一种海洋监测通用数据采集与处理系统的设计

张颖颖，张 颖，马 然，程 岩，侯广利

（山东省科学院海洋仪器仪表研究所 山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东 青岛266001）

一种海洋监测通用数据采集与处理系统的设计

张颖颖，张 颖，马 然，程 岩，侯广利

（山东省科学院海洋仪器仪表研究所 山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东 青岛266001）

介绍了一种海洋监测通用数据采集与处理系统的设计方法。该系统以单片机为硬件平台，针对海洋监测项目的实际需要，设计了多路模拟量采集、数字/脉冲量采集、数字输出控制、远程通信端口和大容量信息存储，可以实现各种海洋监测数据的自动采集、实时显示、分析和信息管理等功能，在海洋环境监测领域具有推广应用的现实前景。

数据采集；通用；海洋监测；单片机

引言

对海洋监测数据进行有效的采集、存储和处理，是所有自动化海洋监测系统都需要设计和开发的重要内容。尤其恶劣工作环境和长期无人坚守时，海洋监测数据的采集、存储和处理就起到了中坚作用，是关系海洋监测任务能否自动地长期和可靠执行的关键。目前，海洋技术越来越趋向于多要素的长期和同步监测，不仅要考虑特殊的工作环境和长期运行要求，还要考虑传感器的数量、特点和数据处理方法等，这使得海洋监测数据的采集、存储和处理任务日益繁重并且要求提高了[1-5]。开展各种海洋监测项目时，专业科技人员都需要花费大量的时间和精力配套开发相关硬件和软件。这些研发工作内容接近但是不尽相同，花费人力物力以外，系统性能和成本也必须考虑。

本文提出一种海洋监测领域专用的通用型数据采集与处理系统的设计方法。该系统可以灵活应用于各种海洋监测项目，不仅避免项目开发过程中对人力和物力的重复性损耗，而且，形成的专业优势和高性能设备能够确保信息采集、处理和控制更加系统高效。

1 系统设计要求

海洋监测通用数据采集与处理系统专门针对海洋监测这一应用领域，因此，设计充分考虑目前国内海洋监测领域的常用传感器类型、数据采集和处理方法，以及海洋监测的应用环境和要求。系统要求在通用性、专业性、智能性和扩展性方面具有一定优势。

为满足大部分海洋监测项目的需要，通用型海洋监测数据采集与处理系统要求灵活地提供多路模拟量数据采集通道、多路数字/脉冲量数据采集通道、多路数字量输出控制通道、多路串行通信和远程通信接口，目的是兼容各种海洋监测项目常用的传感器，兼容各种常用的远程通信设备并提供直接连接上位机的系统设置和操作功能，同时，为实现海洋监测项目的一些控制操作功能，例如，对连接的海洋监测传感器执行加断电和开始、停止采集信息，以及特殊传感器例如毛刷的操作等。针对海洋监测多要素和长期性的特点，系统设计大容量数据存储功能和灵活的系统操作设置功能，包括不同种类的数据设置不同的采样时间，或者特殊情况下，例如，风速和有效波高大于一定值时启动数据的加密采集处理功能等。为适应海洋监测的工作环境，甚至恶劣环境，系统要满足强抗干扰、高可靠性和低功耗等要求。

2 系统设计

海洋监测通用数据采集与处理系统由硬件设备和配套软件两部分组成。硬件设备的基本功能包括：与海洋监测项目需要的各种传感器有效连接，根据监测项目的要求实时采集、处理并存储各种数据信息，实现现场海洋监测系统与计算机上位机的直接信息传输，连接无线传输模块，实现远程自动化海洋监测项目要求的监测信息无线传输功能。配套软件包括系统初始化设置软件和数据接收及处理软件两部分。

2.1 硬件设计和工作原理

硬件设备的内部结构除核心处理器以外，具体分为模拟量信息采集通道、数字控制通道、脉冲通道、信息通信端口、信息存储和设备供电。具体的硬件设计方案如图1所示。

综合考虑海洋监测对功耗和系统要求，选择AVR单片机作为设备的核心处理器。如图1所示，设备采用Atmel ATmega128型AVR单片机作为硬件核心处理器。外部12 V（9～18 V范围）直流供电。LM2576电源芯片将系统+12 V开关电源转换成+5 V稳压供电。RTC时钟模块通过DS1302时钟芯片的涓流充电方式，提供设备实时时钟，方便存储记录时间。SD卡大容量数据存储模块利用单片机的SPI接口模式，由AMS1117稳压电源模块提供3.3 V电源供电。利用两组串口扩展电路对单片机的两个UART接口UART1、UART2进行多路扩展，最终提供6个RS232通信串口，用于上位机通信和卫星等远程无线传输通信和备用的串行信息接口。为实现良好的扩展能力，设备采用总线方式设计，以提供更多的设备接口。

图1 海洋监测通用数据采集与处理系统硬件设计方案

8路模拟量信号输入，精度12位或以上，输入信号范围0～+5VDC，提供各种电压和电流的模拟量测量，以连接风向、气温、气压、水温、温度等常用传感器。外接传感器采集的模拟信息依次经过放大、采样、A/D转换、整形滤波、隔离等模块处理，最后将数字信号送入ATmega128单片机处理。为避免占用单片机的大量端口资源和造成硬件成本增加，设计采用多路开关的各路备选通道进行通断控制，在仅占用单片机一路输入端口的前提下，实现多路模拟检测量的分时采样。针对海洋监测传感器种类和型号丰富的特点，设计该系统具体应用时，海洋监测模拟量数据的校准和转换过程由上位机通过串行通信的参数设置功能来具体实现。8路数字输入通道采集风速和气压等传感器类型的数字和脉冲量信息。数字/脉冲信息同样经多路选择之后，经过整形、隔离等模块传给单片机进行信息处理。单片机按照一定的频率要求将部分采集信息经内部SRAM，通过串口发送到外接的远程无线传输设备，将近远海实时监测信息及时发送到岸站。同时，单片机的全部采集信息将按照一定的要求以表格形式存储到SD卡，提供海洋监测用户长期持久的信息存储功能。一些以串口方式连接的海洋监测传感器例如方位和水质传感器直接通过该设备的串行接口，将采集信息送入单片机。对于某些需要数字信号进行控制或者触发的外部仪器设备来说，单片机可以通过一路I/O口输出所需的控制信号或者触发信号，经锁存电路进行多路扩展后，通过数字控制模块向对应的外部仪器设备输出其所需的数字信号，从而实现海洋监测系统的一定控制操作功能。

硬件设计除了完成数据采集与处理功能之外，还考虑安全可靠等诸多因素。包括，蓄电池尤其在太阳能对其充电等状态下电压不稳的情况，设计保护设备正常工作并避免系统烧坏。为保证信息采集的时间准确，设计有硬件和软件的时钟同步操作。以及硬件设备的工作温度范围和紧凑、抗干扰等重要性能设计。

2.2 软件设计方案

海洋监测通用数据采集与处理系统配备两套应用软件。初始化设置软件根据系统实际应用时连接的传感器数量和类型、数据采集与处理的方式方法、海洋监测项目采用的数据通信方式等具体应用背景，由上位机通过直接串行通讯方式对系统进行硬件设置。将通用型的数据采集与处理系统设置成为具体的海洋监测项目需要的系统设备。初始化配置软件的操作流程见图2所示。数据采集与处理软件由上位机接收海洋监测项目得到的实时数据，完成数据的存储、显示和分析，可以根据实时的海洋监测信息即时修改相关的数据采集参数，实现海洋监测项目更好的自动化运行。图3对该软件提供的数据采集与处理功能模块进行了具体说明。

两套软件均采用Windows操作系统下的图形用户界面，方便操作人员使用。

图2 初始化配置软件流程图

图3 数据采集与处理软件功能模块图

3 结论

本文提出了一套完整的海洋监测通用数据采集与处理系统的设计方案。该系统可以针对各种海洋监测项目的不同要求，同时连接所需要的多数量多类型传感器进行灵活配置并直接使用，对各种监测信息可以实现从采集、存储、显示到分析处理，再到控制通信的全过程操作，不仅避免了各种海洋监测项目重复开展的相似研发工作，节省人力物力和开发成本，而且，过硬的系统质量能够确保海洋监测信息的采集、处理和控制更加系统高效。

[1]卜照蓬,刘岩.FZF321型海洋资料浮标系统[J].海洋技术,2003,2(22):59-65.

[2]武东生,张齐.海洋站数据采集器的设计要点[J].海洋技术,2001,1(20):59-61.

[3]张毅,孙思萍,齐尔麦,等.海床基自动监测系统中央控制单元设计与实验[J].海洋技术,2007,26(4):1-3.

[4]唐原广,王金平.SZF型波浪浮标系统[J].海洋技术,2008,27(2):31-33.

[5]周晓林,焦仁育.水质自动监控系统的设计与实现[J].电子技术应用,2001,27(5):30-32.

Design of Common Data Acquisition System for Marine Environment Monitoring

ZHANG Ying-ying,ZHANG Ying,MA Ran,CHENG Yan,HOU Guang-li
（Institute of Oceanographic Instrument,Shandong Academy of Science,Key Lab.of Marine Environment Monitoring of Shandong,Qingdao Shandong 266001,China）

A design of common data acquisition system for marine environment monitoring is presented.The system is based on the microcomputer technology and takes full use of multi-channel analog and digital and impulse acquisition,digital control output,remote telecommunication interface and large capacity information storage.The system is capable of achieving the data auto collection,display,analysis and information management,which meets the primary requirement of marine environment monitoring projects and has a famous effect in application.

data acquisition;common;marine monitoring;microcomputer

TP274，P71

B

1003-2029（2010）04-0009-03

2010-06-05

国家高技术研究发展计划（863）资助项目（2006AA09Z144）；山东省科技攻关项目资助（2009GG10005007）

张颖颖（1979-），女，山东人，博士，副研究员，主要从事海洋信息探测和处理研究。