基于ARM9的船載監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　海岸帶是海洋中對人類活動(dòng)最為敏感的部分，人類活動(dòng)會(huì)對其生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。這使得海岸帶成為海洋生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。因此，海岸帶的安全與管理已成為國際熱門研究領(lǐng)域。海岸帶的科學(xué)管理是建立在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。傳統(tǒng)的海岸帶調(diào)查，需要大量的人力物力，而且獲得的數(shù)據(jù)非常有限，高通量海岸帶數(shù)據(jù)獲取已成為制約海岸帶科學(xué)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(fā)了多種形式的海洋監(jiān)測系統(tǒng)，如浮標(biāo)(Buoy)、拖曳式監(jiān)測船(Tow)、水下滑翔機(jī)(Glider)、衛(wèi)星遙感、海底觀測站等，來獲取海量數(shù)據(jù)。

　　在此，介紹一種新的海洋數(shù)據(jù)采集方法，并研制出一套采集系統(tǒng)——船載監(jiān)測系統(tǒng)(Automated Instrument Packages on Ships of Opportunities)。它是一種將多種海洋環(huán)境監(jiān)測傳感器集成在一起，隨船的航行，在沿線進(jìn)行整條航線實(shí)時(shí)采樣，獲得數(shù)據(jù)既可直接通過

　　遠(yuǎn)程傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，也可以將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在船上，定期獲取數(shù)據(jù)的一種海洋數(shù)據(jù)采集模式。

　　與其他海洋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，船載監(jiān)測系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)能源充足。船舶可以為系統(tǒng)提供能源，便于更多復(fù)雜分析系統(tǒng)的應(yīng)用，因此可根據(jù)不同功能需求，采用不同傳感器，集成相應(yīng)的船載監(jiān)測系統(tǒng)。

　　(2)工作環(huán)境良好。船舶內(nèi)部可保證系統(tǒng)工作條件，便于安裝較為精致的設(shè)備。

　　(3)便于維護(hù)。不需輔助維修費(fèi)用，維護(hù)成本低。

　　(4)數(shù)據(jù)來源廣、準(zhǔn)確度高，可獲取不同時(shí)間和空間的數(shù)據(jù)參數(shù)。

　　綜合以上優(yōu)點(diǎn)，可以看到船載監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊。將系統(tǒng)放在不同航線上的商運(yùn)船上，可建立我國整個(gè)海岸監(jiān)測系統(tǒng);如果放在遠(yuǎn)洋船上，則可得到大量的大洋表面海水?dāng)?shù)據(jù)。

　　1 系統(tǒng)原理

　　系統(tǒng)以ARM9為控制核心，由采樣、測試、存儲(chǔ)及發(fā)送等部分組成。系統(tǒng)啟動(dòng)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(dǎo)率、溶氧量、溫度等參數(shù)，并由GPS獲取位置參數(shù)，海水參數(shù)及位置參數(shù)存儲(chǔ)在系統(tǒng)自帶SD卡中，或經(jīng)GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心的PC機(jī)或工控機(jī)由同樣的GPRS接收數(shù)據(jù)，并由數(shù)據(jù)中心程序處理后，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。工作原理如圖1所示。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 箱體設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)裝于不銹材料的箱體內(nèi)，可保護(hù)系統(tǒng)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(cè)面打開，整體安裝及移動(dòng)方便。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　其中，配電箱固定在滑道上。上蓋向側(cè)面掀開后，配電箱可推向后側(cè)，以便在不拆卸其他裝置的情況下對下層設(shè)備進(jìn)行拆裝或調(diào)試。貯水箱有進(jìn)出水口、上蓋、錐形濾氣罩等部件。如上圖2(b)所示，海水由進(jìn)水口通過內(nèi)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(jìn)入貯水箱，以防止其對傳感器性能產(chǎn)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(tǒng)整裝實(shí)物外形圖如圖3所示。

　　2.2 電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)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(chǎn)品。

　　2.2.1 電源電路

　　系統(tǒng)所需電源情況復(fù)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(shí)現(xiàn);220 V交流電源采用逆變器轉(zhuǎn)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(fù)載能力強(qiáng)。先由負(fù)載能力較強(qiáng)的2576-ADJ將12 V電源降壓到合適值(6.3～8 V)，再由穩(wěn)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(fā)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(shí)復(fù)用電路

　　由于高性能ADC占用了ARM 芯片部分GPIO資源，導(dǎo)致系統(tǒng)串口不夠用，故采用模擬開關(guān)4052分時(shí)復(fù)用串口。不同型號(hào)模擬開關(guān)對串口信號(hào)的導(dǎo)通電壓要求不同。其中，如使用HCF4052型號(hào)的模擬開關(guān)導(dǎo)通串口信號(hào)，需要10 V以上的電源，而使用74HC4052型號(hào)的開關(guān)只需5 V就可以導(dǎo)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(shí)復(fù)用電路如圖5所示。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 ARM端程序編寫

　　ARM9平臺(tái)植入WinCE系統(tǒng)。該系統(tǒng)下運(yùn)行應(yīng)用程序由EVC編寫。程序打開后，選擇采集、存儲(chǔ)及發(fā)送周期，并設(shè)置短信中心號(hào)碼(有默認(rèn)值)。點(diǎn)擊開始后，系統(tǒng)開始自動(dòng)工作。首先啟動(dòng)水泵，延時(shí)一段時(shí)間等待貯水箱裝滿水后，設(shè)定定時(shí)器，開始執(zhí)行讀取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)顯示及發(fā)送數(shù)據(jù)等等操作循環(huán)。循環(huán)過程中如讀到有短信進(jìn)入，解析短信內(nèi)容，如為協(xié)議指令，則執(zhí)行并刪除短信;若非協(xié)議短信，直接刪除，繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)。軟件上有按鈕可以直接結(jié)束系統(tǒng)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(jī)構(gòu)，分為用戶管理、終端管理和數(shù)據(jù)管理三個(gè)部分。程序連接了由SQL Server建立的數(shù)據(jù)庫工程文件，該數(shù)據(jù)庫工程包括用戶表、終端表和數(shù)據(jù)表三類表單。

　　用戶管理部分主要對用戶表進(jìn)行操作，可保存和更改不同用戶信息，以判斷用戶對海洋數(shù)據(jù)的查閱以及系統(tǒng)操作的權(quán)限。

　　終端管理部分可對終端表和數(shù)據(jù)表進(jìn)行操作，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收及存儲(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心可同時(shí)被多個(gè)船載監(jiān)測系統(tǒng)通信管理，終端表中保存多個(gè)船載監(jiān)測系統(tǒng)號(hào)碼，便于海洋參數(shù)分類存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)管理部分可顯示最新接收到的數(shù)據(jù)，并將一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)以曲線輸出，更直觀地看到一定范圍數(shù)據(jù)的變化趨勢。而且該部分還可以將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)以常用的文件形式數(shù)據(jù)，如Excel，PDF等格式保存。

　　數(shù)據(jù)中心與船載監(jiān)測系統(tǒng)通信通過短信終端實(shí)現(xiàn)。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(shè)置串口響應(yīng)事件實(shí)現(xiàn)。發(fā)送短信程序流程圖如圖7所示。

　　4 結(jié)語

　　本儀器在ARM9硬件平臺(tái)上，基于WinCE操作系統(tǒng)，集成多種在線海水測試儀器，通過GPRS模塊實(shí)現(xiàn)近海水域數(shù)據(jù)無線傳輸，并擴(kuò)展有可裝配4G SD卡的接口，以及多個(gè)主從USB接口，便于維護(hù)及調(diào)試，滿足了智能儀器的要求，實(shí)現(xiàn)了儀器的小型化、可移動(dòng)、低成本、智能化等?？蓾M足海洋科學(xué)研究對海量數(shù)的需求，對我國海岸帶生態(tài)研究有著重要的意義。