海洋環(huán)境綜合數(shù)據(jù)采集器的研究與設(shè)計(jì)

孟祥衛(wèi) 潘洪軍 畢振波 王少華

[摘要]隨著以海洋為基礎(chǔ)的產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，海洋環(huán)境的變化受到越來(lái)越多的關(guān)注。針對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了基于STM32開(kāi)發(fā)板的一種海洋環(huán)境綜合數(shù)據(jù)采集器。該采集器通過(guò)對(duì)多種傳感器的數(shù)據(jù)采集獲得海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，并使用GPRS通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。經(jīng)過(guò)測(cè)試表明，其具有成本低、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)單方便的他點(diǎn)，具有較大的應(yīng)用價(jià)值和前景。

[關(guān)鍵詞]海洋環(huán)境；STM32；傳感器；GPRS

[中圖分類號(hào)]TP368.2 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

1 引言

隨著海洋經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，與海洋有關(guān)的科學(xué)和技術(shù)變得越來(lái)越重要。為了開(kāi)發(fā)和利用海洋資源，我們必須首先了解海洋，全面監(jiān)測(cè)海洋。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)就是海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，其基本任務(wù)是獲取溫度、濕度、水溫、風(fēng)速、波浪等水文氣象信息。經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)的努力，國(guó)內(nèi)的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)備已經(jīng)取得了很大成果，但在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)通信方面還存在一些不足。針對(duì)這一狀況，本文設(shè)計(jì)了一款海洋環(huán)境綜合數(shù)據(jù)采集器，以STM32F407為核心搭載多種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，方便數(shù)據(jù)分析存儲(chǔ)。

2 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。海洋環(huán)境綜合數(shù)據(jù)采集器主要包括STM32F407芯片、GPRS模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、存儲(chǔ)模塊等多個(gè)模塊。

STM32F407處理器作為整個(gè)采集器的控制核心，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)的多路采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、人機(jī)交互等控制功能。首先，數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)GPIO口把采集的數(shù)據(jù)傳送到STM32芯片，并實(shí)時(shí)顯示在LCD顯示屏上。STM32控制模塊通過(guò)GPRS通信模塊與上位機(jī)聯(lián)系，傳輸數(shù)據(jù)并接收上位機(jī)指令。當(dāng)GPRS通訊模塊出現(xiàn)故障時(shí)，將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊，待故障排除后，恢復(fù)向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。加入LCD顯示屏和鍵盤(pán)操作等人機(jī)互動(dòng)功能有助于采集器的現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試方便，可以對(duì)采集器工作方式進(jìn)行選擇、對(duì)水文氣象數(shù)據(jù)的報(bào)警值進(jìn)行設(shè)定等。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 stm32核心模塊

STM32F407是基于ARMCortex-M4內(nèi)核的32位閃存微控制器，其主頻為168MHz，在此工作頻率下其處理性能可達(dá)210DMIPS，且電流消耗低，具備較高性能的浮點(diǎn)運(yùn)算和信號(hào)處理能力。其擁有I?C、CAN等通信接口。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用STM32F407作為水文氣象數(shù)據(jù)采集終端的控制核心，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能，可以減少設(shè)備部件的使用量，降低功耗和成本。

3.2 GPRS通訊模塊

GPRS通信模塊采用SIMCOM公司的SIM900A芯片，具有雙頻GSM/GPRS，該模塊工作在DCS1800MHZ與EGSM900MHZ兩個(gè)頻段，支持CS-1、CS-2、CS-3和CS-4共四種編碼格式，其出廠時(shí)默認(rèn)內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，用戶以通過(guò)擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)指令集輕松的使用該模塊進(jìn)行基于上述協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊

3.3.1 傳感器選擇。數(shù)據(jù)采集模塊主要依靠傳感器的反饋信息來(lái)獲得海洋環(huán)境的水文氣象數(shù)據(jù)。故會(huì)用到水溫、溫度、波浪、濕度、風(fēng)向風(fēng)速等傳感器，因此傳感器的穩(wěn)定性、耐腐蝕性、精確度等會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的功能和成本。

以溫濕度傳感器為例，采用SHT15溫濕度傳感器，其能夠?qū)囟雀袦y(cè)、濕度感測(cè)、變換信號(hào)、A/D轉(zhuǎn)換等功能集成到一個(gè)芯片上。由于該款溫濕度傳感器具有精度高，可在水中測(cè)量等特點(diǎn)，完全滿足海洋環(huán)境測(cè)量的功能要求。SHT15引腳圖如圖2。

3.3.2 總線設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集模塊與傳感器之間通過(guò)總線協(xié)議來(lái)聯(lián)系，常用的通信協(xié)議有RS232、RS422、RS485和CAN總線等。

RS-232是現(xiàn)在市場(chǎng)上常用的串行通信接口之一。在其工作時(shí)通常使用三線制，發(fā)送數(shù)據(jù)線、接收數(shù)據(jù)線和地線。但由于RS232接口標(biāo)準(zhǔn)年代久遠(yuǎn)，有很多不足之處，如傳輸距離有限、傳輸速率較低等。與RS232相對(duì)比，CAN在傳輸?shù)木嚯x、總線利用率、錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制等都有很大的優(yōu)勢(shì)。CAN控制器在CAN總線上有著至關(guān)重要的地位，其可以對(duì)總線出現(xiàn)的任何錯(cuò)誤進(jìn)行分析檢測(cè)，當(dāng)總線的錯(cuò)誤多余128個(gè)，其就會(huì)自動(dòng)閉鎖，保護(hù)總線。在數(shù)據(jù)采集模塊中連接傳感器的基本方式選擇RS232，傳感器設(shè)備間的互聯(lián)和傳輸數(shù)據(jù)則選擇CAN總線，用來(lái)保證實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

4 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)使用的編程語(yǔ)言是C#，易于系統(tǒng)擴(kuò)展。其主要目的是方便用戶簡(jiǎn)單快捷的使用，主要提供了終端命令控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析等功能。用戶可以通過(guò)上位機(jī)軟件界面上面的圖表進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)和查詢分析已有數(shù)據(jù)，并且通過(guò)發(fā)送命令調(diào)整終端現(xiàn)有的功能。

數(shù)據(jù)采集終端使用C語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)編程語(yǔ)言。開(kāi)發(fā)環(huán)境使用Keil公司的MDK-ARM集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)STM32的固件庫(kù)使用，終端軟件主要集中于功能的實(shí)現(xiàn)，軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)開(kāi)發(fā)速度。以溫濕度SHT15傳感器為例，其溫濕度數(shù)據(jù)采集的軟件流程圖如圖3。

5 總結(jié)

本文重點(diǎn)介紹了基于STM32F407的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)采集器的總體結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)選擇和軟件設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)向風(fēng)速、水流、溫濕度等水文氣象數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有成本低廉、性能穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行測(cè)試，證實(shí)了該采集器能夠有效的實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)，并且工作穩(wěn)定可靠。當(dāng)然通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單修改，也可以靈活的應(yīng)用于江河航道及其他領(lǐng)域的水文氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，幫助提供船舶航行運(yùn)輸?shù)谋匾畔ⅰ?/p>

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