基于ARM9的船載監測系統設計

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  0 引言
  海岸帶是海洋中對人類活動最為敏感的部分,人類活動會對其生態系統的結構和功能產生嚴重影響。這使得海岸帶成為海洋生態環境脆弱區。因此,海岸帶的安全與管理已成為國際熱門研究領域。海岸帶的科學管理是建立在大量數據的基礎上進行的。傳統的海岸帶調查,需要大量的人力物力,而且獲得的數據非常有限,高通量海岸帶數據獲取已成為制約海岸帶科學管理的主要瓶頸。
  以美國和歐盟為代表的海洋研究水平較高的國家,開發了多種形式的海洋監測系統,如浮標(Buoy)、拖曳式監測船(Tow)、水下滑翔機(Glider)、衛星遙感、海底觀測站等,來獲取海量數據。
  在此,介紹一種新的海洋數據采集方法,并研制出一套采集系統——船載監測系統(Automated Instrument Packages on Ships of Opportunities)。它是一種將多種海洋環境監測傳感器集成在一起,隨船的航行,在沿線進行整條航線實時采樣,獲得數據既可直接通過
  遠程傳輸到數據中心,也可以將數據儲存在船上,定期獲取數據的一種海洋數據采集模式。
  與其他海洋數據采集系統相比,船載監測系統有如下優點:
  (1)能源充足。船舶可以為系統提供能源,便于更多復雜分析系統的應用,因此可根據不同功能需求,采用不同傳感器,集成相應的船載監測系統。
  (2)工作環境良好。船舶內部可保證系統工作條件,便于安裝較為精致的設備。
  (3)便于維護。不需輔助維修費用,維護成本低。
  (4)數據來源廣、準確度高,可獲取不同時間和空間的數據參數。
  綜合以上優點,可以看到船載監測系統應用前景廣闊。將系統放在不同航線上的商運船上,可建立我國整個海岸監測系統;如果放在遠洋船上,則可得到大量的大洋表面海水數據。
  1 系統原理
  系統以ARM9為控制核心,由采樣、測試、存儲及發送等部分組成。系統啟動后,由軟件控制開啟抽水泵,通過安裝在貯水裝置中的傳感器測量海水pH、電導率、溶氧量、溫度等參數,并由GPS獲取位置參數,海水參數及位置參數存儲在系統自帶SD卡中,或經GPRS將數據發送到數據中心。數據中心的PC機或工控機由同樣的GPRS接收數據,并由數據中心程序處理后,存儲在數據庫中。工作原理如圖1所示。
  

  2 硬件設計
  2.1 箱體設計
  整個系統裝于不銹材料的箱體內,可保護系統在一定惡劣天氣情況下正常工作。箱體尺寸為555 mm×519 mm×454 mm,分為三層,上層為可推拉配電箱,中間層為貯水箱及水泵,下層放蓄電池。箱體上蓋及前后壁可以向側面打開,整體安裝及移動方便。結構如圖2所示。
  

  其中,配電箱固定在滑道上。上蓋向側面掀開后,配電箱可推向后側,以便在不拆卸其他裝置的情況下對下層設備進行拆裝或調試。貯水箱有進出水口、上蓋、錐形濾氣罩等部件。如上圖2(b)所示,海水由進水口通過內管通向錐形濾氣罩,氣體通過連接軟管由上蓋中心口通向排水管,由于流量因素,大量海水從錐形濾氣罩下邊沿流出,從而減少氣體進入貯水箱,以防止其對傳感器性能產生影響。上蓋部分主要有出水口和傳感器安裝口。其中出氣口定位在上蓋的原因也是基于對減少貯水箱積留氣體的考慮。上蓋與貯水箱體之間加密封墊片,螺栓連接。系統整裝實物外形圖如圖3所示。
  2.2 電路設計
  系統的電路部分由各功能電路組成,包括電源電路、A/D采集電路、采樣隔離電路、串行通信電路以及ARM核心板等。其中ARM核心板為訂購產品。
  2.2.1 電源電路
  系統所需電源情況復雜,包括直流24 V,±12 V,5 V,以及交流220 V等電源。所有電源由12 V 60 Ah蓄電池提供。其中,24 V及-12 V電源分別由電源模塊實現;220 V交流電源采用逆變器轉換得到。5 V電源使用2576-ADJ芯片與7805組合獲取,如圖4所示。
  

  此電路負載能力強。先由負載能力較強的2576-ADJ將12 V電源降壓到合適值(6.3~8 V),再由穩定性較好的7805得到5 V電壓。這樣既能滿足高精度ADC電壓要求,又減少了發熱。
  2.2.2 采集電路
  16位高性能ADC芯片MAX11046占用ARM管腳GPIO資源情況如表1所示。
  

  2.2.3 串口分時復用電路
  由于高性能ADC占用了ARM 芯片部分GPIO資源,導致系統串口不夠用,故采用模擬開關4052分時復用串口。不同型號模擬開關對串口信號的導通電壓要求不同。其中,如使用HCF4052型號的模擬開關導通串口信號,需要10 V以上的電源,而使用74HC4052型號的開關只需5 V就可以導通。另外,串口芯片RS 3232可在3.3 V電壓下工作,而RS 232則至少為5 V。串口分時復用電路如圖5所示。
  

  3 軟件設計
  3.1 ARM端程序編寫
  ARM9平臺植入WinCE系統。該系統下運行應用程序由EVC編寫。程序打開后,選擇采集、存儲及發送周期,并設置短信中心號碼(有默認值)。點擊開始后,系統開始自動工作。首先啟動水泵,延時一段時間等待貯水箱裝滿水后,設定定時器,開始執行讀取數據、處理數據、存儲顯示及發送數據等等操作循環。循環過程中如讀到有短信進入,解析短信內容,如為協議指令,則執行并刪除短信;若非協議短信,直接刪除,繼續執行循環。軟件上有按鈕可以直接結束系統工作。其工作流程圖如圖6所示。
  

  3.2 PC端編程
  PC端程序是在Visual Studio 2010中使用C#編寫完成,采用左樹右表的機構,分為用戶管理、終端管理和數據管理三個部分。程序連接了由SQL Server建立的數據庫工程文件,該數據庫工程包括用戶表、終端表和數據表三類表單。
  用戶管理部分主要對用戶表進行操作,可保存和更改不同用戶信息,以判斷用戶對海洋數據的查閱以及系統操作的權限。
  終端管理部分可對終端表和數據表進行操作,主要實現數據接收及存儲。為實現數據中心可同時被多個船載監測系統通信管理,終端表中保存多個船載監測系統號碼,便于海洋參數分類存儲。數據管理部分可顯示最新接收到的數據,并將一段時間內的數據以曲線輸出,更直觀地看到一定范圍數據的變化趨勢。而且該部分還可以將數據庫中的數據以常用的文件形式數據,如Excel,PDF等格式保存。
  數據中心與船載監測系統通信通過短信終端實現。短信終端與PC由串口連接,通過AT指令通信。軟件中接收短信通過設置串口響應事件實現。發送短信程序流程圖如圖7所示。
  

  4 結語
  本儀器在ARM9硬件平臺上,基于WinCE操作系統,集成多種在線海水測試儀器,通過GPRS模塊實現近海水域數據無線傳輸,并擴展有可裝配4G SD卡的接口,以及多個主從USB接口,便于維護及調試,滿足了智能儀器的要求,實現了儀器的小型化、可移動、低成本、智能化等。可滿足海洋科學研究對海量數的需求,對我國海岸帶生態研究有著重要的意義。
               

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