祁德麗，呂洪燕

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水文數(shù)據(jù)采集器的硬件設計

祁德麗，呂洪燕

水文自動測報系統(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、易用及對傳感器的兼容性至關(guān)重要，直接影響整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全、準確。在江蘇省水文自動測報系統(tǒng)建設中，下屬各管理單位實現(xiàn)了野外環(huán)境下水文數(shù)據(jù)的精確采集及可靠傳輸，對水文測報結(jié)果的精準報送意義重大。針對水文數(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、實用、可靠的硬件設計方案。

硬件設計

本采集器采用ATMEL公司的工業(yè)級32位ARM9處理器AT91SAM9G45作為主控芯片，主頻高達400MHz，無論穩(wěn)定性、可靠性還是處理速度，都完全能滿足系統(tǒng)需求；外圍配備128M DDR2 SDRAM、128M NandFlash，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運行的同時，留有足夠的擴展空間；具有10/100Mbps自適應網(wǎng)絡，方便和本地以太網(wǎng)連接；內(nèi)置北斗導航模塊，采集位置信息并和集控中心保持時間同步；4G通信模塊保證數(shù)據(jù)能實時傳輸?shù)郊刂行牡臄?shù)據(jù)服務器；采用WIFI/BT模塊方便手機等設備的本地連接，實現(xiàn)在現(xiàn)場使用手機APP軟件上報數(shù)據(jù)；使用Zigbee通信模塊，實現(xiàn)同一采集器下多個測控點的數(shù)據(jù)無線采集功能。

數(shù)據(jù)采集器硬件設計框圖

穩(wěn)定性設計

為了提高硬件設計的穩(wěn)定性，CPU處理器以及外圍元件、模塊全部選用了工業(yè)級。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，以應對元件老化等問題。在產(chǎn)品出廠前，要求全部使用UV光固漆進行三防處理和48h的老化處理，確保采集器能在惡劣的工作條件下穩(wěn)定運行。

可靠性設計

在野外復雜環(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，設備可能出現(xiàn)死機、程序跑飛等現(xiàn)象。由于不可能隨時有工作人員監(jiān)控，一旦發(fā)生問題需要采集器能自動重啟，因此專門設計了看門狗電路來監(jiān)控采集器是否正常運行。采集器除使用了CPU內(nèi)部的看門狗外，還專門設計了專用看門狗電路?？紤]到CPU復位至少需維持100ms，為使CPU正常復位，采用復位芯片來產(chǎn)生復位信號。

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

采集器采用12V電源適配器作為主控電源，同時還有后備電源（可保證系統(tǒng)運行不小于24h）。采集器還可檢測適配器的電源狀態(tài)和電池電壓狀態(tài)，當適配器電源掉電時，系統(tǒng)會自動檢測并發(fā)出故障警報；在電池電壓低于設定值時，采集器自動保存相關(guān)參數(shù)并自動關(guān)機。

安裝、使用和維護方便

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

采集器內(nèi)部還提供了應急照明燈，可以作為應急光源，采集器箱門開合可直接控制應急照明燈的啟閉。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)采集器通道設計分為模擬、數(shù)字采集方式。通過這些采集通道，能連接包括雨量、水位、流量、風向、風速、溫度、濕度等各類型水文數(shù)據(jù)傳感器?？紤]到系統(tǒng)擴展能力，設計了2個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)采集器還設計有4路輸出干結(jié)點用于其他設備的控制。

通過實際運行，發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)采集器性能穩(wěn)定可靠，使用維護方便，滿足了水文數(shù)據(jù)采集測報要求。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、森林防火等部門的數(shù)據(jù)采集工作，具有廣闊的推廣應用前景。

（作者單位：江蘇省駱運工程管理處）