基于A(yíng)RM9的船載監測系統設計

　　0 引言

　　海岸帶是海洋中對人類(lèi)活動(dòng)最為敏感的部分，人類(lèi)活動(dòng)會(huì )對其生態(tài)系統的結構和功能產(chǎn)生嚴重影響。這使得海岸帶成為海洋生態(tài)環(huán)境脆弱區。因此，海岸帶的安全與管理已成為國際熱門(mén)研究領(lǐng)域。海岸帶的科學(xué)管理是建立在大量數據的基礎上進(jìn)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(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(kāi)發(fā)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(guān)測站等，來(lái)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(huán)境監測傳感器集成在一起，隨船的航行，在沿線(xiàn)進(jìn)行整條航線(xiàn)實(shí)時(shí)采樣，獲得數據既可直接通過(guò)

　　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(yōu)點(diǎn)：

　　(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(huán)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(lái)源廣、準確度高，可獲取不同時(shí)間和空間的數據參數。

　　綜合以上優(yōu)點(diǎn)，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(xiàn)上的商運船上，可建立我國整個(gè)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(fā)送等部分組成。系統啟動(dòng)后，由軟件控制開(kāi)啟抽水泵，通過(guò)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(jīng)GPRS將數據發(fā)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(gè)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(kāi)，整體安裝及移動(dòng)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(kāi)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(jìn)行拆裝或調試。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(guò)內管通向錐形濾氣罩，氣體通過(guò)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。系統整裝實(shí)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(chǎn)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(shí)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(mǎn)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(kāi)關(guān)4052分時(shí)復用串口。不同型號模擬開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)導通串口信號，需要10 V以上的電源，而使用74HC4052型號的開(kāi)關(guān)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(shí)復用電路如圖5所示。

　　3 軟件設計

　　3.1 ARM端程序編寫(xiě)

　　ARM9平臺植入WinCE系統。該系統下運行應用程序由EVC編寫(xiě)。程序打開(kāi)后，選擇采集、存儲及發(fā)送周期，并設置短信中心號碼(有默認值)。點(diǎn)擊開(kāi)始后，系統開(kāi)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(mǎn)水后，設定定時(shí)器，開(kāi)始執行讀取數據、處理數據、存儲顯示及發(fā)送數據等等操作循環(huán)。循環(huán)過(guò)程中如讀到有短信進(jìn)入，解析短信內容，如為協(xié)議指令，則執行并刪除短信;若非協(xié)議短信，直接刪除，繼續執行循環(huán)。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(xiě)完成，采用左樹(shù)右表的機構，分為用戶(hù)管理、終端管理和數據管理三個(gè)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(hù)表、終端表和數據表三類(lèi)表單。

　　用戶(hù)管理部分主要對用戶(hù)表進(jìn)行操作，可保存和更改不同用戶(hù)信息，以判斷用戶(hù)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(jìn)行操作，主要實(shí)現數據接收及存儲。為實(shí)現數據中心可同時(shí)被多個(gè)船載監測系統通信管理，終端表中保存多個(gè)船載監測系統號碼，便于海洋參數分類(lèi)存儲。數據管理部分可顯示最新接收到的數據，并將一段時(shí)間內的數據以曲線(xiàn)輸出，更直觀(guān)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(guò)短信終端實(shí)現。短信終端與PC由串口連接，通過(guò)AT指令通信。軟件中接收短信通過(guò)設置串口響應事件實(shí)現。發(fā)送短信程序流程圖如圖7所示。

　　4 結語(yǔ)

　　本儀器在ARM9硬件平臺上，基于WinCE操作系統，集成多種在線(xiàn)海水測試儀器，通過(guò)GPRS模塊實(shí)現近海水域數據無(wú)線(xiàn)傳輸，并擴展有可裝配4G SD卡的接口，以及多個(gè)主從USB接口，便于維護及調試，滿(mǎn)足了智能儀器的要求，實(shí)現了儀器的小型化、可移動(dòng)、低成本、智能化等?？蓾M(mǎn)足海洋科學(xué)研究對海量數的需求，對我國海岸帶生態(tài)研究有著(zhù)重要的意義。