基于北斗通信的一体化遥测水位计及北斗报文编码方法技术领域
本发明属于水位测量技术领域，具体涉及一种基于北斗通信的一体化遥测水位
计，还涉及一种北斗报文的编码方法。
背景技术
目前全国范围内很多水位监测站点还布设在交通条件比较恶劣的偏远地区，其中
部分地区还没有覆盖移动信号，因此这些水位监测站自动采集的水位数据无法通过移动网
络发送到数据中心。对于管理这些偏远地区水文监测站的用户来说，希望监测站设备能够
采用其它的通信方式自动传输数据，并且设备要确保长期稳定可靠，尤其在连续阴雨天不
能提供太阳能供电的情况下，设备自身的电源需要能保证至少45天(水文监测规范要求)以
上正常工作。
针对布设在无移动信号覆盖的偏远地区的水位监测站，目前获取这些监测站采集
的水位数据有以下两种方案：
1)人工定期提取数据
该方案中，水位监测装置中需要设计有非易失性存储器，装置平时按照一定的定
时间隔采集水位数据并将数据存储在非易失性存储器中。水文观测员定期到监测站点通过
安装在笔记本电脑或PDA中的上位机软件和监测装置通讯，提取存储的水位数据，回来导入
数据库进行数据整编和分析工作。
2)监测站配备卫星通信设备
水位监测装置按照一定的时间隔采集水位，并按照一定的数据发送间隔将采集的
水位数据通过卫星设备发送至数据中心。目前采用这种方案的监测站的主要由各种分立设
备组成，大部分设备一般安装在一个机箱中，各种设备之间在机箱内部通过电缆进行连接。
现有技术中此方案的结构框图如图1所示，铅酸蓄电池为其它设备提供工作电源，太阳能电
池和太阳能充电器为铅酸蓄电池进行充电，水位计负责将水位物理信号转换为电信号，遥
测终端机负责定时从水位计读取电信号并控制卫星终端进行发信，卫星终端和天线负责将
遥测终端机传送的数据将数据进行基带调制和功率放大后发送出去。
综上所述，本发明人发现人工定期提取数据的方案数据时效性差，由于这些站点
普遍交通不便，一般最短取数的间隔也在一个月，长的可能需要一年。因此这种方案只能应
用于水位变化非常平缓的河道站或地下水监测站；对于目前普遍采用的基于北斗卫星传输
的方案，监测站的整套装置采用分立式设备集成，一套装置的总重量至少达到30公斤左右，
平均体积至少达到0.1m3左右，不方便个人携带。而一些位于偏于地区的水位监测站交通条
件极为恶劣，甚至无法通车，设备往往需要靠人工运输，因此在这些地区运输和安装水位监
测设备极为困难。即卫星信道传输数据的装置普遍采用分立式设备集成，整套装置体积、重
量大，不易运输。因此，急需一种水位计，能够最大限度减小水位监测设备的整体体积和重
量，方便设备在恶劣交通条件地区的运输安装。
在水文监测应用中，水位一般需要用绝对海拔高程表示。而目前主流的水位监测
设备基于卫星传输的水位数据编码格式一般分为2种：
1)采用标准4字节浮点数格式(IEEE754单精度浮点数格式)表示1个水位数据。使
用这种编码的水位数据的数值范围可以很大，当采用这种编码时，可以直接表示水位的绝
对海拔高程值。
2)采用2字节整型数表示1个水位数据，单位为cm或者mm。考虑到2字节整型数的表
示范围只能是0～65535，因此采用这种格式表示的水位数据一般只能是相对值，需要在数
据中心加上监测点的海拔高程后得到水位绝对海拔高程值。
目前在国内用于水文数据传输的卫星主要是北斗，数据传输使用的是北斗的短报
文通信方式，按照北斗官方提供的短报文民用版接口协议，短报文开放给用户的最大字节
数为98。如果采用第一种水位数据编码格式，一条北斗报文中最多能包含24组水位数据；而
采用第二种水位数据格式，一条北斗报文中最多能包含49组水位数据。
在一些水文遥测系统中，用户要求水位的观测频次高，但是发信的频次低，例如在
某些水文监测系统中就要求水位每5分钟采集1次，6小时发送1次，在发送时要求包含过去6
小时采集的所有水位数据，即72组水位数据。即使水位采用如前所述的2字节整型格式表
示，最多一包也只能传输49组水位，必须分成2包才能传输72组数据，导致设备整体功耗和
通信费用相比传输1包数据有所增加。因此，急需一种改进数据编码方法，使北斗短报文可
以承载更多的水位信息，从而降低水位监测设备的整体功耗和通信费用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种基于北斗通信的一体化遥
测水位计，结构紧凑，设备体积小，方便携带，降低了设备运输难度和费用；还提供了一种北
斗报文编码方法，采用差值存储更多的水位数据，同样的数据量可以用更少的北斗报文完
成传输，因此可以有效节省设备功耗和通信费用。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于北斗通信的一体化遥测水位计，包
括从下到上依次放置的水位计、内置有主控模块的主控模块外壳、内置有电源模块的电源
模块外壳和内置有北斗通信模块的北斗通信模块外壳；
主控模块外壳为圆柱体，在其底部设置有连接至主控模块端口的航空接头插座，
顶端设有向内腔凹陷的圆形容纳槽一，位于容纳槽一内侧的外壳壁上设有凸起一，在容纳
槽一上表面的中心处设有连接至主控模块端口的公接插件一；
电源模块外壳为阶梯形的圆柱体，位于下端的圆柱体可容置于容纳槽一内，其底
部外边缘处设有与凸起一匹配连接的凹槽一，在其底部中心处设置有连接至电源模块输出
端的母接插件一，母接插件一与公接插件一匹配连接，圆柱体的顶端设有向内腔凹陷的圆
形容纳槽二，位于容纳槽二内侧的外壳壁上设有凸起二，在容纳槽二上表面的中心处设有
连接至电源模块输出端的公接插件二；
北斗通信模块外壳为半球体，底部可容置于容纳槽二内，其底部外边缘处设有与
凸起二匹配连接的凹槽二，在其底部中心处设置有连接至北斗通信模块输入端的母接插件
二，母接插件二与公接插件二匹配连接；
水位计的输出端通过电缆匹配航空接头插座连接至主控模块的输入端，主控模块
的输出端通过公接插件一匹配母接插件一连接至电源模块，母接插件一和公接插件二的各
引脚一一对应连接；电源模块的输出端通过公接插件二匹配母接插件二连接至北斗通信模
块；
水位计采集水位信号输出至主控模块，主控模块控制北斗通信模块将水位信号发
送。
进一步的，水位计采用RS485通信方式连接主控模块。
进一步的，主控模块采用RS232通信方式连接北斗通信模块。
进一步的，公接插件一、母接插件一、公接插件二和母接插件二均为DB9接头形式，
其中引脚1为北斗通信模块供电控制信号，引脚2为RS232接收数据信号线，引脚3为RS232发
送数据信号线，引脚4、5、6为电源负极，引脚7、8、9为电源正极。
进一步的，凸起一为对称设置的两个，凸起一的横截面为三角形。
进一步的，凹槽一为对称设置的两个，凹槽一的横截面与凸起一的横截面相匹配。
进一步的，容纳槽一和容纳槽二的内边缘处设置有密封圈。
基于以上装置的北斗报文的编码方法，其特征是，用前面2个字节表示第一个水位
数据，从第3个字节开始用1个字节的整型数表示相邻水位之间的差值。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
1)本发明提出的一体化结构，整体的设备体积缩小为仅0.015m3，重量仅2.2Kg，可
以由单人轻松携带。在交通条件恶劣的地区应用时，相比采用分立式设备集成的水位监测
装置大幅降低了设备运输难度和费用。
2)相比基于北斗通信的分立式水位监测装置，本发明无电缆连接，有效降低了现
场安装和维护的难度。
3)相比基于北斗通信的分立式水位监测装置，由于内部的通信线路短，本发明的
通信损耗低，在相同发射功率情况下消耗的电能更少。
4)针对观测频次高，发信频次低的应用场合，本发明提出的基于北斗短报文的数
据编码方法，相比现有的水位数据编码方法，可以在1包北斗报文中包含更多的水位数据，
同样的数据量可以用更少的北斗报文完成传输，因此可以有效节省设备功耗和通信费用。
附图说明
图1为现有技术中的网络模型；
图2为本发明一体化遥测水位计的结构示意图；
图3为主控模块外壳的结构示意图；
图4为主控模块外壳顶端的主视图；
图5为电源模块外壳的结构示意图；
图6为电源模块外壳底部的主视图。
附图标记：1、水位计；2、主控模块外壳；201、容纳槽一；202、密封圈；203、凸起一；
204、盖板一；205、公接插件一；206、螺栓；207、航空接头插座；3、电源模块外壳；301、凹槽
一；302、母接插件一；303、盖板二；4、北斗通信模块外壳。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明
的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的基于北斗通信的一体化遥测水位计，如图2所示，包括从下到上依次放置
的水位计1、内置有主控模块的主控模块外壳2、内置有电源模块的电源模块外壳3和内置有
北斗通信模块的北斗通信模块外壳4；
主控模块外壳2为圆柱体，在其底部设置有连接至主控模块端口的航空接头插座
207，顶端设有向内腔凹陷的圆形容纳槽一201，位于容纳槽一201内侧的外壳壁上设有凸起
一203，在容纳槽一201上表面的中心处设有连接至主控模块端口的公接插件一205；
电源模块外壳3为阶梯形的圆柱体，参见图5，位于下端的圆柱体可容置于容纳槽
一201内，其底部外边缘处设有与凸起一203匹配连接的凹槽一301，在其底部中心处设置有
连接至电源模块输出端的母接插件一302，母接插件一302与公接插件一205匹配连接，圆柱
体的顶端设有向内腔凹陷的圆形容纳槽二，位于容纳槽二内侧的外壳壁上设有凸起二，在
容纳槽二上表面的中心处设有连接至电源模块输出端的公接插件二；
北斗通信模块外壳4为半球体，底部可容置于容纳槽二内，其底部外边缘处设有与
凸起二匹配连接的凹槽二，在其底部中心处设置有连接至北斗通信模块输入端的母接插件
二，母接插件二与公接插件二匹配连接；
水位计的输出端通过电缆匹配航空接头插座连接至主控模块的输入端；主控模块
的输出端通过公接插件一匹配母接插件一连接至电源模块；母接插件一和公接插件二的各
引脚一一对应连接；电源模块的输出端通过公接插件二匹配母接插件二连接至北斗通信模
块；
水位计采集水位信号输出至主控模块，主控模块控制北斗通信模块将水位信号发
送。
本发明中水位计、主控模块、电源模块和北斗通信模块分别可采用现有技术中相
关功能模块，通过本发明规定的各模块之间的关联关系进行协作。水位计采集水位信号输
出至主控模块，主控模块控制北斗通信模块将水位信号发送。本发明遥测水位计结构紧凑，
整体的设备体积小，可以由单人轻松携带。在交通条件恶劣的地区应用时，相比采用分立式
设备集成的水位监测装置大幅降低了设备运输难度和费用。
水位计1采用现有技术中水位探头，水位探头的输出端通过电缆连接至主控模块，
电缆和探头之间的连接处完全密封，可以防水。探头安装在水中以感知水位，并将水位转换
为电信号通过电缆传送给主控模块。水位计和主控模块通过RS485总线进行数据传输。电缆
连接主控模块的一端采用4芯航空接头，其中2芯用于给水位计供电，另外2芯用于RS485信
号传输。
主控模块可以采用现有技术中ARM-Cortex M3低功耗处理器，主要负责水位信号
的采集和基于北斗通信方式的数据传输控制。主控模块平时处于休眠状态，按照设定的水
位采样间隔唤醒，然后通过RS485总线向水位计发出采集命令，采集到数据后会存储在自身
的Flash存储器中。
主控模块外壳2整体采用塑料材质，形状为圆柱体，圆柱外径为100mm，高度为
120mm。圆柱体底面安装了两个航空接头插座，其中一个为4芯插座，用于通过电缆连接水位
计1；另一个为2芯插座，用于通过电缆连接太阳能电池，如图2所示。主控模块的电路板安装
在圆柱体内部，在圆柱体的顶端设有一个直径96mm，深度为25mm的圆形容纳槽一201，容纳
槽一201表面设计有一个正方形开口，开口出覆盖有塑料盖板一204，用4颗螺丝固定在容纳
槽一201表面上，拆去4颗螺丝可以打开盖板一204，进行电路板的安装或检修工作。盖板一
204的内表面设计有2个螺栓206用来固定主控模块的电路板，如图3所示。
在盖板一204上开了一个方孔，连接至主控模块电路板上的一个DB9公接插件一
205透过方孔伸出盖板一204外。这个DB9接头用来将电源线、北斗通信所需的RS232数据线，
北斗供电控制线引入主控模块，DB9接头各引脚的定义如下表所示：其中引脚1为北斗通信
模块供电控制信号，引脚2为RS232接收数据信号线，引脚3为RS232发送数据信号线，引脚4、
5、6为电源负极，引脚7、8、9为电源正极，其中引脚4、5、6是共地的，引脚7、8、9也是共连的，
将电源的输出分成并联的三路是为了分流，以防单个引脚上电流过大。在每个模块对接处
分别安装一个相配套的接插件(至少包括电源正负极引脚，信号引脚、电源控制引脚)，本发
明实施例采用DB9接口，单个模块的不同接插件用软线连接。使电源和信号贯穿所有模块。
表1：DB9接头各引脚的定义
引脚号
引脚定义说明
1
北斗供电控制信号
2
RS232接收数据信号线，和北斗通信模块采用RS232接口进行数据收发
3
RS232发送数据信号线，和北斗通信模块采用RS232接口进行数据收发
4
GND，接电池负极
5
GND，接电池负极
6
GND，接电池负极
7
PWR+，接电池正极
8
PWR+，接电池正极
9
PWR+，接电池正极
在容纳槽一201内侧外壳壁上有2个呈180度对称放置的凸起一203，该凸起一203
用于电源模块外壳3和主控模块外壳2连接时防止松脱。优选的，凸起一203的横截面为三角
形，可以提高牢固连接的效果。在容纳槽一201表面外边缘还设计有一个直径为90mm的圆形
槽，槽内放置橡胶密封圈202，用于设备防水或水蒸气进入两个外壳之间连接处。整个主控
模块外壳的顶端平面如图4所示。
电源模块负责给主控模块、北斗通信模块以及水位计提供工作电源。电源模块外
壳3整体也采用和主控模块相同的塑料材质，形状为分为2段的阶梯型圆柱，如图5所示。电
源模块采用现有技术中额定电压为12V，容量为15AH的锂电池。采用锂电池的目的是同样容
量下，锂电池的体积和重量相比铅酸电池小很多，有利于减小设备整体体积和重量。锂电池
放置在电源模块外壳3内部。通过主控模块底端的2芯航空接头插座可以接入太阳能电池，
对电源模块内部的锂电池进行充电。按照水位5分钟采样间隔，6小时发信间隔计算，本发明
水位计一天的功耗大约为0.25Wh，而电源模块中的锂电池电量为180Wh，在不充电的情况下
可以支持设备连续运行720天左右。因此即使没有配备太阳能电池，本发明也可以适用于大
多数偏远地区的水位监测场合。
电源模块外壳3下端的圆柱体直径为95.8mm，长度为25mm，恰好可以完全容置在容
纳槽一201内。电源模块外壳的下端平面如图6所示。在下端的表面上也开设有一个开口，开
口处覆盖有一个正方形塑料盖板二303，用4颗螺丝固定在表面上，拆去4颗螺丝可以打开盖
板二303，进行电源模块配套电路板的安装或检修工作。盖板二303的内表面设计有2个螺栓
用来固定电源模块下端的电路板，形状参见主控模块外壳的顶端结构图3所示。在盖板二
303上开了一个方孔，尺寸可正好容纳DB9公接插件一205穿过。方孔的正上方设有DB9母接
插件一302焊接在电源模块的电路板上，母接插件一302的下端刚好和下端盖板二303的外
表面平齐。此外在该圆柱体外侧有2个呈180度对称的凹槽一301，用于和主控模块外壳顶端
的凸起一203配合连接，防止两个模块外壳连接时松脱。优选的凹槽一301的截面为三角形。
电源模块外壳3上端的结构设计和主控模块上端完全一致。在圆柱体的顶端设有
一个直径96mm，深度为25mm的圆形容纳槽二，容纳槽二表面设计有一个正方形开口，开口出
覆盖有塑料盖板二，用4颗螺丝固定在容纳槽二表面上，拆去4颗螺丝可以打开盖板二，进行
电源电路板的安装或检修工作。盖板二的内表面设计有2个螺栓用来固定电源模块的电路
板。在盖板二上开了一个方孔，连接至主控模块电路板上的一个DB9公接插件二透过方孔伸
出盖板二外。在容纳槽二内侧外壳壁上有2个呈180度对称放置的凸起二，该凸起二用于电
源模块外壳3和北斗通信模块外壳4连接时防止松脱。优选的，凸起二的横截面为三角形，可
以提高牢固连接的效果。在容纳槽二表面外边缘还设计有一个直径为90mm的圆形槽，槽内
放置橡胶密封圈，用于设备防水或水蒸气。
电源模块电路板上的2个DB9接头(母接插件一和公接插件二)上所有引脚在电源
模块外壳内部通过软线一一对应连接起来，电源模块内部的锂电池的正负极分别通过软线
连接到电路板上端DB9接头(公接插件二)的9号引脚和5号引脚。
电源模块外壳下端呈180度对称分布的2个三角形凹槽一被设计为刚好可以和主
控模块外壳顶端内壁上的2个三角形凸起一配合，主控模块外壳和电源模块外壳连接组装
时，凸起一卡入凹槽一，防止连接松脱。此时电源模块外壳的下表面和位于主控模块外壳上
表面圆形容纳槽一中密封圈紧密接触，可以起到防水作用。同时主控模块的DB9公接插件一
正好能够插入电源模块下端的DB9母接插件一，确保模块之间的电源和信号连接可靠。当两
个模块需要分开时，通过用力挤压主控模块外壳(塑料外壳具有一定形变能力)，可以使凹
槽一和凸起一分离，从而分开模块。
北斗通信外壳4也采用和主控模块、电源模块相同的材质和结构设计。在外壳下端
的表面上也开设有一个开口，开口处覆盖有一个正方形塑料盖板三，用4颗螺丝固定在表面
上，拆去4颗螺丝可以打开盖板三，进行北斗通信模块配套电路板的安装或检修工作。盖板
三的内表面设计有2个螺栓用来固定北斗通信模块的电路板，形状参见主控模块外壳的顶
端结构图3所示。在盖板三上开了一个方孔，尺寸可正好容纳电源模块上的DB9公接插件二
穿过。方孔的正上方设有DB9母接插件二焊接在北斗通信模块的电路板上，母接插件二的下
端刚好和下端盖板三的外表面平齐。此外在该圆柱体下端面设有2个呈180度对称的凹槽
二，用于和电源模块外壳顶端的凸起二配合连接，防止两个模块外壳连接时松脱。优选的凹
槽二的截面为三角形。
而北斗通信模块外壳顶端采用半球形结构，以便最大限度减小天线发射信号的畸
变。北斗模块和电源模块组装方法与电源模块和主控模块的组装方法一致。
北斗通信模块采用现有技术中的GM4660芯片组的北斗短报文通信全功能模块和1
个天线，用来实现北斗通信相关的基带信号处理及编解码，天线负责北斗空中信号的发射
和接收。由于采用一体化结构，为北斗模块供电的电源线以及北斗天线和发射电路之间的
馈线长度相比分立式设备减小很多，信号传输时的损耗相应减小。在接收状态下模块的功
耗为1W左右，发射状态的瞬间功耗为36W左右，相比采用分立式设备的监测装置的北斗通信
设备功耗显著降低(一般接收状态功耗为6W左右，发射状态瞬间功耗为100W左右)。通过采
用一体化结构，减小北斗模块供电的电源线以及北斗天线和发射电路之间的馈线长度，从
而能够减小电源及信号传输时的损耗，因此可以在确保和分立式监测装置同等北斗卫星信
号强度的情况下，通信耗费的能量更小。
当所有模块组装好后，各个模块的DB9接头上的所有对应引脚均是相互连通的，主
控模块和北斗通信模块的电源均由电源模块通过DB9接头上的4、5、6、7、8、9脚提供，DB9接
头的1脚由主控模块控制，平时处于低电平，北斗模块中的电源监测电路检测到该引脚为低
电平时，不打开北斗通信相关的功能电路，因此北斗模块平时的功耗可以保持在很低的状
态。当主控模块需要通过北斗进行数据传输时，控制DB9 1脚转为高电平状态，北斗模块中
的电源监测电路监测到高电平状态后，立即打开通信相关的功能电路，使北斗通信模块进
入收发信工作状态。
水位计的供电由主控模块控制，平时水位计电源处于关闭状态以节省功耗。当主
控模块需要发起水位数据采集前，程序控制水位计电源打开；当采集完成后，关闭水位计电
源。
主控模块通过RS232接口和北斗通信模块进行数据收发，其中DB9的2脚用于主控
模块接收北斗通信模块发送的数据，DB9的3脚用于主控模块箱北斗通信模块发送数据，
RS232接口的信号地和电源地共地。主控模块每次采集水位数据完毕后，会检测当前时间是
否到达发信时间，如果到达，则控制DB9的1脚给北斗通信模块加电，然后发送数据，发送完
毕后控制北斗通信模块掉电。
北斗通信模块上报报文时，北斗报文采用如下的编码格式：北斗报文字节数为98，
第1个水位数据采用2字节整型数编码，第3个字节为第2个水位数据和第1个水位数据的差
值，用1字节有符号整型数表示，单位为cm。第4个字节为第3个水位数据和第2个水位数据的
差值，接下来依次类推。这样一包北斗报文中最多可包含97组水位数据。
1字节有符号整型数的表示范围为-128～+127，这要求相邻2组水位数据的差值不
能超过1.27m，根据现有全国范围内河道、水库、湖泊的水位监测点历年统计情况，在15分钟
内，水位的涨落均不超过1米，因此本发明提出的这种数据编码可以应用于水位观测频次小
于等于15分钟的场合。
用2个字节表示第一个水位数据，从第3个字节开始用1个字节的整型数表示相邻
水位之间的差值。在解码时根据报文中的第一个数据和相邻水位数据的差值就可以依次计
算出所有的水位值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人
员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型
也应视为本发明的保护范围。