污染源在线自动监控数据采集传输仪的设计

2023-02-02鞠新国吴素全李明哲

南通职业大学学报 2023年4期

鞠新国，吴素全，李明哲

（1. 江苏尚维斯环境科技股份有限公司董事长办公室，江苏南通 226017；2. 南通职业大学电子信息工程学院，江苏南通 226007）

随着工业化、城市化进程不断推进和生活水平的不断提高，各种污染物也在不断释放和集聚，空气和水污染等环境问题日益凸显。据统计，全球每年有数百万人因空气污染死亡，水污染也威胁着全球1/3 人口的饮用水安全[1]。因此，环保问题备受重视，各国纷纷采取措施进行节能减排。我国省、市、县各级环保部门要求排污（排放污水或废气）企业安装COD 分析仪、流量计、二氧化碳分析仪等监控仪表，实时对所排放的污水或废气的相关污染因子及排放量进行监测。由于现场的监控仪表数量多，有的不具备统计和远程通信功能，不能很直观地监测企业的各类排放数据，难以实施远程监控。另外，市场上数据采集传输仪价格昂贵、功能也不够完善。为在采集精度、统计原则、通信格式等方面进一步规范数据采集传输仪的功能，便于建立国家、省、市、县统一平台，实现远程实时监控和现场随机抽查，国家环保部门制定了《污染源在线自动监控（监测）数据采集传输仪技术要求》（HJ 477－2009）（以下简称《HJ 477 标准》）、《污染物在线监控（监测）系统数据传输标准》（HJ 212-2017）（以下简称《HJ 212 标准》）。本文依据上述标准要求，设计一款数据采集传输仪，以实现对污染源数据的在线采集、存储、传输与监测等功能。

1 污染物在线监控（监测）系统架构

污染物在线监控（监测）系统框架如图1 所示。系统由上位机、监控仪器、数据采集仪、传输网络等组成。

图1 污染物在线监控（监测）系统框架

2 数据采集传输仪的硬件组成

C8051F120 芯片以CPI-51 为内核，功能强、接口多，包括SPI、IIC、串口等，易实现功能扩展。因此，数据采集传输仪选用C8051F120 芯片为核心，外扩存储器、SD 卡、时钟电路、串口扩展模块、IO模块、液晶模块、按键等，其框架如图2 所示[2]。

图2 数据采集传输仪的硬件框架

2.1 电源电路

由于数据采集传输仪需要在掉电的情况下继续供电数小时，故采用市电和电瓶进行供电，具体电路如图3。图3 中，市电经过变压器和整流器转为12 V 电压，除通过电阻和二极管给电瓶BT1 充电外，还通过DCDC 模块转变成5 V 电，供数字电路使用。

图3 数字电源5V 电路

采用图4 电路将数字电源5 V 转为3.3 V 供C8051 等芯片使用。

图4 数字电源3.3 V 电路

图5 为模拟用电源电路，采用TD1507-5 V 电源芯片，提供4 A 以上电流，能满足电路供电要求。

图5 模拟5 V 电源电路

为满足《HJ 477 标准》要求，采用图6 所示电路实现掉电检测。当市电掉电时，12 V IN 电压会降至0 V，光耦U2 不导通，检测POWE220V 网络信号为高电平；单片机口线检测到该信号为“高”后，数据采集仪在后备电池供电下，通过串口以《HJ 212 标准》通信协议格式，将掉电协议及时发送到上位平台，以通知有关人员处理掉电问题。

图6 电源掉电检测电路

2.2 “看门狗”电路

由于常受到外界电磁场干扰，或因电源波动造成内部寄存器和数据混乱，易导致单片机工作程序陷入死循环或跑飞，系统陷入停滞状态，发生不可预料的后果。为此，采用“看门狗”（watchdog）进行监控。本设计选用MAX706AT 作为“看门狗”，电路如图7 所示。

图7 “看门狗”电路

图7 中，单片机每500 ms 左右对“看门狗”WDI 输出高低电平进行“喂狗”，一旦程序跑飞，“看门狗”输出复位信号/RST 至单片机，对单片机进行复位，以确保重新开始运行。

2.3 参数存储电路

为保证设置的参数不丢失，采用华邦公司推出的大容量SPI FLASH W25X64 芯片，容量为64 Mbi（t8M）。该芯片擦写周期高达10 万次，具有20 年的数据保存期限，支持电压为2.7～3.6 V，与单片机通过SPI 接口进行通信，电路如图8 所示。

图8 参数存储电路

2.4 数据存储电路

按照《HJ 477 标准》的要求，数据采集传输仪需保存大量历史数据，故采用SD 卡进行数据存储。与单片机连接电路如图9 所示。W25X64 芯片和SD 卡共同使用一个SPI 口，通过单片机网络号为SD_CS 和25X64_CS 的2 个口线进行片选控制。

图9 SD 卡和单片机的连接

2.5 串口扩展电路

由于COD、流量计等各种仪表提供的接口包含2 种：一种是通过串口进行输出，另一种是通过电流4～20 mA 进行输出，故数据采集传输仪需具备多路串口和AD 接口。

AD 接口可以选用诸如ADS1212 等高精度AD 转换芯片进行扩展。单片机只有2 个串口，一个串口连接GPRS 模块或4G 模块，与平台进行通信，另一个串口需要进行扩展。因此，选用2 片GM8125 将1 个串口扩展为10 路串口，其中：1 路串口与液晶屏通信，实现人机交互，8 路与外界的仪表通信，1 路备用。

GM8125 由成都国腾微电子有限公司生产，可将一个全双工的标准串口扩展成5 个标准串口。图10 为1 片GM8125 的扩展电路，其通过单片机的口线GM8125_1A、GM8125_1B、GM8125_1C对串口进行分时切换使用。

图10 GM8125 串口扩展电路

2.6 输入输出电路

按要求数据采集传输仪还要具有8 路输入、8路输出电路。如图11，输入电路直接采用光耦进行隔离，与单片机的IO 口连接即可[3]。

图11 输入电路

如图12，输出电路通过单片机的口线经光耦隔离，控制小型继电器，由继电器的触点对外输出控制。

图12 输出电路

2.7 时钟电路

为能实现历史数据查询等功能，选用PCF8563实时时钟，并通过子夜0 点经平台进行远程校时，确保时间精准，电路见图13。

3 数据采集传输仪的软件设计

数据采集传输仪的软件主要包括主程序、串口1 通信程序、串口2 通信程序[4]。

其中，串口1 通信程序主要是依据《HJ 212标准》，将所采集的各污染因子数据上传至中心平台，并接收中心平台下发的校时、远程控制等命令。

串口2 为扩展9 路外部串口，其中1 路将数据发送到液晶屏进行显示，其余8 路实现与一次仪表的通信。

主程序主要功能包括读时间及依次对串口、AD 所接的一次仪表进行数据采集、计算和保存，然后实时发送到平台，并进行触摸屏的相关操作，包括参数的设定保存、实时数据的显示、历史数据的查询等。主程序流程如图14 所示。

图14 数据采集传输仪主程序流程

4 数据采集传输仪的性能检测

本产品已在江苏尚维斯环境科技股份有限公司进行批量生产。随机抽取其中3 台产品送环境保护部环境监测仪器质量监督检验中心进行检测，结果合格，结论为：“经检测，此三台数据采集传输仪已检测的性能指标符合《污染源在线自动监控（监测）数据采集传输仪技术要求》（HJ 477-2009）标准中相关条款要求”。部分检测报告如图15 所示。