杨习成，边志刚，肖鸿飞
（天津海事测绘中心，天津 300222）
摘要：本文介绍了8位STC89C52RC单片机嵌入技术，以DS12C887时钟控制芯片和外围硬件电路，并采用数字滤波技术实现了对潮位数据的准确采集，同时扩展了对环境要素的监测采集，通过无线通讯链路连接到监控中心的PC机，在监控中心登陆水文信息发布系统即可实时监控各水文站的潮位信息和周边环境信息，并存入数据库以备后期查询、管理和应用。
关键词：嵌入式系统；数字滤波；远程监控；潮汐；网络；环境监测
当前的水文数据采集器都是针对某一种液位传感器而设计，而液位传感器与水文采集器彼此不能兼容，制约了数据的采集与传输。因此，研制一套综合的水文气象采集集成系统，使其能够广泛适用不同环境，同时兼容多型号、多类别的液位和气象传感器显得尤为重要。
1.1 系统框架
图1 系统框架
1.2 系统工作原理
考虑到各验潮站设置在沿海各港口，空间跨度较大，因此数据通讯传输利用现有的移动通信运营商（如电信）无线网络来实现。各验潮站的水文采集器将采集的水文和气象信息首先由运营商的无线网络送达到固定基站，再由基站通过网络将数据传送回监控中心。同时考虑了某些地区无线网络覆盖不完整情况，也可通过基于北斗卫星无线通信网络完成数字通信。
1.3 传感器的种类和数据输出方式
目前广泛应用的潮位测量传感器主要有压力式、浮子式、超声波式、雷达式等，超声波传感器由于受温度、湿度、盐雾的影响较大，目前较少使用。环境要素监测传感器主要有能见度、气象和雾等。上述传感器为工业级通用传感器，它们的的信息输出均为电流形式或串口形式，电流形式是将采集到的信息以4～20 mA的电流为输出表现形式，串口形式为485和232串口，若是电流形式，采用ADAM4118电流转485串口模块完成，若为串口形式，只需在水文采集器的硬件电路中增加相应的串口电路即可完成对相应传感器的数据接入。
2.1 数据采集硬件框架
水文数据采集器硬件设计框架如图2。
图2 水文气象采集器硬件框架
2.2 硬件组成及描述
1）CPU采用STC89C52RC芯片作为主控制器，其为51系列单片机的增强版，有很强的抗电磁干扰性，最大优点是软件可通过串口直接下载，方便了今后现场软件的更新。
2）键盘是人机对话的“工具”，操作亦简单，只设置4个按键，即一个设置键用于开始时钟设置，上、下箭头键用于更改相应位的数字，一个确认键。显示器显示当前信息。
3）时钟控制器采用DS12C887芯片，该芯片是美国达拉斯芯片公司的产品，也是当前使用较广的时钟芯片，该芯片还有113个字节的随机存储器（RAM），自带电池，在断电的情况下仍可完成芯片内的时钟行走，再次上电也不需再进行时钟设置。
4）利用SD卡存储所采集的水文和气象信息是一大优势，传统的水文数据采集器采用RAM存储器实现数据的存储，存储空间小，数据要压缩存储，需要定时前往水文站点进行“清盒”操作，若未及时处理容易造成数据溢出，进而导致数据的不完整。而SD卡存储空间大，支持热插拔，方便管理人员现场数据的下载，用SD卡存储采集器采集的数据，不需进行上述定期“清合”操作，该SD卡模块支持4 G存储空间，一次采集数据共有57字节，包括时间、潮位、能见度、气象信息，按照五分钟进行一次数据采集，一天共采集24，包括时间、潮位、次，一年的存储量约7 M（288年的存储量潮位），4 G存储空间能较好地满足数据存储量的需求。
5）数字控制电路采用CD4052芯片完成，由于显示屏、SD存储卡、485和232串口都是串口形式，CPU需要控制该芯片完成相应串口的端口操作。
6）电流输出传感器可通过ADAM4118转换模块转换成485串口输出形式，该模块支持八路电流输入信号，八路的电流输入也完全满足水文采集器所需电流传感器数量的要求，而且备有一定输入端口用于今后电流传感器的扩展所用。
7）串口电路包括485和232两种形式的串口，CPU控制串口控制电路选择相应的串口连接，由于所有的传感器包括DTU都是通过串口与CPU连接（4～20 mA电流也是通过ADAM4118转换成485串口形式），485串口由MAX485芯片完成、232串口由MAX232芯片完成，串口控制电路仍用CD4052芯片完成，CPU只需控制该芯片即可完成相应串口的操作。
8）电源和电压监测控制电路主要是为整个系统提供可靠电源，主板的5 V电源采用K7805的开关电源提高电源的利用效率，由于设备安放地有可能没有市电，可通过太阳能板为蓄电池组充电，由蓄电池组为其提供12 V直流电，加装电压监测电路由LM311芯片完成，该电路用于监测电源电压，当电瓶电压低于10.8 V或高于14.8 V则向CPU报警，CUP向监控中心传送数据时将电瓶电压的正常与否一并上传至监控中心，便于管理人员到现场维护。
2.3 传感器说明
该水文数据采集器所接入的传感器主要形式如下：
压力式水位计：MPM4700液位变送器，数据输出是4～20 mA电流形式。
浮子式水位计：SWY系列浮子式水位传感器，数据输出是4～20 mA电流形式。
导波雷达式水位计：VEGAPULS WL61，数据输出是4～20 mA电流形式。
激光式水位计：FTM-50，数据输出是串口232形式。
气象传感器：WXA100-06气象六要素传感器，数据输出是串口485或232形式。
能见度：NJD-1能见度传感器，数据输出是串口485或232形式。
3.1 设计流程
1）主程序流程
图3 系统主程序流程
2）时钟中断子程序流程
图4 时钟中断子程序流程
3）键盘中断子程序流程
图5 键盘中断子程序流程
3.2 主程序“看门狗”
上述流程图已示明了程序处理情况，程序执行相应关键点时设置相应标志位，由于设备工作在无人值守状况，CPU开启内置了看门狗（Watch Dog）电路，其作用是如果CUP受强电磁干扰造成程序跑飞而死机时复位CPU，CPU热启动后跳过初始化，程序将在跑飞处的相应标志位处继续执行，以使程序运行相对连贯，保证数据采集完整性。
3.3 时钟中断子程序中的滤波
潮位数据是本设备采集的主要数据。考虑到验潮井内海面涌浪的干扰，对潮位的数据采集准确与否是非常重要的，因此加入数字滤波技术以满足潮位数据的准确，数字滤波采用的是防脉冲干扰平均值滤波，相关文献指出此方法对温度和液位有良好的滤波效果，数学公式是A=[A2+A3+AN-1/(N-2)]，即一次采集N个数据，从小到大排序，剔除最小和最大的数据，其余数据作平均值处理。在此采集13组数据，每组数据之间有10 ms延时，数字滤波后作为本次采集的数据。所有采集的数据转换成HEX（十六进制）码格式进行计算和处理，最后再转换成ASC码格式存储和上传，采用HEX码是便于CPU作数据处理，而ASC码便于管理人员实施数据管理等工作。
3.4 键盘中断子程序
键盘处理程序用于对时钟的设置，可分别对时钟的年、月、日、时、分、秒进行设置。水文数据采集器实物连接如图6所示。
图6 水文数据采集器实物连接
现将在实验室测试的一组数据说明如下：
每组由字母K开始、E结束，t表示水位，V表示电源电压是否正常（“1”正常、“0”表示不正常），v表示大气能见度，再后面是气象六要素，T、H、S、D、P、R分别表示温度、湿度、风速、风向、气压、雨量，另外温度T后的“+”表示零上，“-”表示零下。
上述一组数据意义为：2月20日15时15分潮位1.478 m、电源电压正常、大气能见度是554 m、温度和湿度分别是22.6 ℃和8 %、风速和风向分别是0.5 m和112°、气压和雨量分别是1 025.8 mBar和0 mm。
为评估接入水文气象采集传感器所采数据的可靠性和稳定性，在天津港临港工业区码头安装该水文气象数据采集器，与国家海洋技术中心的CZY1-1型海洋站自动监测系统所采数据进行比对。比对结果如表1所示。
表1 两种设备采集的数据差值比对
要素平均差值均方差值最大差值最小差值 样本数潮汐-0.38 cm0.882 cm -3.5 cm 173个气温0.15 ℃ 0.692.39 ℃ -2.4 ℃ 439个湿度0.26 % 2.238 % -7 % 439个气压-1.20 hPa0.10-0.9 hPa -1.4 hPa 439个风向-8.18° 31.64162° -163° 439个风速-0.40 m/s1.024.3 m/s -3 m/s 439个
表中数据表明，经本设备采集的水文气象数据稳定、可靠，比对不符值满足有关规范要求。
基于单片机嵌入技术和数字滤波技术研发的水文气象采集器，其优势在于采集的数据安全可靠，操作简便，且有较好的人机交互性和多传感器兼容性，实现了多种水文、气象传感器的综合集成，表现出良好的一机多用性能。该产品2016年6月已获由国家知识产权局颁发的实用新型证书（证书号第5267431号，专利号：ZL 2015 2 0969499.7），程序算法有独立的软件著作权。实践表明，该水文气象采集集成系统适用于安装在沿海港口，岛礁上建立的无人值守的水文气象站网中，对保证水运工程水文测量精度，提高工作效率将起到重要作用。
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Research and Design of Hydrological Data Acquisition Unit Based on Technique of Embedded Single-chip Microcomputer
Yang Xicheng, Bian Zhigang, Xiao Hongfei
(Tianjin Hydrographic Center, Tianjin 300222, China)
Abstract：An introduction to the technique of embedded 8-bit stc89c52rc single-chip microcontroller is given in detail, which involves not only the accurate acquisition of tidal data by using digital filter based on DS12C887 clock control chip and the peripheral hardware circuit, but also the monitoring and acquisition of environmental factors. Real-time monitoring of the tidal and environmental information collected by all hydrological stations can be realized by logging in hydrology information release system subject to the connection of a wireless communication link with PC in monitoring center. The above data will be stored in a database for later query, management and application.
Key words：embedded system; digital filter; remote monitoring; tide; network; environmental monitoring
中图分类号：X830.1
文献标识码：A
文章编号：1004-9592（2017）01-0105-04
DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20170124
收稿日期：2016-07-22
作者简介：杨习成（1959-），男，高级工程师，主要从事电子设备研发工作。
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