CN204904026U - 一种环保数据采集装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了环保数据采集装置，其特征在于，包括：主控单元、开关电源、备用电池、采集模块和端子台；主控单元集成RS232接口、RS485接口、GPRS模块和电池管理电路，开关电源与电池管理电路相连，将外部输入的工频电源转换为直流电源，将电能传输至主控单元；备用电池与电池管理电路相连，在外部的工频电源断开时将电能传输至主控单元；采集模块挂接在主控单元的RS485总线上，采集模块集成多路开关量输入接口、多路模拟量输入接口和多路继电器输出接口；主控单元的RS232接口、RS485接口和采集模块通过端子台与外部相应的装置相连。该装置拥有继电器输出端口，可以控制外部设备动作，使得上位机可以对现场的阀门或电泵进行控制。
Description
技术领域
本实用新型涉及数据采集技术领域，特别涉及一种环保数据采集装置。
背景技术
2015年1月1日，新环境保护法正式实施，未来我国还会逐渐完善环境保护制度，深化资源性产品价格和税费改革，建立反映市场供求和资源稀缺程度、体现生态价值和代际补偿的资源有偿使用制度和生态补偿制度。积极开展节能量、碳排放权、排污权、水权交易试点。
排污权交易要以污染物总量控制为前提，环保数据采集传输装置是污染物总量控制系统的重要组成部分，通过环保数据采集传输装置可将现场数据传送给环保局数据平台，从而使当地环保局可以对污染企业排放的水、气等信息进行统计分析，并进行计量控制，实现排污权的交易，最终达到对排污和治理的精确管理。
现有主流环保数据采集传输仪产品的技术方案是以ARM芯片为主控芯片搭建系统，外扩存储器芯片及外围电路。采集接口包括多路RS232或RS485通信接口、AI模拟采样接口、以及0-5V开关量输入接口，环保数据采集传输仪可通过采集接口采集现场环保监测设备输出的数据，然后通过有线或无线方式将数据打包上传至地方环保局的环保监控平台。大多数现有产品配备了备用电池，断电后可持续工作一段时间。但市面上现有产品整机的硬件接口在设计时均已固定，不支持采集接口的扩展与更改，在面对不同现场环境时需要使用不同的产品以适应复杂的现场采集需求。而且现有产品在设计时未安装硬件加密芯片，不具备硬件加密功能，传输数据时多使用明文通信，在数据传输过程中易被第三方篡改或拦截。由于排污权交易涉及到经济问题，所以确保环保数据传输的可靠性是必要的。另外目前的环保数据采集传输装置没有继电器输出端口，即使环保监测平台发现现场排污总量超标也无法操作现场阀门或泵，不能对现场设备实施控制。
目前的环保数据采集产品的接线方式是从PCB板上的端子直接接线，受制于PCB板的大小及形状，接线端子排列并不整齐，操作空间狭小，不利于现场接线安装。
现有的环保数据采集传输装置技术方案存在如下缺点：
1、不能实现控制功能，不能通过环保监测平台的上位机对现场设备实施控制；
2、现有方案采集接口的数量均已固定，不可扩展，不能随现场的需求变化而改变，难以满足多样化的现场需求；
3、现有方案不具备硬件加密芯片，数据易被篡改或拦截，不能保证数据的安全传输。
4、接线端子排列不整齐，操作空间小，不便于现场接线。
实用新型内容
本实用新型的目的是公开一种环保数据采集装置，用以解决现有采集装置不能实现控制功能的缺陷。
本实用新型实施例提供的一种环保数据采集装置，包括：主控单元、开关电源、备用电池、采集模块和端子台；
主控单元集成RS232接口、RS485接口、GPRS模块和电池管理电路，开关电源与电池管理电路相连，将外部输入的工频电源转换为直流电源，将电能传输至主控单元；
备用电池与电池管理电路相连，在外部的工频电源断开时将电能传输至主控单元；
采集模块挂接在主控单元的RS485总线上，采集模块集成多路开关量输入接口、多路模拟量输入接口和多路继电器输出接口；
主控单元的RS232接口、RS485接口和采集模块通过端子台与外部相应的装置相连。
在上述技术方案中，主控单元包括：核心控制模块及其外围电路；
核心控制模块通过IIC总线扩展实时时钟，且通过SPI总线扩展硬件加密电路。
在上述技术方案中，还包括串口扩展电路，串口扩展电路与主控单元相连；
串口扩展电路包括：译码器、三态门电路、高速光耦、电平转换电路，三态门电路包括多个并列的三态门芯片；译码器的输入端与主控单元的通用接口相连、多路输出端依次与三态门芯片相连，且三态门电路通过高速光耦与电平转换电路相连；主控单元的一路UART接口依次与三态门电路相连。
在上述技术方案中，主控单元还集成第一以太网接口和第二以太网接口；第一以太网接口包括以太网PHY芯片和第一RJ45连接器；第二以太网接口包括网卡芯片和第二RJ45连接器；
核心控制模块的RMII接口通过以太网PHY芯片与第一RJ45连接器相连；核心控制模块的SPI总线接口通过网卡芯片与第二RJ45连接器相连。
在上述技术方案中，核心控制模块通过高速光耦与RS485芯片相连，且核心控制模块的一个通用接口通过高速光耦与RS485芯片的使能端相连。
在上述技术方案中，RS485总线可挂接多个采集模块。
在上述技术方案中，采集模块集成八路开关量输入接口、八路模拟量输入接口和四路继电器输出接口，继电器输出接口与外部的执行机构相连，执行机构包括电磁阀和电泵。
在上述技术方案中，还包括报警灯，报警灯与主控单元相连。
本实用新型实施例提供的一种环保数据采集装置拥有控制功能，该装置拥有继电器输出端口，可以控制外部设备动作，使得上位机可以对现场的阀门或电泵进行控制。可在机箱内通过总线扩展多个采集模块，方便扩展采集接口，可以灵活配置，适应现场的不同需求。通过串口扩展电路可以扩展多路串口，提高串口利用率。使用了硬件加密芯片，提高了数据传输过程中的安全性，防止数据被非法篡改或拦截。采用端子台作为现场接线端子，便于现场工人安装，提高了安装可靠性。
附图说明
图1是本实用新型实施例中环保数据采集装置的第一结构图；
图2是本实用新型实施例中环保数据采集装置的整机结构框图；
图3是本实用新型实施例中主控单元的结构图；
图4是本实用新型实施例中环保数据采集传输装置整体功能框图；
图5是本实用新型实施例中串口扩展电路的电路图；
图6是本实用新型实施例中以太网接口的结构图；
图7是本实用新型实施例中本地RS485总线电路图；
图8是本实用新型实施例中采集模块的结构图；
图9是本实用新型实施例中环保数据采集装置的第二结构图。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。
本实用新型实施例提供的一种环保数据采集装置，参见图1所示，包括：主控单元10、开关电源20、备用电池30、采集模块40和端子台50。
其中，主控单元10是主要的控制与通信单元，集成RS232接口、RS485接口、GPRS模块和电池管理电路(如图1所示，包括5个RS232接口、3个RS485接口)，还可以继承以太网等通信接口和液晶触摸屏等。
开关电源20与电池管理电路相连，将外部输入的220V工频电源转换为直流电源，将电能传输至主控单元10，为主控单元10供电。备用电池30也与电池管理电路相连，在外部的工频电源断开时将电能传输至主控单元10。该备用电池30为充电电池。
采集模块40挂接在主控单元的RS485总线上(该RS485总线对应一个RS485接口)，采集模块40集成多路开关量输入接口、多路模拟量输入接口和多路继电器输出接口。主控单元10的RS232接口、RS485接口和采集模块40通过端子台50与外部相应的装置相连。本实施例中，所有对外接线均在数采仪箱体内部用导线经由导线槽引至端子台，使用端子台进行现场接线，便于用户现场安装。本装置的整机结构框图如图2所示，图中未绘制出箱体的外门，整个采集装置安装在箱体内，箱体上液晶触摸屏部位开窗。图2中的空开关是装置的主电源开关，用于控制工频电源的通断；外置的报警灯用于在有报警事件发生时闪光提醒现场工作人员。
其中，参见图3所示，主控单元10包括：核心控制模块及其外围电路。具体的，该核心控制模块是由ARM主控芯片及其外围电路、晶振、存储器组成的最小系统，可运行嵌入式Linux操作系统，并控制主控单元板上其他硬件电路。
核心控制模块引出芯片自带的USBDEVICE(USB从接口)用于更新程序；引出芯片自带的USBHOST(USB主接口)用于连接USB存储器导出数据。
核心控制模块通过IIC总线扩展RTC(Real-TimeClock，实时时钟)用于给装置提供时间日期基准信息。
核心控制模块通过SPI总线扩展硬件加密芯片，用于提高数据传输的安全性。
核心控制模块通过GPIO(GeneralPurposeInputOutput，通用输入/输出)扩展指示灯，用于状态显示及报警灯控制。
核心控制模块通过UART接口扩展GPRS通信模块，用于和环保监控平台通信。具体参见图4所示，图4为环保数据采集传输装置整体功能框图，虚线框中部分为污染物排放现场示意图，污染物排放现场的排放口安装有压力计、流量计、水质分析仪等检测设备，同时安装有电磁阀、泵等执行机构。环保数据采集传输装置安装在污染物排放现场，通过模拟采样接口、开关量输入接口以及数字通信接口(RS232/485)与前端各类监测仪器/仪表实现无缝连接，采集、存储、处理与显示各种类型现场监测传感器(包括噪声、污水、废气等各种传感器)的数据，并将采集到的各种数据依据《HJT212-2005污染源在线自动监控系统数据传输协议》规定的数据帧格式打包，然后通过有线或无线通信链路传送给环保部门的监控中心。
由于ARM主控芯片UART口数量有限，所以本装置采用了串口扩展方案。优选的，该装置还包括串口扩展电路，且该串口扩展电路与主控单元相连。该串口扩展电路包括：译码器、三态门电路、高速光耦、电平转换电路，三态门电路包括多个并列的三态门芯片；译码器的输入端与主控单元的通用接口相连、多路输出端依次与三态门芯片相连，且三态门电路通过高速光耦与电平转换电路相连；主控单元的一路UART接口依次与三态门电路相连。
具体的，参见图5所示，在图5中，扩展了5个RS232接口与2个RS485接口用以连接外部环保监测设备，每个接口均用光耦进行电气隔离。图5中RXD0、TXD0为ARM芯片原生的UART接口，3个GPIO通过3-8线译码器控制4个三态门芯片，每个三态门芯片包括4个三态门，可控制两组串口(RXD、TXD)的通断。通过3个GPIO控制译码器及三态门，可将ARM原生串口分配至7组扩展串口，同时只有一组扩展串口可切换至工作状态。7组扩展串口中的5组外接RS232电平转换芯片，对外引出5个RS232接口，另外两组外接RS485电平转换芯片，对外引出2个RS485接口，所有的对外接口均设计有EMC保护电路，防止现场电磁干扰。此方案实现了多路串行通信接口的扩展，满足了环保行业对环保数据采集传输装置的需求。
优选的，主控单元还集成第一以太网接口和第二以太网接口。参见图6所示，第一以太网接口包括以太网PHY芯片和第一RJ45连接器，第二以太网接口包括网卡芯片和第二RJ45连接器。核心控制模块的RMII接口通过以太网PHY芯片与第一RJ45连接器相连，支持最高达100Mbps速率的以太网接入，用于连接外网，上传数据；核心控制模块的SPI总线接口通过网卡芯片与第二RJ45连接器相连，可支持10Mbps速率的以太网接入，用于连接本地网络。
优选的，该装置通过主控单元引出的本地独立RS485总线扩展出采集模块，可在总线上挂接多个采集模块，即可实现采集接口的扩展。主控单元的本地RS485总线电路如图7所示，核心控制模块通过高速光耦与RS485芯片相连，然后连接外部采集模块，通过主控芯片的一个GPIO切换RS485的收发方向；且核心控制模块的一个通用接口通过高速光耦与RS485芯片的使能端相连。
优选的，采集模块集成八路开关量输入接口、八路模拟量输入接口和四路继电器输出接口，继电器输出接口与外部的执行机构相连，执行机构包括电磁阀和电泵。即采集模块可采集8路模拟输入、8路开关量输入，并可通过4路开关量输出控制外部4个执行机构。参见图8所示，采集模块采集的数据通过RS485总线直接传送给主控单元，由主控单元进行数据的存储及处理工作。
优选的，参见图9所示，该装置还包括报警灯60，报警灯60与主控单元相连10。报警灯60用于在有报警事件发生时闪光提醒现场工作人员。
本实用新型实施例提供的一种环保数据采集装置拥有控制功能，该装置拥有继电器输出端口，可以控制外部设备动作，使得上位机可以对现场的阀门或电泵进行控制。可在机箱内通过总线扩展多个采集模块，方便扩展采集接口，可以灵活配置，适应现场的不同需求。通过串口扩展电路可以扩展多路串口，提高串口利用率。使用了硬件加密芯片，提高了数据传输过程中的安全性，防止数据被非法篡改或拦截。采用端子台作为现场接线端子，便于现场工人安装，提高了安装可靠性。
以上公开的仅为本实用新型的一个具体实施例，但是，本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种环保数据采集装置，其特征在于，包括：主控单元、开关电源、备用电池、采集模块和端子台；
所述主控单元集成RS232接口、RS485接口、GPRS模块和电池管理电路，所述开关电源与所述电池管理电路相连，将外部输入的工频电源转换为直流电源，将电能传输至所述主控单元；
所述备用电池与所述电池管理电路相连，在外部的工频电源断开时将电能传输至所述主控单元；
所述采集模块挂接在所述主控单元的RS485总线上，所述采集模块集成多路开关量输入接口、多路模拟量输入接口和多路继电器输出接口；
所述主控单元的RS232接口、RS485接口和所述采集模块通过所述端子台与外部相应的装置相连。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述环保数据采集装置还包括实时时钟和硬件加密电路；所述主控单元包括：核心控制模块及其外围电路；
所述核心控制模块通过IIC总线扩展实时时钟，且通过SPI总线扩展所述硬件加密电路。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括串口扩展电路，所述串口扩展电路与所述主控单元相连；
所述串口扩展电路包括：译码器、三态门电路、高速光耦、电平转换电路，所述三态门电路包括多个并列的三态门芯片；所述译码器的输入端与所述主控单元的通用接口相连、多路输出端依次与所述三态门芯片相连，且所述三态门电路通过所述高速光耦与所述电平转换电路相连；所述主控单元的一路UART接口依次与所述三态门电路相连。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述主控单元还集成第一以太网接口和第二以太网接口；所述第一以太网接口包括以太网PHY芯片和第一RJ45连接器；所述第二以太网接口包括网卡芯片和第二RJ45连接器；
所述核心控制模块的RMII接口通过所述以太网PHY芯片与所述第一RJ45连接器相连；所述核心控制模块的SPI总线接口通过网卡芯片与所述第二RJ45连接器相连。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述核心控制模块通过高速光耦与RS485芯片相连，且所述核心控制模块的一个通用接口通过所述高速光耦与所述RS485芯片的使能端相连。
6.根据权利要求1-5任一所述的装置，其特征在于，所述RS485总线可挂接多个所述采集模块。
7.根据权利要求1-5任一所述的装置，其特征在于，所述采集模块集成八路开关量输入接口、八路模拟量输入接口和四路继电器输出接口，所述继电器输出接口与外部的执行机构相连，所述执行机构包括电磁阀和电泵。
8.根据权利要求1-5任一所述的装置，其特征在于，还包括报警灯，所述报警灯与所述主控单元相连。
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