水文數(shù)據(jù)采集器的硬件設(shè)計(jì)

祁德麗，呂洪燕

資 訊

水文數(shù)據(jù)采集器的硬件設(shè)計(jì)

祁德麗，呂洪燕

水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中，水文數(shù)據(jù)的采集包括傳感器、采集器、傳輸模塊等。其中數(shù)據(jù)采集器的穩(wěn)定、可靠、易用及對(duì)傳感器的兼容性至關(guān)重要，直接影響整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全、準(zhǔn)確。在江蘇省水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)中，下屬各管理單位實(shí)現(xiàn)了野外環(huán)境下水文數(shù)據(jù)的精確采集及可靠傳輸，對(duì)水文測(cè)報(bào)結(jié)果的精準(zhǔn)報(bào)送意義重大。針對(duì)水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的較高要求，本文給出了集多種通信模式于一體的高效、實(shí)用、可靠的硬件設(shè)計(jì)方案。

硬件設(shè)計(jì)

本采集器采用ATMEL公司的工業(yè)級(jí)32位ARM9處理器AT91SAM9G45作為主控芯片，主頻高達(dá)400MHz，無(wú)論穩(wěn)定性、可靠性還是處理速度，都完全能滿(mǎn)足系統(tǒng)需求；外圍配備128M DDR2 SDRAM、128M NandFlash，在滿(mǎn)足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，留有足夠的擴(kuò)展空間；具有10/100Mbps自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，方便和本地以太網(wǎng)連接；內(nèi)置北斗導(dǎo)航模塊，采集位置信息并和集控中心保持時(shí)間同步；4G通信模塊保證數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)傳輸?shù)郊刂行牡臄?shù)據(jù)服務(wù)器；采用WIFI/BT模塊方便手機(jī)等設(shè)備的本地連接，實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)使用手機(jī)APP軟件上報(bào)數(shù)據(jù)；使用Zigbee通信模塊，實(shí)現(xiàn)同一采集器下多個(gè)測(cè)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)采集功能。

數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì)框圖

穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

為了提高硬件設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，CPU處理器以及外圍元件、模塊全部選用了工業(yè)級(jí)。所有的電阻電容均使用1%精度、業(yè)內(nèi)知名品牌的產(chǎn)品，在具體值上面也均保留一定余量，以應(yīng)對(duì)元件老化等問(wèn)題。在產(chǎn)品出廠(chǎng)前，要求全部使用UV光固漆進(jìn)行三防處理和48h的老化處理，確保采集器能在惡劣的工作條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

可靠性設(shè)計(jì)

在野外復(fù)雜環(huán)境下工作的數(shù)據(jù)采集器，受電磁干擾及環(huán)境變化（如溫度、濕度、鹽霧等）影響，設(shè)備可能出現(xiàn)死機(jī)、程序跑飛等現(xiàn)象。由于不可能隨時(shí)有工作人員監(jiān)控，一旦發(fā)生問(wèn)題需要采集器能自動(dòng)重啟，因此專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了看門(mén)狗電路來(lái)監(jiān)控采集器是否正常運(yùn)行。采集器除使用了CPU內(nèi)部的看門(mén)狗外，還專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了專(zhuān)用看門(mén)狗電路。考慮到CPU復(fù)位至少需維持100ms，為使CPU正常復(fù)位，采用復(fù)位芯片來(lái)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。

所有的通信、傳感器接口均進(jìn)行了EMC處理，需要對(duì)外供電的接口均使用了隔離電源。通信信號(hào)線(xiàn)使用了ADI公司基于iCoupler?技術(shù)的隔離器件，在保證系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，兼顧了通信速度等影響整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)性的指標(biāo)。

采集器采用12V電源適配器作為主控電源，同時(shí)還有后備電源（可保證系統(tǒng)運(yùn)行不小于24h）。采集器還可檢測(cè)適配器的電源狀態(tài)和電池電壓狀態(tài)，當(dāng)適配器電源掉電時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)并發(fā)出故障警報(bào)；在電池電壓低于設(shè)定值時(shí)，采集器自動(dòng)保存相關(guān)參數(shù)并自動(dòng)關(guān)機(jī)。

安裝、使用和維護(hù)方便

該數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)充分考慮了施工、使用和日常維護(hù)與故障維修的方便性。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器外接獨(dú)立的通信模塊，帶來(lái)電源、通信接口的匹配及連接器的可靠連接等問(wèn)題。本采集器將通信模塊集成焊接到了采集器的PCB板上，方便了維護(hù)與使用。

采集器內(nèi)部還提供了應(yīng)急照明燈，可以作為應(yīng)急光源，采集器箱門(mén)開(kāi)合可直接控制應(yīng)急照明燈的啟閉。外部結(jié)構(gòu)上采用了航空插頭，不僅便于安裝，也保證了連接的牢固性。

與大多數(shù)的采集器一樣，該數(shù)據(jù)采集器通道設(shè)計(jì)分為模擬、數(shù)字采集方式。通過(guò)這些采集通道，能連接包括雨量、水位、流量、風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度等各類(lèi)型水文數(shù)據(jù)傳感器?？紤]到系統(tǒng)擴(kuò)展能力，設(shè)計(jì)了2個(gè)RS232串口、2路RS485/422、1路CAN 通信。除傳感器接口及通信接口外，本數(shù)據(jù)采集器還設(shè)計(jì)有4路輸出干結(jié)點(diǎn)用于其他設(shè)備的控制。

通過(guò)實(shí)際運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)采集器性能穩(wěn)定可靠，使用維護(hù)方便，滿(mǎn)足了水文數(shù)據(jù)采集測(cè)報(bào)要求。該數(shù)據(jù)采集器不僅適用于小流域水情數(shù)據(jù)的采集，也適用于氣象、地震、海洋、森林防火等部門(mén)的數(shù)據(jù)采集工作，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

（作者單位：江蘇省駱運(yùn)工程管理處）