离通讯，已经在水利减灾救灾、电力巡检、国土监测等多个国民经济领域得到了充分应用。北斗卫星导航系统可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、授时和短报文通信服务，用户可通过北斗系统发送自由格式报文和定位信息，北斗卫星短报文可以作为水文自动测报系统的数据传输主通信信道或者备用应急信道。当前民用北斗短报文通信链路容易受到障碍物、外界信号干扰，或者存在自由空间损耗、大气气体吸收损耗、云雾和降雨的衰减、电离层和对流层的闪烁等情况，导致传输成功率偏低，以上问题限制了北斗短报文在水文数据传输上的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于北斗通信技术的水文监测系统，以解决现有技术中，北斗短报文在水文数据传输上存在的传输成功率偏低的问题。
本发明提供一种基于北斗通信技术的水文监测系统，包括：水文监测传感器组、微控制器、LoRa通信模块、北斗模块、北斗地面中心、前置机以及服务器；所述水文监测传感器组与所述微控制器连接，所述微控制器通过所述LoRa通信模块与所述北斗模块连接，所述北斗模块通过北斗卫星与所述北斗地面中心通信连接，所述北斗地面中心与所述前置机连接，所述前置机与所述服务器通信连接；
所述水文监测传感器组，用于采集水文数据；
所述微控制器，用于接收所述水文数据；
所述LoRa通信模块，用于将所述水文数据传输至北斗模块；
所述北斗模块，用于将所述水文数据封装，并以短信报文的形式发送第一短信报文至北斗地面中心；以及，在向北斗地面中心发送第一短信报文后，等待北斗地面中心发回第一反馈报文；如果在规定的重发时间间隔内未收到第一反馈报文，则重新向北斗地面中心发送第一短信报文，直至收到第一反馈报文，结束第一短信报文的发送；
所述北斗地面中心，用于接收所述第一短信报文；在接收到第一短信报文后，以预设频率重复发送第一反馈报文至北斗模块，直至收到第二短信报文；
所述前置机，用于接收北斗地面中心发送的短信报文；
所述服务器，用于从所述前置机获取所述短信报文。
进一步地，所述北斗模块，还用于在未完成第一短信报文的发送，且接收到北斗地面中心发出的对第二短信报文的发送请求的情况下，结束第一短信报文的发送，向北斗地面中心发送第二短信报文，对第一短信报文作为第一缓存报文缓存至消息缓存区。
进一步地，所述第一缓存报文在消息缓存区中的缓存格式包括所述第一缓存报文的采集时间以及所述第一缓存报文的内容。
进一步地，所述北斗模块，还用于在出现空闲的发送进程时，按照消息缓存区中所有缓存报文的采集时间先后，对缓存报文进行封装并重新向北斗地面中心发送，直至接收到北斗地面中心对所述缓存报文的反馈报文后，将所述缓存报文从消息缓存区中移除。
进一步地，所述水文监测传感器组包括水位传感器、浊度传感器、温度传感器和降雨量传感器。
进一步地，所述微控制器采用基于ARM 架构、Cortex-M3内核的STM32F103C8T6。
进一步地，所述LoRa 通信模块采用ATK-LORA-01型号LoRa 通信模块。
进一步地，所述服务器，还用于对所述短信报文进行识别处理，以及监控水文监测传感器组的工作状态。
本发明的有益效果如下：本发明提供的一种基于北斗通信技术的水文监测系统，包括：水文监测传感器组、微控制器、LoRa通信模块、北斗模块、北斗地面中心、前置机以及服务器；水文监测传感器组与微控制器连接，微控制器通过LoRa通信模块与北斗模块连接，北斗模块通过北斗卫星与北斗地面中心通信连接，北斗地面中心与前置机连接，前置机与服务器通信连接；水文监测传感器组，用于采集水文数据；微控制器，用于接收水文数据；LoRa通信模块，用于将水文数据传输至北斗模块；北斗模块，用于将水文数据封装，并以短信报文的形式发送第一短信报文至北斗地面中心；以及，在向北斗地面中心发送第一短信报文后，等待北斗地面中心发回第一反馈报文；如果在规定的重发时间间隔内未收到第一反馈报文，则重新向北斗地面中心发送第一短信报文，直至收到第一反馈报文，结束第一短信报文的发送；北斗地面中心，用于接收第一短信报文；在接收到第一短信报文后，以预设频率重复发送第一反馈报文至北斗模块，直至收到第二短信报文；前置机，用于接收北斗地面中心发送的短信报文；服务器，用于从前置机获取短信报文，显著提升北斗短报文在水文数据传输上的传输成功率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种基于北斗通信技术的水文监测系统示意图。
图示说明：1-水文监测传感器组；2-微控制器；3-LoRa通信模块；4-北斗模块；5-北斗地面中心；6-前置机；7-服务器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
请参阅图1，本发明提供一种基于北斗通信技术的水文监测系统，包括：水文监测传感器组1、微控制器2、LoRa通信模块3、北斗模块4、北斗地面中心5、前置机6以及服务器7。
其中，水文监测传感器组1与微控制器2连接，微控制器2通过LoRa通信模块3与北斗模块4连接，北斗模块4通过北斗卫星与北斗地面中心5通信连接，北斗地面中心5与前置机6连接，前置机6与服务器7通信连接。
水文监测传感器组，用于采集水文数据；水文监测传感器组包括水位传感器、浊度传感器、温度传感器和降雨量传感器。水位传感器具体可以选用电应普公司型号为 A01的基于超声波测距的水位传感器。该传感器具有测量距离长、测量精度高、防水性能好以及功耗可控等优点，且采用低电压供电，支持通用异步收发传输器输出、脉冲宽度调制输出等多种输出模式，能够满足不同用户的使用需求。
温度传感器具体可以选用Pt100热电阻式温度传感器，铂电阻对温度十分敏感，温度上升时，电阻的阻值会迅速增加。铂电阻相对于热敏电阻和热电偶，阻值与温度的线性程度最好，测量精度高。Pt100热电阻式温度传感器通常有二线制、三线制和四线制。二线制测量精度相对较低，四线制测量精度较高但成本也高。鉴于实用需求，选用三线制的Pt100热电阻式温度传感器。传感器外接MAX31865 模块，将铂电阻的阻值变化转化为数字量输出。
浊度传感器测量的是水中悬浮颗粒的含量。传感器内部两侧封装有红外对管，红外对管的发射端正对接收端发射光线。水中悬浮颗粒的含量越高，光线的透光率越低，接收端收到的光强越低，传感器将光强转化为电流的大小越小。浊度传感器将电流信号转化为电压信号，微控制器引脚通过采集电压信号经内部A/D 转换处理即可获取当前的浊度值。具体可选用型号为TS-300B的浊度传感器。
降雨量传感器上覆有镀镍的导电层。传感器外接LM393电压比较器模块，模块可由3.3～5.0V的电压供电。当导电层上的湿度增加时，导电层的电阻减少，模块经比较后输出的电压减小。微控制器引脚通过采集电压大小经过 A/D转换处理后，即可获取当前的降雨量。
微控制器，用于接收水文数据。为了降低采集点的成本和延长单次充满电在监测点的工作时间，采集节点的微控制器选用基于ARM架构、Cortex-M3内核且具有4个定时器、2个SPI、2个I2C、3个USART等外设接口的STM32F103C8T6。由于STM32F103C8T6微控制器的工作频率最高可达72 MHz且功耗极低，因此能够满足同时控制4个传感器的运行和实时收集4个传感器采集的数据等需求。
LoRa通信模块，用于将所述水文数据传输至北斗模块。LoRa 通信模块采用ATK-LORA-01型号LoRa 通信模块。LoRa 通信模块具有抗干扰能力强、传输距离远以及最低接收功耗仅为3 mA等优点由于不同水文监测点的距离相对较远，且监测点所在的地理环境不同，获取实时水文数据的采集节点更适合用 LoRa 通信模块作为与数据汇集节点通信的媒介。
北斗模块，用于将所述水文数据封装，并以短信报文的形式发送第一短信报文至北斗地面中心；以及，在向北斗地面中心发送第一短信报文后，等待北斗地面中心发回第一反馈报文；如果在规定的重发时间间隔内未收到第一反馈报文，则重新向北斗地面中心发送第一短信报文，直至收到第一反馈报文，结束第一短信报文的发送。
短信报文的格式包含：帧头H，用于报文类别的说明，如数据报文、控制报文等；长度L，用于填入数据域的总长度，其中低位在前，如L=16，用Hex表示为0x06、0x01；北斗ID，用于填入发送端的北斗 ID，如241356，用Hex表示为0x24、0x13、0x56；采集时间T，用于填入报文采集时间, 如5日-3时-5分(dd-hh-mm)用Hex表示为0x05、0x03H、0x05；CRC16，用于填入报文的校验；数据域Date，用于填入气象水文数据。
北斗模块还用于在未完成第一短信报文的发送，且接收到北斗地面中心发出的对第二短信报文的发送请求的情况下，结束第一短信报文的发送，向北斗地面中心发送第二短信报文，对第一短信报文作为第一缓存报文缓存至消息缓存区。
具体地，第一缓存报文在消息缓存区中的缓存格式包括所述第一缓存报文的采集时间以及所述第一缓存报文的内容。北斗模块，还用于在出现空闲的发送进程时，按照消息缓存区中所有缓存报文的采集时间先后，对缓存报文进行封装并重新向北斗地面中心发送，直至接收到北斗地面中心对所述缓存报文的反馈报文后，将所述缓存报文从消息缓存区中移除。
北斗地面中心，用于接收所述第一短信报文；在接收到第一短信报文后，以预设频率重复发送第一反馈报文至北斗模块，直至收到第二短信报文。
前置机，用于接收北斗地面中心发送的短信报文。为了保障北斗卫星短报文的稳定安全接收，充分发挥北斗卫星短报文的应急通信能力，必须在中心站建立起一套不依赖地面公共资源（电力、电信运营商提供的有线通信资源）的数据接收系统，即使在地面电力、移动通信网络、有线通信网络等资源完全中断的情况下系统仍然能正常运行，以提高系统的抵抗自然灾害能力。前置机通过串口连接北斗地面中心。前置机采用独立的以太阳能或者交流电充电的蓄电池供电系统保障供电安全，即使在发生停电的情况下，供电系统仍然能保障前置机和北斗地面中心正常工作一定时间。短信报文发送目的地为北斗地面中心，当北斗地面中心接收到短信报文时直接通过串口发送至前置机，前置机校验无误后存储在内部存储器中。
服务器，用于从所述前置机获取所述短信报文。对所述短信报文进行识别处理，以及监控水文监测传感器组的工作状态。服务器定时通过串口或者网络接口将数据从前置机存储器中取出。
由以上实施例可知，本发明提供的一种基于北斗通信技术的水文监测系统，包括：水文监测传感器组、微控制器、LoRa通信模块、北斗模块、北斗地面中心以及服务器；通过水文监测传感器组采集水文数据；微控制器接收所述水文数据，LoRa通信模块将所述水文数据传输至北斗模块；北斗模块将所述水文数据封装，并以短信报文的形式发送第一短信报文至北斗地面中心；以及，在向北斗地面中心发送第一短信报文后，等待北斗地面中心发回第一反馈报文；如果在规定的重发时间间隔内未收到第一反馈报文，则重新向北斗地面中心发送第一短信报文，直至收到第一反馈报文，结束第一短信报文的发送；北斗地面中心接收所述第一短信报文；在接收到第一短信报文后，以预设频率重复发送第一反馈报文至北斗模块，直至收到第二短信报文；服务器从所述北斗地面中心获取所述短信报文，显著提升北斗短报文在水文数据传输上的传输成功率。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、 “第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于北斗通信技术的水文监测系统，其特征在于，包括：水文监测传感器组、微控制器、LoRa通信模块、北斗模块、北斗地面中心、前置机以及服务器；所述水文监测传感器组与所述微控制器连接，所述微控制器通过所述LoRa通信模块与所述北斗模块连接，所述北斗模块通过北斗卫星与所述北斗地面中心通信连接，所述北斗地面中心与所述前置机连接，所述前置机与所述服务器通信连接；
所述水文监测传感器组，用于采集水文数据；
所述微控制器，用于接收所述水文数据；
所述LoRa通信模块，用于将所述水文数据传输至北斗模块；
所述北斗模块，用于将所述水文数据封装，并以短信报文的形式发送第一短信报文至北斗地面中心；以及，在向北斗地面中心发送第一短信报文后，等待北斗地面中心发回第一反馈报文；如果在规定的重发时间间隔内未收到第一反馈报文，则重新向北斗地面中心发送第一短信报文，直至收到第一反馈报文，结束第一短信报文的发送；
所述北斗地面中心，用于接收所述第一短信报文；在接收到第一短信报文后，以预设频率重复发送第一反馈报文至北斗模块，直至收到第二短信报文；
所述前置机，用于接收北斗地面中心发送的短信报文；
所述服务器，用于从所述前置机获取所述短信报文。
2.根据权利要求1所述的一种基于北斗通信技术的水文监测系统，其特征在于，所述北斗模块，还用于在未完成第一短信报文的发送，且接收到北斗地面中心发出的对第二短信报文的发送请求的情况下，结束第一短信报文的发送，向北斗地面中心发送第二短信报文，对第一短信报文作为第一缓存报文缓存至消息缓存区。
3.根据权利要求2所述的一种基于北斗通信技术的水文监测系统，其特征在于，所述第一缓存报文在消息缓存区中的缓存格式包括所述第一缓存报文的采集时间以及所述第一缓存报文的内容。
4.根据权利要求3所述的一种基于北斗通信技术的水文监测系统，其特征在于，所述北斗模块，还用于在出现空闲的发送进程时，按照消息缓存区中所有缓存报文的采集时间先后，对缓存报文进行封装并重新向北斗地面中心发送，直至接收到北斗地面中心对所述缓存报文的反馈报文后，将所述缓存报文从消息缓存区中移除。
5.根据权利要求4所述的一种基于北斗通信技术的水文监测系统，其特征在于，所述水文监测传感器组包括水位传感器、浊度传感器、温度传感器和降雨量传感器。
6.根据权利要求1所述的一种基于北斗通信技术的水文监测系统，其特征在于，所述微控制器采用基于ARM 架构、Cortex-M3内核的STM32F103C8T6。
7.根据权利要求1所述的一种基于北斗通信技术的水文监测系统，其特征在于，所述LoRa通信模块采用ATK-LORA-01型号LoRa通信模块。
8.根据权利要求1所述的一种基于北斗通信技术的水文监测系统，其特征在于，所述服务器，还用于对所述短信报文进行识别处理，以及监控水文监测传感器组的工作状态。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20230314 |