本發(fā)明涉及一種小型水下接駁盒數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，屬于水下觀測網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域，適用于小型流域水下觀測網(wǎng)絡(luò)的低成本小型化布局。

背景技術(shù)：

目前的水下觀測網(wǎng)絡(luò)接駁盒主要針對海洋等大型流域的深海觀測，接駁盒設(shè)計(jì)體積大，成本高，自身功率消耗大，不適用于小型流域的應(yīng)用。而近年來小型流域的觀測應(yīng)用逐漸普及與發(fā)展，要求接駁盒具有更小體積更低功耗設(shè)計(jì)。本發(fā)明使用嵌入式處理器，并采用模塊化電路設(shè)計(jì)方法，能夠減小接駁盒體積和成本，并降低系統(tǒng)功耗，有利于提高水下網(wǎng)絡(luò)電能的利用率。接駁盒數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)采用溫濕度、漏水傳感器對接駁盒運(yùn)行環(huán)境實(shí)時監(jiān)控，電壓電流的實(shí)時高精度采集與處理，實(shí)現(xiàn)接駁盒以及外部水下傳感器的運(yùn)行整體狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控，及時預(yù)估故障并避免相關(guān)故障的發(fā)生。接駁盒硬件電路采用三維分層的布局方式以及接口的設(shè)計(jì)，提高硬件散熱環(huán)境，大大縮小接駁盒體積，并提高了接駁盒硬件電路的維護(hù)調(diào)試的便利性，更加適用于小型化低成本的觀測網(wǎng)絡(luò)布置。本設(shè)計(jì)就是針對該技術(shù)背景而發(fā)明出適用于小型流域水下觀測網(wǎng)絡(luò)的小型水下接駁盒數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對小型流域水下觀測網(wǎng)絡(luò)組建的要求，設(shè)計(jì)的一種基于嵌入式控制板的小型化與低成本化水下接駁盒數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。為達(dá)到上訴目的，本發(fā)明擬采用的技術(shù)解決方案是：

本發(fā)明包括將375v直流電壓轉(zhuǎn)換為24v、12v的隔離中壓電能以及5v的低壓電能的電能轉(zhuǎn)換板，用于采集接駁盒腔體內(nèi)溫度、濕度、漏水信息的環(huán)境監(jiān)測電路(包括如采集接駁盒腔體內(nèi)溫度的溫度檢測電路、采集腔體內(nèi)濕度的濕度檢測電路、采集腔體漏水情況的漏水檢測電路)，控制負(fù)載(多種水下科學(xué)儀器)通斷的接駁電路，集成有模擬輸入和數(shù)字輸入輸出、串口及以太網(wǎng)通信功能的嵌入式控制板，二層交換機(jī)以及光電轉(zhuǎn)換設(shè)備。所述的電能轉(zhuǎn)換板與375v高壓輸入端連接，包括溫度檢測，濕度檢測以及漏水檢測的環(huán)境監(jiān)測電路與電能轉(zhuǎn)換板連接，電能轉(zhuǎn)換板的中壓輸出與各接駁電路連接，中壓電能通過接駁電路為水下科學(xué)儀器供電，電能轉(zhuǎn)換板的所有信號與控制板連接，同時，控制板的信號與水下科學(xué)儀器連接，接駁盒的光輸入與光電轉(zhuǎn)換電路連接再通過二層交換機(jī)連接接駁盒內(nèi)其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括arm控制板以及使用網(wǎng)絡(luò)通信的水下科學(xué)儀器。

所述的控制板可以采用arm嵌入式控制板，具有一個以太網(wǎng)接口，并與二層交換機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)雙絞線連接，具有rs485接口和rs232接口與水下科學(xué)儀器連接，實(shí)現(xiàn)水下科學(xué)儀器與控制板之間的通信。模擬量輸入與數(shù)字量輸入是控制板的所有輸入環(huán)境量數(shù)據(jù)，包括電壓電流采樣數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)、漏水?dāng)?shù)據(jù)以及過流故障數(shù)據(jù)，數(shù)字量輸出包括接駁板的負(fù)載接駁控制、過流故障的復(fù)位信息。

所述的接駁板電路包括繼電器以及繼電器驅(qū)動電路，負(fù)責(zé)負(fù)載的通斷控制；輸出負(fù)載的電流檢測電路及其前端濾波電路，通過采樣電阻的方式獲得電流信號；電壓檢測電路通過分壓電路的方式獲得電壓信號。過流檢測及濾波電路實(shí)現(xiàn)接駁板的過流保護(hù)功能，所有的負(fù)載部分與信號的輸入輸出之間通過光電隔離來防止信號的干擾。

所述的電能轉(zhuǎn)換板采用vicor的功率模塊實(shí)現(xiàn)電能從375v到24v和12v的大功率轉(zhuǎn)換，并集成電能的隔離功能，采用lm2576芯片實(shí)現(xiàn)12v到5v電壓的轉(zhuǎn)換。電能轉(zhuǎn)換板集成有控制板的供電與通信接口，接駁板的供電控制信號接口以及環(huán)境傳感器的驅(qū)動接口，規(guī)范硬件電路板之間的走線和連接。

所述的電能轉(zhuǎn)換板、用于安裝接駁電路的接駁板和控制板，通過三維分層方式進(jìn)行空間布局，電能轉(zhuǎn)換板放置于底層，控制板置于中間層，接駁板置于控制板、電能轉(zhuǎn)換板之上。

本發(fā)明中水下接駁盒設(shè)計(jì)可連接若干路水下科學(xué)儀器設(shè)備，其中包含提供標(biāo)準(zhǔn)12v直流電源以及提供標(biāo)準(zhǔn)的24v直流電源的接口。水下接駁盒可通過串口或者網(wǎng)絡(luò)的方式控制水下科學(xué)儀器運(yùn)行并采集數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)通信的科學(xué)儀器設(shè)備與二層交換機(jī)連接，串口通信的科學(xué)儀器經(jīng)過rs232接口或者rs485接口與控制板連接。

水下接駁盒中的接駁板包含的過流檢測電路與繼電器驅(qū)動電路連接，當(dāng)接駁板檢測到過流故障時，過流檢測電路在發(fā)送過流信號的同時，控制驅(qū)動電路將繼電器斷開連接，防止過流故障造成更大損失，提高了接駁板故障保護(hù)的實(shí)時性。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的小型水下接駁盒數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中，采用如arm嵌入式控制板自主設(shè)計(jì)通信接口和采樣接口等外圍電路，并對所有電路進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，可極大的減小控制板體積、功率消耗以及成本，使其適用于小型流域。接駁盒監(jiān)控系統(tǒng)通過溫濕度傳感器和漏水傳感器，以及多路的電壓電流采樣電路，實(shí)時監(jiān)控水下接駁盒的運(yùn)行狀態(tài)，保證接駁盒運(yùn)行的穩(wěn)定性。接駁板擁有過流保護(hù)功能，提供故障的隔離以及故障報警功能，提高接駁盒運(yùn)行的可靠性。接駁盒內(nèi)硬件電路采用三維分層布局設(shè)計(jì)，大大減小硬件電路占用的體積，如針對四路水下科學(xué)儀器設(shè)備，設(shè)置四塊接駁板時，采用三維分層布局可使硬件電路占用空間僅為300mm*90mm*90mm，該設(shè)計(jì)可以最大程度的滿足小型流域的監(jiān)控系統(tǒng)需求，且同時可優(yōu)化硬件電路的散熱環(huán)境。接駁盒電能轉(zhuǎn)換板采用接口化設(shè)計(jì)，提高接駁盒硬件電路調(diào)試和安裝的便利性。

附圖說明

圖1是水下接駁盒數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)總體原理圖。

圖2是接駁盒內(nèi)接駁板原理圖。

圖3是接駁盒arm控制板接口原理圖。

圖4是接駁盒內(nèi)硬件電路布局圖。

圖中：1電能轉(zhuǎn)換板、2溫度檢測電路、3濕度檢測電路、4漏水檢測電路、5接駁電路、6外部科學(xué)儀器負(fù)載、7arm嵌入式控制板、8二層交換機(jī)、9光電轉(zhuǎn)換設(shè)備、10繼電器、11濾波電路、12前端濾波電路、13分壓電路、14繼電器驅(qū)動電路、15過流檢測電路、16電流檢測電路、17電壓檢測電路、18光電隔離、19以太網(wǎng)接口、20rs485接口、21rs232接口、22jtag接口、23數(shù)字量輸出、24數(shù)字量輸入、25模擬量輸入。

具體實(shí)施方法

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

參考圖1，本發(fā)明的小型水下接駁盒數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)包括：將375v直流電壓轉(zhuǎn)換為24v、12v的隔離中壓電能以及5v的低壓電能的電能轉(zhuǎn)換板，采集接駁盒腔體內(nèi)溫度的溫度檢測電路，采集腔體內(nèi)濕度的濕度檢測電路，采集腔體漏水情況的漏水檢測電路，控制負(fù)載通斷的接駁電路，外部科學(xué)儀器負(fù)載，arm嵌入式控制板，二層交換機(jī)以及光電轉(zhuǎn)換設(shè)備；375v的高壓輸入端與電能轉(zhuǎn)換板連接，包括溫度檢測，濕度檢測以及漏水檢測的環(huán)境監(jiān)測電路與電能轉(zhuǎn)換板連接，電能轉(zhuǎn)換板的中壓輸出與4個接駁板連接，中壓電能通過接駁板為水下科學(xué)儀器供電，電能轉(zhuǎn)換板的所有信號與arm控制板連接，同時，arm控制板的信號與水下科學(xué)儀器連接，接駁盒的光輸入與光電轉(zhuǎn)換電路連接，二層交換機(jī)連接接駁盒內(nèi)其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括arm控制板以及使用網(wǎng)絡(luò)通信的水下科學(xué)儀器。

本發(fā)明的小型水下接駁盒數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，其工作流程為：岸基電源通過長距離電纜為接駁盒提供375v高壓直流電源，經(jīng)過接駁盒內(nèi)的電能轉(zhuǎn)換板轉(zhuǎn)換為24v、12v、5v直流電源。其中，24v和12v直流電源通過接駁板的負(fù)載控制為接駁盒外的水下科學(xué)儀器供電，需要提供較大功率，使用vicor的直流變壓模塊實(shí)現(xiàn)。5v電源為接駁盒內(nèi)傳感器、arm控制板等低壓設(shè)備使用，對電壓的穩(wěn)定性要求較高，使用lm2576電源芯片進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

岸基通信通過光纖與接駁盒連接，接駁盒內(nèi)使用光電轉(zhuǎn)換設(shè)備將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，同時，使用二層交換機(jī)擴(kuò)展多個rj45網(wǎng)絡(luò)接口，連接arm控制板和使用網(wǎng)絡(luò)通信的水下科學(xué)儀器，而需要串口通信的水下科學(xué)儀器通過rs232或者rs485接口與arm控制板連接。arm控制板將溫度傳感器、濕度傳感器、漏水傳感器、電壓電流采樣得到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并處理通過串口接收的水下科學(xué)儀器數(shù)據(jù)，之后通過網(wǎng)絡(luò)的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給岸基，實(shí)現(xiàn)水下接駁盒運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控以及水下數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集，保障接駁盒長期穩(wěn)定運(yùn)行。

所述的接駁盒內(nèi)接駁板功能原理如圖2所示。電源轉(zhuǎn)換板得到的24v和12v直流電能過接駁板后輸出給水下科學(xué)儀器使用。接駁板通過采樣電阻和濾波電路后，得到輸入電能的電流信號，通過電流檢測電路6完成電流信號的采集，最終通過光電隔離模塊后將電流信號輸入到arm控制板中。接駁板中通過分壓電路13得到電壓信號，并通過電壓檢測電路17完成電壓信號的采集，并通過光電隔離模塊后輸入到arm控制板中。接駁板中過流檢測電路15實(shí)現(xiàn)負(fù)載的過流保護(hù)功能。當(dāng)電流大于設(shè)定值時，過流電路發(fā)送過流信號，通過隔離后傳輸給arm控制板，同時，過流信號與繼電器驅(qū)動電路14連接，能夠自動斷開繼電器進(jìn)行保護(hù)，發(fā)生過流故障后，只能在復(fù)位后才能繼續(xù)操作閉合接駁板繼電器，達(dá)到了故障鎖存的功能。

所述的arm控制板接口如圖3所示。arm控制板的網(wǎng)絡(luò)接口與接駁盒內(nèi)二層交換機(jī)8連接，實(shí)現(xiàn)與岸基數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信。rs232和rs485串口線路與接駁盒外水下科學(xué)儀器連接，實(shí)現(xiàn)科學(xué)儀器的控制以及數(shù)據(jù)的采集。arm控制板模擬量輸入包括溫度信號、濕度信號、漏水信號、多路電壓信號以及多路電流信號。arm控制板數(shù)字量輸入包括四路接駁板過流信號。arm控制板的數(shù)字量輸出包括過流故障的復(fù)位信號、繼電器控制信號。arm控制板完成數(shù)據(jù)采集與環(huán)境監(jiān)測，并將所有數(shù)據(jù)發(fā)送至岸基，實(shí)現(xiàn)水下接駁盒的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

本發(fā)明的小型水下接駁盒數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路的布局設(shè)計(jì)采用三維分層方式，如圖4所示。體積最大的電能轉(zhuǎn)換板放置于底層，arm控制板放置于電能轉(zhuǎn)換板的輸入端的上方，在arm控制板之上再疊加一塊接駁板，其余三塊接駁板分別疊加與電能轉(zhuǎn)換板的輸出端上方，實(shí)現(xiàn)了三維分層的空間布局，可使硬件電路占用空間僅為300mm*90mm*90mm，使硬件電路更加緊湊。同時，功率最大的電能轉(zhuǎn)換板放置于底層，能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換板中的功率模塊與接駁盒鋁合金支架接觸，優(yōu)化散熱環(huán)境。所有接駁板、arm控制板以及接駁盒環(huán)境傳感器均與電能轉(zhuǎn)換板上的接口連接，通過電能轉(zhuǎn)換板走線，將模擬量與數(shù)字量，高頻信號與低頻信號分離，保障了硬件的長期可靠性。