基于北斗通信的一體化遙測水位計及北斗報文編碼方法與流程

本發明屬于水位測量
技術領域：
，具體涉及一種基于北斗通信的一體化遙測水位計，還涉及一種北斗報文的編碼方法。
背景技術：
：目前全國范圍內很多水位監測站點還布設在交通條件比較惡劣的偏遠地區，其中部分地區還沒有覆蓋移動信號，因此這些水位監測站自動采集的水位數據無法通過移動網絡發送到數據中心。對于管理這些偏遠地區水文監測站的用戶來說，希望監測站設備能夠采用其它的通信方式自動傳輸數據，并且設備要確保長期穩定可靠，尤其在連續陰雨天不能提供太陽能供電的情況下，設備自身的電源需要能保證至少45天(水文監測規范要求)以上正常工作。針對布設在無移動信號覆蓋的偏遠地區的水位監測站，目前獲取這些監測站采集的水位數據有以下兩種方案：1)人工定期提取數據該方案中，水位監測裝置中需要設計有非易失性存儲器，裝置平時按照一定的定時間隔采集水位數據并將數據存儲在非易失性存儲器中。水文觀測員定期到監測站點通過安裝在筆記本電腦或PDA中的上位機軟件和監測裝置通訊，提取存儲的水位數據，回來導入數據庫進行數據整編和分析工作。2)監測站配備衛星通信設備水位監測裝置按照一定的時間隔采集水位，并按照一定的數據發送間隔將采集的水位數據通過衛星設備發送至數據中心。目前采用這種方案的監測站的主要由各種分立設備組成，大部分設備一般安裝在一個機箱中，各種設備之間在機箱內部通過電纜進行連接。現有技術中此方案的結構框圖如圖1所示，鉛酸蓄電池為其它設備提供工作電源，太陽能電池和太陽能充電器為鉛酸蓄電池進行充電，水位計負責將水位物理信號轉換為電信號，遙測終端機負責定時從水位計讀取電信號并控制衛星終端進行發信，衛星終端和天線負責將遙測終端機傳送的數據將數據進行基帶調制和功率放大后發送出去。綜上所述，本發明人發現人工定期提取數據的方案數據時效性差，由于這些站點普遍交通不便，一般最短取數的間隔也在一個月，長的可能需要一年。因此這種方案只能應用于水位變化非常平緩的河道站或地下水監測站；對于目前普遍采用的基于北斗衛星傳輸的方案，監測站的整套裝置采用分立式設備集成，一套裝置的總重量至少達到30公斤左右，平均體積至少達到0.1m3左右，不方便個人攜帶。而一些位于偏于地區的水位監測站交通條件極為惡劣，甚至無法通車，設備往往需要靠人工運輸，因此在這些地區運輸和安裝水位監測設備極為困難。即衛星信道傳輸數據的裝置普遍采用分立式設備集成，整套裝置體積、重量大，不易運輸。因此，急需一種水位計，能夠最大限度減小水位監測設備的整體體積和重量，方便設備在惡劣交通條件地區的運輸安裝。在水文監測應用中，水位一般需要用絕對海拔高程表示。而目前主流的水位監測設備基于衛星傳輸的水位數據編碼格式一般分為2種：1)采用標準4字節浮點數格式(IEEE754單精度浮點數格式)表示1個水位數據。使用這種編碼的水位數據的數值范圍可以很大，當采用這種編碼時，可以直接表示水位的絕對海拔高程值。2)采用2字節整型數表示1個水位數據，單位為cm或者mm。考慮到2字節整型數的表示范圍只能是0～65535，因此采用這種格式表示的水位數據一般只能是相對值，需要在數據中心加上監測點的海拔高程后得到水位絕對海拔高程值。目前在國內用于水文數據傳輸的衛星主要是北斗，數據傳輸使用的是北斗的短報文通信方式，按照北斗官方提供的短報文民用版接口協議，短報文開放給用戶的最大字節數為98。如果采用第一種水位數據編碼格式，一條北斗報文中最多能包含24組水位數據；而采用第二種水位數據格式，一條北斗報文中最多能包含49組水位數據。在一些水文遙測系統中，用戶要求水位的觀測頻次高，但是發信的頻次低，例如在某些水文監測系統中就要求水位每5分鐘采集1次，6小時發送1次，在發送時要求包含過去6小時采集的所有水位數據，即72組水位數據。即使水位采用如前所述的2字節整型格式表示，最多一包也只能傳輸49組水位，必須分成2包才能傳輸72組數據，導致設備整體功耗和通信費用相比傳輸1包數據有所增加。因此，急需一種改進數據編碼方法，使北斗短報文可以承載更多的水位信息，從而降低水位監測設備的整體功耗和通信費用。技術實現要素：本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供了一種基于北斗通信的一體化遙測水位計，結構緊湊，設備體積小，方便攜帶，降低了設備運輸難度和費用；還提供了一種北斗報文編碼方法，采用差值存儲更多的水位數據，同樣的數據量可以用更少的北斗報文完成傳輸，因此可以有效節省設備功耗和通信費用。為解決上述技術問題，本發明提供了一種基于北斗通信的一體化遙測水位計，包括從下到上依次放置的水位計、內置有主控模塊的主控模塊外殼、內置有電源模塊的電源模塊外殼和內置有北斗通信模塊的北斗通信模塊外殼；主控模塊外殼為圓柱體，在其底部設置有連接至主控模塊端口的航空接頭插座，頂端設有向內腔凹陷的圓形容納槽一，位于容納槽一內側的外殼壁上設有凸起一，在容納槽一上表面的中心處設有連接至主控模塊端口的公接插件一；電源模塊外殼為階梯形的圓柱體，位于下端的圓柱體可容置于容納槽一內，其底部外邊緣處設有與凸起一匹配連接的凹槽一，在其底部中心處設置有連接至電源模塊輸出端的母接插件一，母接插件一與公接插件一匹配連接，圓柱體的頂端設有向內腔凹陷的圓形容納槽二，位于容納槽二內側的外殼壁上設有凸起二，在容納槽二上表面的中心處設有連接至電源模塊輸出端的公接插件二；北斗通信模塊外殼為半球體，底部可容置于容納槽二內，其底部外邊緣處設有與凸起二匹配連接的凹槽二，在其底部中心處設置有連接至北斗通信模塊輸入端的母接插件二，母接插件二與公接插件二匹配連接；水位計的輸出端通過電纜匹配航空接頭插座連接至主控模塊的輸入端，主控模塊的輸出端通過公接插件一匹配母接插件一連接至電源模塊，母接插件一和公接插件二的各引腳一一對應連接；電源模塊的輸出端通過公接插件二匹配母接插件二連接至北斗通信模塊；水位計采集水位信號輸出至主控模塊，主控模塊控制北斗通信模塊將水位信號發送。進一步的，水位計采用RS485通信方式連接主控模塊。進一步的，主控模塊采用RS232通信方式連接北斗通信模塊。進一步的，公接插件一、母接插件一、公接插件二和母接插件二均為DB9接頭形式，其中引腳1為北斗通信模塊供電控制信號，引腳2為RS232接收數據信號線，引腳3為RS232發送數據信號線，引腳4、5、6為電源負極，引腳7、8、9為電源正極。進一步的，凸起一為對稱設置的兩個，凸起一的橫截面為三角形。進一步的，凹槽一為對稱設置的兩個，凹槽一的橫截面與凸起一的橫截面相匹配。進一步的，容納槽一和容納槽二的內邊緣處設置有密封圈。基于以上裝置的北斗報文的編碼方法，其特征是，用前面2個字節表示第一個水位數據，從第3個字節開始用1個字節的整型數表示相鄰水位之間的差值。與現有技術相比，本發明所達到的有益效果是：1)本發明提出的一體化結構，整體的設備體積縮小為僅0.015m3，重量僅2.2Kg，可以由單人輕松攜帶。在交通條件惡劣的地區應用時，相比采用分立式設備集成的水位監測裝置大幅降低了設備運輸難度和費用。2)相比基于北斗通信的分立式水位監測裝置，本發明無電纜連接，有效降低了現場安裝和維護的難度。3)相比基于北斗通信的分立式水位監測裝置，由于內部的通信線路短，本發明的通信損耗低，在相同發射功率情況下消耗的電能更少。4)針對觀測頻次高，發信頻次低的應用場合，本發明提出的基于北斗短報文的數據編碼方法，相比現有的水位數據編碼方法，可以在1包北斗報文中包含更多的水位數據，同樣的數據量可以用更少的北斗報文完成傳輸，因此可以有效節省設備功耗和通信費用。附圖說明圖1為現有技術中的網絡模型；圖2為本發明一體化遙測水位計的結構示意圖；圖3為主控模塊外殼的結構示意圖；圖4為主控模塊外殼頂端的主視圖；圖5為電源模塊外殼的結構示意圖；圖6為電源模塊外殼底部的主視圖。附圖標記：1、水位計；2、主控模塊外殼；201、容納槽一；202、密封圈；203、凸起一；204、蓋板一；205、公接插件一；206、螺栓；207、航空接頭插座；3、電源模塊外殼；301、凹槽一；302、母接插件一；303、蓋板二；4、北斗通信模塊外殼。具體實施方式下面結合附圖對本發明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護范圍。本發明的基于北斗通信的一體化遙測水位計，如圖2所示，包括從下到上依次放置的水位計1、內置有主控模塊的主控模塊外殼2、內置有電源模塊的電源模塊外殼3和內置有北斗通信模塊的北斗通信模塊外殼4；主控模塊外殼2為圓柱體，在其底部設置有連接至主控模塊端口的航空接頭插座207，頂端設有向內腔凹陷的圓形容納槽一201，位于容納槽一201內側的外殼壁上設有凸起一203，在容納槽一201上表面的中心處設有連接至主控模塊端口的公接插件一205；電源模塊外殼3為階梯形的圓柱體，參見圖5，位于下端的圓柱體可容置于容納槽一201內，其底部外邊緣處設有與凸起一203匹配連接的凹槽一301，在其底部中心處設置有連接至電源模塊輸出端的母接插件一302，母接插件一302與公接插件一205匹配連接，圓柱體的頂端設有向內腔凹陷的圓形容納槽二，位于容納槽二內側的外殼壁上設有凸起二，在容納槽二上表面的中心處設有連接至電源模塊輸出端的公接插件二；北斗通信模塊外殼4為半球體，底部可容置于容納槽二內，其底部外邊緣處設有與凸起二匹配連接的凹槽二，在其底部中心處設置有連接至北斗通信模塊輸入端的母接插件二，母接插件二與公接插件二匹配連接；水位計的輸出端通過電纜匹配航空接頭插座連接至主控模塊的輸入端；主控模塊的輸出端通過公接插件一匹配母接插件一連接至電源模塊；母接插件一和公接插件二的各引腳一一對應連接；電源模塊的輸出端通過公接插件二匹配母接插件二連接至北斗通信模塊；水位計采集水位信號輸出至主控模塊，主控模塊控制北斗通信模塊將水位信號發送。本發明中水位計、主控模塊、電源模塊和北斗通信模塊分別可采用現有技術中相關功能模塊，通過本發明規定的各模塊之間的關聯關系進行協作。水位計采集水位信號輸出至主控模塊，主控模塊控制北斗通信模塊將水位信號發送。本發明遙測水位計結構緊湊，整體的設備體積小，可以由單人輕松攜帶。在交通條件惡劣的地區應用時，相比采用分立式設備集成的水位監測裝置大幅降低了設備運輸難度和費用。水位計1采用現有技術中水位探頭，水位探頭的輸出端通過電纜連接至主控模塊，電纜和探頭之間的連接處完全密封，可以防水。探頭安裝在水中以感知水位，并將水位轉換為電信號通過電纜傳送給主控模塊。水位計和主控模塊通過RS485總線進行數據傳輸。電纜連接主控模塊的一端采用4芯航空接頭，其中2芯用于給水位計供電，另外2芯用于RS485信號傳輸。主控模塊可以采用現有技術中ARM-CortexM3低功耗處理器，主要負責水位信號的采集和基于北斗通信方式的數據傳輸控制。主控模塊平時處于休眠狀態，按照設定的水位采樣間隔喚醒，然后通過RS485總線向水位計發出采集命令，采集到數據后會存儲在自身的Flash存儲器中。主控模塊外殼2整體采用塑料材質，形狀為圓柱體，圓柱外徑為100mm，高度為120mm。圓柱體底面安裝了兩個航空接頭插座，其中一個為4芯插座，用于通過電纜連接水位計1；另一個為2芯插座，用于通過電纜連接太陽能電池，如圖2所示。主控模塊的電路板安裝在圓柱體內部，在圓柱體的頂端設有一個直徑96mm，深度為25mm的圓形容納槽一201，容納槽一201表面設計有一個正方形開口，開口出覆蓋有塑料蓋板一204，用4顆螺絲固定在容納槽一201表面上，拆去4顆螺絲可以打開蓋板一204，進行電路板的安裝或檢修工作。蓋板一204的內表面設計有2個螺栓206用來固定主控模塊的電路板，如圖3所示。在蓋板一204上開了一個方孔，連接至主控模塊電路板上的一個DB9公接插件一205透過方孔伸出蓋板一204外。這個DB9接頭用來將電源線、北斗通信所需的RS232數據線，北斗供電控制線引入主控模塊，DB9接頭各引腳的定義如下表所示：其中引腳1為北斗通信模塊供電控制信號，引腳2為RS232接收數據信號線，引腳3為RS232發送數據信號線，引腳4、5、6為電源負極，引腳7、8、9為電源正極，其中引腳4、5、6是共地的，引腳7、8、9也是共連的，將電源的輸出分成并聯的三路是為了分流，以防單個引腳上電流過大。在每個模塊對接處分別安裝一個相配套的接插件(至少包括電源正負極引腳，信號引腳、電源控制引腳)，本發明實施例采用DB9接口，單個模塊的不同接插件用軟線連接。使電源和信號貫穿所有模塊。表1：DB9接頭各引腳的定義引腳號引腳定義說明1北斗供電控制信號2RS232接收數據信號線，和北斗通信模塊采用RS232接口進行數據收發3RS232發送數據信號線，和北斗通信模塊采用RS232接口進行數據收發4GND，接電池負極5GND，接電池負極6GND，接電池負極7PWR+，接電池正極8PWR+，接電池正極9PWR+，接電池正極在容納槽一201內側外殼壁上有2個呈180度對稱放置的凸起一203，該凸起一203用于電源模塊外殼3和主控模塊外殼2連接時防止松脫。優選的，凸起一203的橫截面為三角形，可以提高牢固連接的效果。在容納槽一201表面外邊緣還設計有一個直徑為90mm的圓形槽，槽內放置橡膠密封圈202，用于設備防水或水蒸氣進入兩個外殼之間連接處。整個主控模塊外殼的頂端平面如圖4所示。電源模塊負責給主控模塊、北斗通信模塊以及水位計提供工作電源。電源模塊外殼3整體也采用和主控模塊相同的塑料材質，形狀為分為2段的階梯型圓柱，如圖5所示。電源模塊采用現有技術中額定電壓為12V，容量為15AH的鋰電池。采用鋰電池的目的是同樣容量下，鋰電池的體積和重量相比鉛酸電池小很多，有利于減小設備整體體積和重量。鋰電池放置在電源模塊外殼3內部。通過主控模塊底端的2芯航空接頭插座可以接入太陽能電池，對電源模塊內部的鋰電池進行充電。按照水位5分鐘采樣間隔，6小時發信間隔計算，本發明水位計一天的功耗大約為0.25Wh，而電源模塊中的鋰電池電量為180Wh，在不充電的情況下可以支持設備連續運行720天左右。因此即使沒有配備太陽能電池，本發明也可以適用于大多數偏遠地區的水位監測場合。電源模塊外殼3下端的圓柱體直徑為95.8mm，長度為25mm，恰好可以完全容置在容納槽一201內。電源模塊外殼的下端平面如圖6所示。在下端的表面上也開設有一個開口，開口處覆蓋有一個正方形塑料蓋板二303，用4顆螺絲固定在表面上，拆去4顆螺絲可以打開蓋板二303，進行電源模塊配套電路板的安裝或檢修工作。蓋板二303的內表面設計有2個螺栓用來固定電源模塊下端的電路板，形狀參見主控模塊外殼的頂端結構圖3所示。在蓋板二303上開了一個方孔，尺寸可正好容納DB9公接插件一205穿過。方孔的正上方設有DB9母接插件一302焊接在電源模塊的電路板上，母接插件一302的下端剛好和下端蓋板二303的外表面平齊。此外在該圓柱體外側有2個呈180度對稱的凹槽一301，用于和主控模塊外殼頂端的凸起一203配合連接，防止兩個模塊外殼連接時松脫。優選的凹槽一301的截面為三角形。電源模塊外殼3上端的結構設計和主控模塊上端完全一致。在圓柱體的頂端設有一個直徑96mm，深度為25mm的圓形容納槽二，容納槽二表面設計有一個正方形開口，開口出覆蓋有塑料蓋板二，用4顆螺絲固定在容納槽二表面上，拆去4顆螺絲可以打開蓋板二，進行電源電路板的安裝或檢修工作。蓋板二的內表面設計有2個螺栓用來固定電源模塊的電路板。在蓋板二上開了一個方孔，連接至主控模塊電路板上的一個DB9公接插件二透過方孔伸出蓋板二外。在容納槽二內側外殼壁上有2個呈180度對稱放置的凸起二，該凸起二用于電源模塊外殼3和北斗通信模塊外殼4連接時防止松脫。優選的，凸起二的橫截面為三角形，可以提高牢固連接的效果。在容納槽二表面外邊緣還設計有一個直徑為90mm的圓形槽，槽內放置橡膠密封圈，用于設備防水或水蒸氣。電源模塊電路板上的2個DB9接頭(母接插件一和公接插件二)上所有引腳在電源模塊外殼內部通過軟線一一對應連接起來，電源模塊內部的鋰電池的正負極分別通過軟線連接到電路板上端DB9接頭(公接插件二)的9號引腳和5號引腳。電源模塊外殼下端呈180度對稱分布的2個三角形凹槽一被設計為剛好可以和主控模塊外殼頂端內壁上的2個三角形凸起一配合，主控模塊外殼和電源模塊外殼連接組裝時，凸起一卡入凹槽一，防止連接松脫。此時電源模塊外殼的下表面和位于主控模塊外殼上表面圓形容納槽一中密封圈緊密接觸，可以起到防水作用。同時主控模塊的DB9公接插件一正好能夠插入電源模塊下端的DB9母接插件一，確保模塊之間的電源和信號連接可靠。當兩個模塊需要分開時，通過用力擠壓主控模塊外殼(塑料外殼具有一定形變能力)，可以使凹槽一和凸起一分離，從而分開模塊。北斗通信外殼4也采用和主控模塊、電源模塊相同的材質和結構設計。在外殼下端的表面上也開設有一個開口，開口處覆蓋有一個正方形塑料蓋板三，用4顆螺絲固定在表面上，拆去4顆螺絲可以打開蓋板三，進行北斗通信模塊配套電路板的安裝或檢修工作。蓋板三的內表面設計有2個螺栓用來固定北斗通信模塊的電路板，形狀參見主控模塊外殼的頂端結構圖3所示。在蓋板三上開了一個方孔，尺寸可正好容納電源模塊上的DB9公接插件二穿過。方孔的正上方設有DB9母接插件二焊接在北斗通信模塊的電路板上，母接插件二的下端剛好和下端蓋板三的外表面平齊。此外在該圓柱體下端面設有2個呈180度對稱的凹槽二，用于和電源模塊外殼頂端的凸起二配合連接，防止兩個模塊外殼連接時松脫。優選的凹槽二的截面為三角形。而北斗通信模塊外殼頂端采用半球形結構，以便最大限度減小天線發射信號的畸變。北斗模塊和電源模塊組裝方法與電源模塊和主控模塊的組裝方法一致。北斗通信模塊采用現有技術中的GM4660芯片組的北斗短報文通信全功能模塊和1個天線，用來實現北斗通信相關的基帶信號處理及編解碼，天線負責北斗空中信號的發射和接收。由于采用一體化結構，為北斗模塊供電的電源線以及北斗天線和發射電路之間的饋線長度相比分立式設備減小很多，信號傳輸時的損耗相應減小。在接收狀態下模塊的功耗為1W左右，發射狀態的瞬間功耗為36W左右，相比采用分立式設備的監測裝置的北斗通信設備功耗顯著降低(一般接收狀態功耗為6W左右，發射狀態瞬間功耗為100W左右)。通過采用一體化結構，減小北斗模塊供電的電源線以及北斗天線和發射電路之間的饋線長度，從而能夠減小電源及信號傳輸時的損耗，因此可以在確保和分立式監測裝置同等北斗衛星信號強度的情況下，通信耗費的能量更小。當所有模塊組裝好后，各個模塊的DB9接頭上的所有對應引腳均是相互連通的，主控模塊和北斗通信模塊的電源均由電源模塊通過DB9接頭上的4、5、6、7、8、9腳提供，DB9接頭的1腳由主控模塊控制，平時處于低電平，北斗模塊中的電源監測電路檢測到該引腳為低電平時，不打開北斗通信相關的功能電路，因此北斗模塊平時的功耗可以保持在很低的狀態。當主控模塊需要通過北斗進行數據傳輸時，控制DB91腳轉為高電平狀態，北斗模塊中的電源監測電路監測到高電平狀態后，立即打開通信相關的功能電路，使北斗通信模塊進入收發信工作狀態。水位計的供電由主控模塊控制，平時水位計電源處于關閉狀態以節省功耗。當主控模塊需要發起水位數據采集前，程序控制水位計電源打開；當采集完成后，關閉水位計電源。主控模塊通過RS232接口和北斗通信模塊進行數據收發，其中DB9的2腳用于主控模塊接收北斗通信模塊發送的數據，DB9的3腳用于主控模塊箱北斗通信模塊發送數據，RS232接口的信號地和電源地共地。主控模塊每次采集水位數據完畢后，會檢測當前時間是否到達發信時間，如果到達，則控制DB9的1腳給北斗通信模塊加電，然后發送數據，發送完畢后控制北斗通信模塊掉電。北斗通信模塊上報報文時，北斗報文采用如下的編碼格式：北斗報文字節數為98，第1個水位數據采用2字節整型數編碼，第3個字節為第2個水位數據和第1個水位數據的差值，用1字節有符號整型數表示，單位為cm。第4個字節為第3個水位數據和第2個水位數據的差值，接下來依次類推。這樣一包北斗報文中最多可包含97組水位數據。1字節有符號整型數的表示范圍為-128～+127，這要求相鄰2組水位數據的差值不能超過1.27m，根據現有全國范圍內河道、水庫、湖泊的水位監測點歷年統計情況，在15分鐘內，水位的漲落均不超過1米，因此本發明提出的這種數據編碼可以應用于水位觀測頻次小于等于15分鐘的場合。用2個字節表示第一個水位數據，從第3個字節開始用1個字節的整型數表示相鄰水位之間的差值。在解碼時根據報文中的第一個數據和相鄰水位數據的差值就可以依次計算出所有的水位值。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本發明的保護范圍。當前第1頁1 2 3