CN208126193U - 基于can总线的无人船水质监测系统 - Google Patents

Abstract

基于CAN总线的无人船水质监测系统，包括：主控制板、上位机监控平台、无线通信模块、GPS定位模块、动力系统、蓄电池供电系统和传感器采集系统；主控制板包括控制中心、动力系统驱动模块和CAN总线通信接口，CAN总线通信接口一端连接控制中心，另一端以总线形式连接至传感器采集系统；传感器采集系统包括传感器、传感器采集控制器和CAN总线收发器，传感器采集控制器接收传感器采集的水质数据参数，并通过CAN总线收发器将水质数据参数转化为差分信号并通过CAN总线发送出去。本实用新型安装时不需要大量排线，CAN网络上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求；在实际水质监测时，容易扩展新的传感器。

Description

基于CAN总线的无人船水质监测系统

技术领域

本实用新型属于水质监测领域，具体涉及一种基于CAN总线的无人船水质监测系统。

背景技术

目前，环保监查部门为掌握所辖水域的水质情况，通常是对水质进行定期或不定期的采样分析，依水质的各项质量指标决定相应的环保措施。然而，现有水质自动监测站由于位置固定难以及时发现污染源，而移动监测手段多为有人驾驶的水质监测车或监测船，不仅成本高，而且受城市水体的复杂地形影响，部分水域人工监测船或监测车根本无法驶入，造成目前水质监测体系存在响应不及时、时间与空间分辨率较低等问题。现有水质监测无人船的主控制板和传感器之间需要大量的排线，随着传感器数量的增加以及船体的增大，无论是安装还是布线都非常复杂，而且维护难度很大，系统可靠性较低。另外，在布线完成后在实际后续运行中就无法进行扩展，比如需要添加一个传感器需要重新拉线，大大增加了后期维护工作。有时候由于一个传感器出现故障，将会导致整个系统的瘫痪。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中的不足，提供一种基于CAN总线的无人船水质监测系统。

由于CAN总线抗干扰性强，CAN总线网络系统中各节点之间只要两个线，安装和布线简单；CAN总线网络系统报文发送期间，丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可以自动重发；系统容易集成，可靠性高，功能完善，可以更加有效的解决无人船水质监测系统的可靠性、实时性和可扩展性。在满足当前无人船水质监测需求的同时还能提供更完善的扩展需求，满足不同水域下的水质监测，并且能简化传感器安装和调试的难度，降低维护成本，提高整个无人船监测系统的可靠性、实时性和可扩展性。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于CAN总线的无人船水质监测系统，其特征在于，包括：主控制板、上位机监控平台、无线通信模块、GPS定位模块、动力系统、蓄电池供电系统和传感器采集系统；主控制板包括控制中心、动力系统驱动模块和CAN总线通信接口，控制中心发送控制指令给动力系统驱动模块，动力系统驱动模块连接至动力系统，CAN总线通信接口一端连接控制中心，将收到的控制中心的数据转化为差分信号并通过CAN总线发送出去，另一端以总线形式连接至传感器采集系统；传感器采集系统包括依次相连的传感器、传感器采集控制器和CAN总线收发器，传感器采集控制器一方面接收传感器采集的水质数据参数，另一方面通过CAN总线收发器将水质数据参数转化为差分信号并通过CAN总线发送出去；上位机监控平台通过无线通信模块与控制中心进行通信，GPS定位模块用于定位采集的位置并发送至控制中心，动力系统采用直流电机驱动无人船，蓄电池供电系统为主控制板供电。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

控制中心采用STM32F103ZET6芯片，CAN总线通信接口采用TJA1050芯片的CAN收发器，动力系统驱动模块采用L298N芯片设计的驱动电路。

传感器包括酸碱度传感器、溶解氧传感器、氨氮传感器、浊度传感器、盐度传感器和温度传感器，各传感器都是CAN总线网络上的一个节点，各节点之间通过CAN总线进行数据传输。

CAN总线网络和传感器节点之间只有CANH、CANL两根线。

传感器包括温度传感器，温度传感器采用防水型DS18B20温度探头，传感器采集控制器采用STM32F103VET6芯片，CAN总线收发器采用TJA1050芯片。

控制中心通过CAN总线收发器向传感器采集控制器发送远程帧用于请求温度数据，传感器采集控制器监测到远程帧并且成功通过过滤器筛选后，确认为温度请求指令；传感器采集控制器读取温度传感器的数据信息，将读取的温度数据信息转换为CAN总线协议的数据包，通过CAN总线收发器广播到CAN总线上；CAN总线通信接口监测到CAN总线上的报文并且通过过滤器筛选后，提取出数据帧信息，将数据包处理成温度信息；控制中心获得温度信息后，通过无线通信模块将本次温度数据采集的时间、温度值发送到上位机进行实时显示和绘图。

无线通信模块采用GPRS无线通信。

本实用新型的有益效果是：

1、CAN总线网络系统和各个传感器节点之间只有两根CANH、CANL，在传感器安装时不需要大量排线，安装和布线简单；

2、CAN总线的数据通信具有突出的可靠性和灵活性，CAN为多主方式工作，网络上任一点均可以在任意时刻主动的向网络上其他节点发送信息，不分主从，通信方式灵活，可以更加有效的解决无人船水质监测系统的可靠性和灵活性；

3、能有效解决各种传感器与控制器之间的通信延迟问题，各种传感器在采集数据时相互独立不受彼此的干扰，有益于增强系统的可靠性；

4、CAN节点只需要通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点以及全局广播等几种方式发送接收数据，在无人船主控制板和各种传感器通信时，可以实现指定传感器发送数据，即点对点发送接收数据，当需要获得所以传感器数据时可以全局广播请求数据；

5、在报文符号上，CAN网络上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134us内得到传输，可以更加有效的解决无人船水质监测系统的实时性；

6、上位机实时显示无人船各种传感器的采集数据信息并绘制曲线图，便于工作人员分析该水域的水质状况；

7、在实际水质监测时，针对不同的水域需要配备不同的传感器，该系统容易扩展新的传感器，只需要把该传感器节点挂载到CAN总线网络系统上即可。

附图说明

图1为的无人船水质监测系统的结构框图。

图2为温度采集系统框图。

图3为无人船主控制板的流程图。

图4为温度采集流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型。

如图1所示的基于CAN总线的无人船水质监测系统，包括：主控制板、上位机监控平台、无线通信模块、GPS定位模块、动力系统、蓄电池供电系统和传感器采集系统。

主控制板包括控制中心、动力系统驱动模块和CAN总线通信接口，控制中心采用STM32F103ZET6芯片，CAN总线通信接口采用TJA1050芯片的CAN收发器。具体地，CAN总线通讯接口是用来接收和发送数据，具备CAN发送器和CAN接收器的功能，它将收到的控制中心的数据转化为差分信号并通过CAN总线发送出去，同时也接受CAN总线上的数据，并将数据发送给控制中心。CAN总线通信接口的一端连接控制中心，另一端以总线形式分别连接传感器采集系统中的传感器。

无线通信系统是采用GPRS无线系统，通过AT指令实时上传无人船本次采样的的数据信息，例如：酸碱度、溶解氧、氨氮传感器、浊度传感器、盐度传感器和温度传感器等，以及无人船和上位机之间的控制指令，确保无人船在采样过程中数据传输的可靠性。

无人船动力系统是采用两个大功率的直流电机，动力系统驱动模块的驱动板采用L298N芯片独立设计的驱动电路。

CAN总线是控制器局域网络的简称，是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线为多主方式工作，在总线空闲时，所有的单元都可开始发送消息。多个单元同时开始发送时，发送高优先级ID消息的单元可优先发送。

传感器采集系统主要包括传感器、传感器采集控制器和CAN总线收发器，传感器主要是各种水质监测传感器，例如：酸碱度传感器、溶解氧传感器、氨氮传感器、浊度传感器、盐度传感器和温度传感器等，各种传感器都是CAN总线网络上的一个节点，各节点之间通过CAN总线进行数据传输。传感器采集控制器采用STM32F103VET6芯片，主要作用为处理传感器的数据和对CAN总线接收的数据进行处理。CAN总线收发器具备CAN发送器和CAN接收器的功能，它将收到的控制中心的数据转化为差分信号并通过CAN总线发送出，同时也接受CAN总线上的数据，并将数据发送给控制中心。进一步具体说明，传感器主要负责采集水质数据参数，传感器采集控制器一方面接收传感器采集的水质数据参数，一方面负责通过CAN总线收发器将处理后的传感器采集数据参数转化为差分信号并通过CAN总线发送出去。

下面以温度传感器来进一步说明本专利的技术方案。

温度传感器采用防水型DS18B20温度探头，该传感器采用传感器专用胶水封装，防水，防潮，导热性能好，可长期放在水中测温，感温范围-55℃～125℃。温度采集控制器则采用STM32F103VET6芯片作为主控制器，CAN总线收发器采用TJA1050芯片。温度采集系统框图如图2所示，温度采集控制器的CAN总线过滤器设置为只接受2个ID的数据报文，第一个ID为：0x600，此ID为温度传感器自身节点的ID，设置该节点的目的是为了其他节点能够向该节点发送远程帧请求数据；第二个ID为0x1600：此ID为无人船主控制板全局广播ID，即无人船主控制板发送此ID远程帧报文向每个传感器请求数据。

在水质监测过程中，无人船主控制板通过CAN总线收发器向温度采集控制器发送远程帧（ID=0x600）用于请求温度数据。当温度采集控制器监测到远程帧并且成功通过过滤器筛选后，并确认为温度请求指令。然后温度采集控制器读取温度传感器数据信息，将读取的温度数据信息转换CAN总线协议的数据包，通过CAN总线收发器广播到CAN总线上。当无人船主控制板的CAN总线通信接口监测到CAN总线上的报文并且成功通过过滤器筛选，接收邮箱中有消息挂起时触发中断读取邮箱中的消息，然后提取出该消息中的数据帧信息，最后将数据包处理成温度信息。当无人船主控制板获得传感器温度数据后，通过GPRS无线通信将本次温度数据采集的时间、温度值发送到上位机进行实时显示和绘图。

当需要添加其他的传感器时，只需要从CAN总线上引出两根线接到传感器采集控制器的CAN总线接口上即可，不需要大量排线。当某个传感器出现故障时，只需要监测CAN总线是否正常和传感器采集系统即可。

工作时，使用者可以提前确定本次采样的水域，然后将无人船运到该水域附近，通过上位机设置多组采样的地点，然后无人船自主巡航到该地点。

如图3所示的无人船主控制板流程图，当需要无人船采集水质信息时，使用者在上位机上点击采样开关按钮。无人船实时检测是否接收到上位机采样指令，当接收到采样指令后解析采样指令获取采样参数。当采样参数中有温度参数时，无人船主控制板通过CAN总线通信接口向CAN总线上发送向温度采集请求远程帧(ID=0x600)，然后查询是否接收到温度传感器数据帧报文。当无人船主控制板检测到CAN总线上的有报文并且成功通过滤器筛选后解析该报文数据信息，如果是温度传感器发送的数据帧，则从数据帧中提取温度值，然后获得本次采样的本地时间，最后通过GPRS通信将温度数据和采样时间上传到上位机。上位机接收到采样数据后进行数据处理和分析，然后将数据以实时显示和曲线图的形式实时显示，最后将数据存储到数据库中，方便使用者做数据对比和分析。

如图4所示的温度采集流程图，当系统上电后先初始化温度采集系统，主要包括：系统时钟设置、DS18B20初始化和CAN初始化。当初始化完成温度采集控制器实时判断是否有CAN总线报文满足CAN控制设置的过滤器，如果成功通过滤器筛选，温度采集控制器开始采集水质的温度数据，否则丢弃该报文。然后温度采样控制开始采集温度数据并将采集的温度数据转换CAN总线协议的数据包通过CAN总线收发器发送到CAN总线上。

当无人船需要获得所有传感器的数据时，可以按照以上流程往CAN总线上全局广播数据请求远程帧(ID=0x1600)，当各个传感器接收到成功通过滤器筛选的数据请求远程帧后，开始采集传感器数据，然后将采集的数据转换CAN总线协议的数据包通过CAN总线收发器发送到CAN总线上。此时，无人船主控制板将成功通过过滤器筛选的数据帧报文进行解析，并通过数据帧的ID将各个数据帧进行分类，然后从数据帧中提取传感器数据，最后通过GPRS通信将数据和采样时间上传到上位机。

添加其他传感器时，只需要通过两根线将传感器挂载到CAN总线上，然后通过GPRS无线通信的方式和上位机进行匹配，同时无人船主控制板会记录该节点的ID以便之间的数据通信。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于CAN总线的无人船水质监测系统，其特征在于，包括：主控制板、上位机监控平台、无线通信模块、GPS定位模块、动力系统、蓄电池供电系统和传感器采集系统；主控制板包括控制中心、动力系统驱动模块和CAN总线通信接口，控制中心发送控制指令给动力系统驱动模块，动力系统驱动模块连接至动力系统，CAN总线通信接口一端连接控制中心，将收到的控制中心的数据转化为差分信号并通过CAN总线发送出去，另一端以总线形式连接至传感器采集系统；传感器采集系统包括依次相连的传感器、传感器采集控制器和CAN总线收发器，传感器采集控制器一方面接收传感器采集的水质数据参数，另一方面通过CAN总线收发器将水质数据参数转化为差分信号并通过CAN总线发送出去；上位机监控平台通过无线通信模块与控制中心进行通信，GPS定位模块用于定位采集的位置并发送至控制中心，动力系统采用直流电机驱动无人船，蓄电池供电系统为主控制板供电。

2.如权利要求1所述的一种基于CAN总线的无人船水质监测系统，其特征在于：控制中心采用STM32F103ZET6芯片，CAN总线通信接口采用TJA1050芯片的CAN收发器，动力系统驱动模块采用L298N芯片设计的驱动电路。

3.如权利要求1所述的一种基于CAN总线的无人船水质监测系统，其特征在于：传感器包括酸碱度传感器、溶解氧传感器、氨氮传感器、浊度传感器、盐度传感器和温度传感器，各传感器都是CAN总线网络上的一个节点，各节点之间通过CAN总线进行数据传输。

4.如权利要求3所述的一种基于CAN总线的无人船水质监测系统，其特征在于：CAN总线网络和传感器节点之间只有CANH、CANL两根线。

5.如权利要求1所述的一种基于CAN总线的无人船水质监测系统，其特征在于：传感器包括温度传感器，温度传感器采用防水型DS18B20温度探头，传感器采集控制器采用STM32F103VET6芯片，CAN总线收发器采用TJA1050芯片。

6.如权利要求5所述的一种基于CAN总线的无人船水质监测系统，其特征在于：控制中心通过CAN总线收发器向传感器采集控制器发送远程帧用于请求温度数据，传感器采集控制器监测到远程帧并且成功通过过滤器筛选后，确认为温度请求指令；传感器采集控制器读取温度传感器的数据信息，将读取的温度数据信息转换为CAN总线协议的数据包，通过CAN总线收发器广播到CAN总线上；CAN总线通信接口监测到CAN总线上的报文并且通过过滤器筛选后，提取出数据帧信息，将数据包处理成温度信息；控制中心获得温度信息后，通过无线通信模块将本次温度数据采集的时间、温度值发送到上位机进行实时显示和绘图。

7.如权利要求1所述的一种基于CAN总线的无人船水质监测系统，其特征在于：无线通信模块采用GPRS无线通信。