CN103901928B - 一种高可靠性多通道水温水位自动监控系统 - Google Patents

一种高可靠性多通道水温水位自动监控系统 Download PDF

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Abstract

本发明适用于通信领域，提供了一种高可靠性多通道水温水位自动监控系统，其所述系统包括：第一CPU、第二CPU、第一组温度传感器、第二组温度传感器、第一组水压传感器、第二组水压传感器、存储器、第一信号通道控制检测、第二信号通道控制检测、第三信号通道控制检测和第四信号通道控制检测。本发明具体实施方式提供的技术方案具有可靠性高，稳定性高的优点。

Description

一种高可靠性多通道水温水位自动监控系统
技术领域
本发明属于通信领域，尤其涉及一种高可靠性多通道水温水位自动监控系统。
背景技术
水文监测系统就是在一定地区或流域内，按一定原则，用一定数量各类水文监测点构成的水文资料收集系统，也叫水文站网，水文监测系统的作用是监测本地区或本流域内水文要素在时空上长期变化规律，为防汛抗旱、水利工程规划运行管理、水资源合理利用、农业发展、城市建设以及水环境治理、保护等及国民经济持续发展提供科学依据。
鉴于国外信息化产业起步较早，所以水文数据采集系统自动化水平较之我国也比较高。我国水文自动化检测系统经过近40年的发展，在现代电子、传感、通信和计算机技术等众多技术的支持下也已获得了迅速地发展。回顾不同的历史时期，所建系统快速采集的数据，为防汛和水利调度的决策提供了依据和参考，发挥了相当大的社会经济效益。尤其近年来可持续发展的要求和水资源的不足，要求更加实时地监测水温、水位、流量、水污染等数据。
目前，针对水资源的监测系统已经有一些，但是针对冻土性质的水文监测系统还很缺乏，究其原因，主要在于冻土环境对监测系统要求高、数据综合处理能力强。中国是世界第三冻土大国，在青藏高原和大兴安岭地区存在着大片冻土区，多年冻土面积约占国土总面积的22%。由于冻土地带地质条件比较恶劣，又多是山区，布设的降水观测站点稀疏，故高海拔地区(>4000m)降水观测奇缺。
传感器数据采集技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一，从宇宙勘探到海洋开发；从生产的过程控制到现代文明生活，几乎每一项科学技术都离不开传感器数据采集监控。因此，许多国家对传感器技术的发展十分重视。目前国外主要在两个方面进行研究突破，一是大力发展传感器技术，制造高精密、高集成传感器，来提高传感器精度和可靠性，如日本把传感器技术列入六大核心技术（计算机、通讯、激光、半导体、超导体和传感器）之一。二是研究数据采集技术，朝着小型化，智能化，提高设备数据的处理、监控能力。
国内在微处理器开发制造方面深入，集成程度越来越高，涌现一大批的微处理芯片，结合传感器技术使得测量技术，实现远程测量监控，数据处理和工作效力大大提升，目前传感器技术的趋向于小型化、集成化以及智能化发展。智能化技术将成为未来传感器的主流。随着我国经济社会的发展，对水文监测信息不断提出新要求，水文观测的项目和内容不断增加，对观测手段和方法以及水文监测技术的研发和应用提出了越来越高的要求；现代电子技术、传感技术、通信技术和计算机技术的迅猛发展，也促进了水文监测技术自动化的发展。
水文监测技术是水文水利信息化的重要基础，它是水文传感器技术与采集、存储、传输、处理技术的集成。近40年来，我国水文自动监测系统的建设和应用技术有了巨大的进步，所建系统采集的数据为防汛抗旱、水利工程规划运行管理、水资源合理利用、农业发展、城市建设以及水环境治理、保护等及国民经济持续发展管理决策提供了依据和参考，但整体水平与西方发达国家相比还存在着很大的差距，其中信息采集、传输手段和技术比较落后，信息时效性差，不能满足对水文数据实时、快速、准确监测的要求。尤其是冻土地带，其环境恶劣，需要高稳定性和可靠性的监测点，其数量更是稀少。
目前市面上已经有一些温度与水压的监控系统，但其能够处理的通道数量有限，数据优化处理和测量精度方面有一定的限制，所以现有的监控系统的可靠性和稳定性较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高可靠性多通道水温水位自动监控系统，旨在解决现有技术的可靠性和稳定性较低的问题。
本发明是这样实现的，一种高可靠性多通道水温水位自动监控系统，所述系统包括：第一CPU、第二CPU、第一组温度传感器、第二组温度传感器、第一组水压传感器、第二组水压传感器、存储器、第一信号通道控制检测、第二信号通道控制检测、第三信号通道控制检测和第四信号通道控制检测；
其中，其中第一组温度传感器分别与第一信号通道控制器的多个输入端口连接，第一信号通道控制器的输出端分别与第一CPU和第二CPU连接；
第二组温度传感器分别与第三信号通道控制器的多个输入端口连接，第三信号通道控制器的输出端分别与第一CPU和第二CPU连接；
第一组水压传感器分别与第二信号通道控制器的多个输入端连接，第二信号通道控制器的输出端分别与第一CPU和第二CPU连接；
第二组水压传感器分别与第四信号通道控制器的多个输入端连接，第四信号通道控制器的输出端分别与第一CPU和第二CPU连接；
存储器分别与第一CPU和第二CPU连接；
第一CPU与第二CPU之间能够数据传输。
可选的，所述系统还包括：GPRS模块和GPS模块，GPRS模块与第一CPU和第二CPU连接；GPS模块与第一CPU和第二CPU连接。
可选的，所述系统还包括：工业级专用小信号放大器，所述工业级专用小信号放大器连接在第一组温度传感器与第一信号通道控制器之间、所述工业级专用小信号放大器连接在第二组温度传感器与第三信号通道控制器之间、所述工业级专用小信号放大器连接在第一组水压传感器与第二信号通道控制器之间和所述工业级专用小信号放大器连接在第二组水压传感器与第四信号通道控制器之间。
在本发明的技术方案具有可靠性高，稳定性高的优点。
附图说明
图1是本发明具体实施方式提供的一种高可靠性多通道水温水位自动监控系统的结构图；
图2是本发明具体实施方式提供的一种高可靠性多通道水温水位自动监控系统的结构图；
图3是本发明具体实施方式提供的传感器与放大电路原理框图；
图4是本发明具体实施方式提供的CPU模块结构框图
图5是本发明具体实施方式提供的系统总体流程图；
图6是本发明具体实施方式提供的数据传输结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明具体实施方式提供的一种高可靠性多通道水温水位自动监控系统，该系统如图1所示，包括：第一CPU11、第二CPU12、第一组温度传感器131、第二组温度传感器132、第一组水压传感器141、第二组水压传感器142、存储器17、第一信号通道控制检测181、第二信号通道控制检测182、第三信号通道控制检测183和第四信号通道控制检测184；上述第一组温度传感器131、第二组温度传感器132、第一组水压传感器141、第二组水压传感器142的数量均为多个，即2个或2个以上的传感器。
其中，其中第一组温度传感器131分别与第一信号通道控制器181的多个输入端口连接，第一信号通道控制器181的输出端分别与第一CPU11和第二CPU12连接；
第二组温度传感器132分别与第三信号通道控制器183的多个输入端口连接，第三信号通道控制器183的输出端分别与第一CPU11和第二CPU12连接；
第一组水压传感器141分别与第二信号通道控制器182的多个输入端连接，第二信号通道控制器182的输出端分别与第一CPU11和第二CPU12连接；
第二组水压传感器142分别与第四信号通道控制器184的多个输入端连接，第四信号通道控制器184的输出端分别与第一CPU11和第二CPU12连接；
存储器17分别与第一CPU11和第二CPU12连接；
第一CPU11与第二CPU12之间能够数据传输。
本发明提供的技术方案提供双CPU系统，在系统正常工作时，双CPU分别处理各自采集的数据，可以保证较高的数据处理性能，同时在任意一个CPU故障时，另外一个CPU能够完全接替该故障CPU来工作，这样能够提高可靠性和稳定性，另外，本发明提供的技术方案的传感器的数量为多个传感器，也就是说有多路通道来进行数据的采集，所以其具有多通道传输数据的优点。
可选的，上述系统还可以包括：GPRS模块和GPS模块，GPRS模块与第一CPU11和第二CPU12连接；GPS模块与第一CPU11和第二CPU12连接。
可选的，上述系统还包括：工业级专用小信号放大器，所述工业级专用小信号放大器连接在第一组温度传感器与第一信号通道控制器之间、所述工业级专用小信号放大器连接在第二组温度传感器与第三信号通道控制器之间、所述工业级专用小信号放大器连接在第一组水压传感器与第二信号通道控制器之间和所述工业级专用小信号放大器连接在第二组水压传感器与第四信号通道控制器之间。
多通道温度与水位自动监控系统主要包括传感器及其放大模块（温度与水压信号采集）、中央控制模块（数据运算与存储）、通讯模块（GPS/GPRS）和电源模块，具有数据采集、融合、分析、控制、通讯功能。并通过对数据网络接口协议的制定，可实现数据的压缩、加密、传输、存储功能，支持多通道的水温与水位自动监控应用与服务。本发明系统通过前端多通道传感器模块对水温和水位进行有效采集，并将采集的数据经过中央控制模块进行数据预处理、融合、分析，再将结果存储在本地，或通过通讯模块传输到后台服务器端进行进一步分析与存储，从而将整个流域的水温与水温状况进行有效判断，将相关结果通过图表、数据表格等多种方式提供给用户查询。
实施方案主要分成两个部分：多通道温度与水位自动监控系统平台和多通道温度与水位自动监控系统控制系统，分别对应多通道温度与水位自动监控系统的硬件设计和软件设计。
硬件平台核心部分包括多个水温和水位传感器、CPU控制芯片系统、GPS模块、GPRS通信模块、电源系统，实现流域或者冻土地带监控点水温和水位的实时采集、水温水位信息融合、水域位置信息获取、有效信息传输。其硬件设计框图如图2所示。
软件设计主要是针对CPU控制芯片系统，对多通道传感系统进行采集控制、对采集到的数据进行预处理、融合、添加位置信息，通过通讯模块实现数据在后台服务器端的存储与进一步处理。
多通道温度与水位自动监控系统包括GPS和其它传感器，实现对流域或者冻土地带监测点水温与水位的实时监测，具有对采集数据分析加工的能力，通过无线通讯模块上传到后台服务器的数据库中。该系统主要由多个水温和水位传感器合成的数据采集卡、双CPU控制芯片系统、存储模块、GPS模块、GPRS通信模块、电源系统构成。具体说明如下：
传感器数据采集卡
1）多通道水温传感器：
可同时采集20路水温值。温度传感器采样高精度的工业温度传感器Pt100。水温传感器，精度可以达到0.2度，误差为0.47度，采样频率可以根据需要进行调整。
2）多通道水位传感器
多通道水位传感器可以同时采集4路水位值。传感器采用高精度压力传感器，能够对水压的微弱变化产生感应，实时显示水位的变化值。测量范围为0－80KPa，能够精确测量正负1mm的水位变化。采样的频率可以根据需要进行调整。
3）放大电路
放大电路是该采集卡的核心关键技术，放大电路采用工业级专用小信号放大器。针对需要采集的信号，传感器会将该信号转换为微弱电信号。为了能够正确读取数据，需要将微弱信号进行放大。放大电路的参数与性能直接关系到采集数据的准确性与可靠性。传感器与放大电路原理框图如图3所示。
双CPU控制芯片系统
控制压力传感器采集水压，将采集的信号放大后通过相关的算法运算得出水位信息，并连同温度传感器采集信号经过放大电路放大后，通过相关算法得出的水温数据，对多通道采集的数据处理进行预处理、数据融合，并通过GPS模块提取时间、位置信息，融合至水温水位信息中，再经GPRS模块无线传输至后台服务器端。
双CPU模块均采用高性能32位ARM CORTEX M3芯片，最高工作频率为72MHz。带12bit高精度AD转换器。有2路串口，带CAN bus接口，方便连接CAN总线。主从结构方式在性能要求较高模式下主CPU和从CPU分别处理各自的数据；在其中一片CPU出现故障时，另外一片CPU仍然可以处理全部传感器采集的数据，同时内部硬件看门狗，能够实时监测软件运行状况，保证高可靠性和稳定性。其中CPU模块结构框图如图4所示。
GPS模块，采用现有GPS模块，可以实时显示该系统所处的位置的详细经纬度信息。通讯模块将采集的各种信号数据，通过GPRS通讯模块，定时传送给服务器作进一步的处理。存储模块存储模块包括两部分，数据缓存和永久存储介质。数据缓存保存于RAM中，永久存储介质包括Flash和SD卡。电源模块，由于系统处于偏远冻土区域，电力系统常常不稳定，波动电流输入极易造成电路系统烧毁，因此电源模块的设计在整个系统中极为关键和重要。需要给整个系统提供需要的稳定电源，特别是针对多通道传感器系统，还需要合理的设计，分配合适的电量给多通道传感器系统，以便能正常同时驱动多个传感器模块工作。
经设计和测试后，本系统电源部分采用工业级超宽电压控制芯片，能够耐40V的浪涌电压。具体实现采用工业电源控制芯片，输入电压范围在4.5V至40V，输出电流大小为3A。该控制芯片为开关电源控制器，电源转换效率可高达90%，开关频率为150KHz。为方便在野外安装与布设，同时，本系统采用蓄电池系统和太阳能电池板供电，保证系统长期可靠工作。
多通道温度与水位自动监控控制系统（软件设计）
多通道温度与水位自动监控控制系统实现对多种传感器和GPS的控制、数据采集、处理、传输系统，并实现与后台服务器端的无线数据交换。总体功能流程图如图5。
其中，软件实现的核心在与基于CPU芯片的控制系统中，对多通道传感器数据采集监测系统程序和功能软件模块。功能模块分为1.传感器数据采集、处理控制模块；2.FATFS(File Allocation Table File System)文件系统与SD存储卡模块；3.基于通信模块的TCP/IP协议数据传输模；4.RTC(Real-Time Clock，RTC)实时时钟模块。
传感器数据采集
数据采集终端定时采集多通道传感器数据；
a.温度采集功能:20通道路温度数据采集
b.水位采集功能:4通道水位数据采集
对于传感器数据采集来讲，有两个比较重要的指标，采样率和分辨率。采样率是A/D转换的速度，不同的传感器有不同的采样率，进行系统设计时应根据传感器的类型选择适当的采样率。多个不同类型的传感器对数据采集后可用软件设定采样率，使得采样数据同步。这也是多通道数据采集的核心部分。
采用多通道传感器以及对应放大电路，同时采集多路水温与水压信号；
数据传输结构如图6所示：
文件控制系统
本文件控制系统是基于单片机FATFS文件系统建立，并能扩展至多种存储卡进行数据存储，如SD卡。数据采集终端把数据和采集时间打包后存储于本地存储器中，进一步可通过串口发送到无线传输设备终端；
通信模块通信方式和参数约定
系统采用串口通信方式，采用如下参数约定：
波特率：115200
数据位：8
奇偶校验：无
停止位：1
数据流控制：无流控
对传输协议的约定如下：
定义起始帧头，如果数据帧中存在与帧头形同结构字节，定义转义字符并将这个字节更换为特定两个字节，其中前一字节为转义字符
如果帧数据中某个字节与转义字符本身相同，则将其更换为特定两字节序列
不包括帧头的所有数据都应该参与转义，包括校验和
所有数据都参与校验，采用CRC16校验方式
数据都采用加密后的16进制表示
为了保证可靠传输，所有帧都需要确认
序号由帧的发起方维护，确认帧将原序号带回
带扩展数据的消息分包传输时，不同的包有不同的序号
对消息基本结构的约定如下：
传送定长数据时，采用不带扩展数据的消息结构，比如定时传感数据和采集时间。此类消息长度为1个字节帧头+32个字节有效数据+2个字节校验和=35个字节。传送其它数据时，采用带扩展数据的消息结构。消息长度为1个字节帧头+32个字节有效数据+扩展数据长度+2个字节校验和=35个字节+扩展数据长度。分包传输时，不同的分包分配不同的帧序号。
数据传输
无线传输终端把数据采集终端的传感器数据定时通过无线网络发送到数据中心服务器。
数据传输功能:GPRS数据传输,对指定域名/IP服务器进行上传数据
为了保证传输的数据不被非法获取，整个过程的数据经过加密传输；
为了保证可靠传输，所有数据帧都需要确认。
RTC系统
该系统主要功能是用于实时系统建立，提供时间，如年月日时分秒。并提供计时时间运算，用于判断采集时间，为多通道数据采集时间控制提供核心保障。
设备选型和管理功能
根据水温与水位采集的工作环境，传感器选用高性能高可靠性的传感器，以保证数据的长期稳定采集；
数据采集终端采用高可靠性的芯片和电路板，加强系统的可靠性；
数据采集终端具有终端状态查询和诊断功能。数据中心服务器端发送命令查询数据采集终端的传感器状态信息；
数据采集终端可以通过数据终端服务器进行软件的自动升级。
水温与水位分析系统
后台服务器端可根据传感器采集的数据建立水温与水位变化数据库，分析监控点水文状况，并可将相关结果通过图表、数据表格等多种方式提供给用户查询。
本发明通过我们设计的试验设备在黑河流域的祁连山腹地测试表明，本系统可以方便可靠的采集测试区域的水温和水位变化。能够可靠的进行数据传输至后台服务器进行处理，可方便进行水温与水位的图表显示，方便的进行数据表格查询。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高可靠性多通道水温水位自动监控系统，其特征在于，所述系统包括：第一CPU、第二CPU、第一组温度传感器、第二组温度传感器、第一组水压传感器、第二组水压传感器、存储器、第一信号通道控制器、第二信号通道控制器、第三信号通道控制器和第四信号通道控制器；
其中，其中第一组温度传感器分别与第一信号通道控制器的多个输入端口连接，第一信号通道控制器的输出端分别与第一CPU和第二CPU连接；
第二组温度传感器分别与第三信号通道控制器的多个输入端口连接，第三信号通道控制器的输出端分别与第一CPU和第二CPU连接；
第一组水压传感器分别与第二信号通道控制器的多个输入端连接，第二信号通道控制器的输出端与第一CPU和第二CPU连接；
第二组水压传感器分别与第四信号通道控制器的多个输入端连接，第四信号通道控制器的输出端与第一CPU和第二CPU连接；
存储器分别与第一CPU和第二CPU连接；
第一CPU与第二CPU之间能够数据传输。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：GPRS模块和GPS模块，GPRS模块与第一CPU和第二CPU连接；GPS模块与第一CPU和第二CPU连接。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：工业级专用小信号放大器，所述工业级专用小信号放大器连接在第一组温度传感器与第一信号通道控制器之间、所述工业级专用小信号放大器连接在第二组温度传感器与第三信号通道控制器之间、所述工业级专用小信号放大器连接在第一组水压传感器与第二信号通道控制器之间和所述工业级专用小信号放大器连接在第二组水压传感器与第四信号通道控制器之间。
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