污染源在線自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集傳輸儀的設(shè)計(jì)

鞠新國，吳素全，李明哲

（1. 江蘇尚維斯環(huán)境科技股份有限公司 董事長辦公室， 江蘇 南通 226017；2. 南通職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 江蘇 南通 226007）

隨著工業(yè)化、城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)和生活水平的不斷提高，各種污染物也在不斷釋放和集聚，空氣和水污染等環(huán)境問題日益凸顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年有數(shù)百萬人因空氣污染死亡，水污染也威脅著全球1/3 人口的飲用水安全[1]。因此，環(huán)保問題備受重視，各國紛紛采取措施進(jìn)行節(jié)能減排。我國省、市、縣各級環(huán)保部門要求排污（排放污水或廢氣）企業(yè)安裝COD 分析儀、流量計(jì)、二氧化碳分析儀等監(jiān)控儀表，實(shí)時(shí)對所排放的污水或廢氣的相關(guān)污染因子及排放量進(jìn)行監(jiān)測。由于現(xiàn)場的監(jiān)控儀表數(shù)量多，有的不具備統(tǒng)計(jì)和遠(yuǎn)程通信功能，不能很直觀地監(jiān)測企業(yè)的各類排放數(shù)據(jù)，難以實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控。另外，市場上數(shù)據(jù)采集傳輸儀價(jià)格昂貴、功能也不夠完善。為在采集精度、統(tǒng)計(jì)原則、通信格式等方面進(jìn)一步規(guī)范數(shù)據(jù)采集傳輸儀的功能，便于建立國家、省、市、縣統(tǒng)一平臺，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和現(xiàn)場隨機(jī)抽查，國家環(huán)保部門制定了《污染源在線自動(dòng)監(jiān)控（監(jiān)測）數(shù)據(jù)采集傳輸儀技術(shù)要求》（HJ 477－2009）（以下簡稱《HJ 477 標(biāo)準(zhǔn)》）、《污染物在線監(jiān)控（監(jiān)測）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)》（HJ 212-2017）（以下簡稱《HJ 212 標(biāo)準(zhǔn)》）。本文依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)一款數(shù)據(jù)采集傳輸儀，以實(shí)現(xiàn)對污染源數(shù)據(jù)的在線采集、存儲(chǔ)、傳輸與監(jiān)測等功能。

1 污染物在線監(jiān)控（監(jiān)測）系統(tǒng)架構(gòu)

污染物在線監(jiān)控（監(jiān)測）系統(tǒng)框架如圖1 所示。系統(tǒng)由上位機(jī)、監(jiān)控儀器、數(shù)據(jù)采集儀、傳輸網(wǎng)絡(luò)等組成。

圖1 污染物在線監(jiān)控（監(jiān)測）系統(tǒng)框架

2 數(shù)據(jù)采集傳輸儀的硬件組成

C8051F120 芯片以CPI-51 為內(nèi)核，功能強(qiáng)、接口多，包括SPI、IIC、串口等，易實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。因此，數(shù)據(jù)采集傳輸儀選用C8051F120 芯片為核心，外擴(kuò)存儲(chǔ)器、SD 卡、時(shí)鐘電路、串口擴(kuò)展模塊、IO模塊、液晶模塊、按鍵等，其框架如圖2 所示[2]。

圖2 數(shù)據(jù)采集傳輸儀的硬件框架

2.1 電源電路

由于數(shù)據(jù)采集傳輸儀需要在掉電的情況下繼續(xù)供電數(shù)小時(shí)，故采用市電和電瓶進(jìn)行供電，具體電路如圖3。圖3 中，市電經(jīng)過變壓器和整流器轉(zhuǎn)為12 V 電壓，除通過電阻和二極管給電瓶BT1 充電外，還通過DCDC 模塊轉(zhuǎn)變成5 V 電，供數(shù)字電路使用。

圖3 數(shù)字電源5V 電路

采用圖4 電路將數(shù)字電源5 V 轉(zhuǎn)為3.3 V 供C8051 等芯片使用。

圖4 數(shù)字電源3.3 V 電路

圖5 為模擬用電源電路，采用TD1507-5 V 電源芯片，提供4 A 以上電流，能滿足電路供電要求。

圖5 模擬5 V 電源電路

為滿足《HJ 477 標(biāo)準(zhǔn)》要求，采用圖6 所示電路實(shí)現(xiàn)掉電檢測。當(dāng)市電掉電時(shí)，12 V IN 電壓會(huì)降至0 V，光耦U2 不導(dǎo)通，檢測POWE220V 網(wǎng)絡(luò)信號為高電平；單片機(jī)口線檢測到該信號為“高”后，數(shù)據(jù)采集儀在后備電池供電下，通過串口以《HJ 212 標(biāo)準(zhǔn)》通信協(xié)議格式，將掉電協(xié)議及時(shí)發(fā)送到上位平臺，以通知有關(guān)人員處理掉電問題。

圖6 電源掉電檢測電路

2.2 “看門狗”電路

由于常受到外界電磁場干擾，或因電源波動(dòng)造成內(nèi)部寄存器和數(shù)據(jù)混亂，易導(dǎo)致單片機(jī)工作程序陷入死循環(huán)或跑飛，系統(tǒng)陷入停滯狀態(tài)，發(fā)生不可預(yù)料的后果。為此，采用“看門狗”（watchdog）進(jìn)行監(jiān)控。本設(shè)計(jì)選用MAX706AT 作為“看門狗”，電路如圖7 所示。

圖7 “看門狗”電路

圖7 中，單片機(jī)每500 ms 左右對“看門狗”WDI 輸出高低電平進(jìn)行“喂狗”，一旦程序跑飛，“看門狗”輸出復(fù)位信號/RST 至單片機(jī)，對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，以確保重新開始運(yùn)行。

2.3 參數(shù)存儲(chǔ)電路

為保證設(shè)置的參數(shù)不丟失，采用華邦公司推出的大容量SPI FLASH W25X64 芯片，容量為64 Mbi（t8M）。該芯片擦寫周期高達(dá)10 萬次，具有20 年的數(shù)據(jù)保存期限，支持電壓為2.7～3.6 V，與單片機(jī)通過SPI 接口進(jìn)行通信，電路如圖8 所示。

圖8 參數(shù)存儲(chǔ)電路

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

按照《HJ 477 標(biāo)準(zhǔn)》的要求，數(shù)據(jù)采集傳輸儀需保存大量歷史數(shù)據(jù)，故采用SD 卡進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。與單片機(jī)連接電路如圖9 所示。W25X64 芯片和SD 卡共同使用一個(gè)SPI 口，通過單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)號為SD_CS 和25X64_CS 的2 個(gè)口線進(jìn)行片選控制。

圖9 SD 卡和單片機(jī)的連接

2.5 串口擴(kuò)展電路

由于COD、流量計(jì)等各種儀表提供的接口包含2 種：一種是通過串口進(jìn)行輸出，另一種是通過電流4～20 mA 進(jìn)行輸出，故數(shù)據(jù)采集傳輸儀需具備多路串口和AD 接口。

AD 接口可以選用諸如ADS1212 等高精度AD 轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行擴(kuò)展。單片機(jī)只有2 個(gè)串口，一個(gè)串口連接GPRS 模塊或4G 模塊，與平臺進(jìn)行通信，另一個(gè)串口需要進(jìn)行擴(kuò)展。因此，選用2 片GM8125 將1 個(gè)串口擴(kuò)展為10 路串口，其中：1 路串口與液晶屏通信，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，8 路與外界的儀表通信，1 路備用。

GM8125 由成都國騰微電子有限公司生產(chǎn)，可將一個(gè)全雙工的標(biāo)準(zhǔn)串口擴(kuò)展成5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口。圖10 為1 片GM8125 的擴(kuò)展電路，其通過單片機(jī)的口線GM8125_1A、GM8125_1B、GM8125_1C對串口進(jìn)行分時(shí)切換使用。

圖10 GM8125 串口擴(kuò)展電路

2.6 輸入輸出電路

按要求數(shù)據(jù)采集傳輸儀還要具有8 路輸入、8路輸出電路。如圖11，輸入電路直接采用光耦進(jìn)行隔離，與單片機(jī)的IO 口連接即可[3]。

圖11 輸入電路

如圖12，輸出電路通過單片機(jī)的口線經(jīng)光耦隔離，控制小型繼電器，由繼電器的觸點(diǎn)對外輸出控制。

圖12 輸出電路

2.7 時(shí)鐘電路

為能實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，選用PCF8563實(shí)時(shí)時(shí)鐘，并通過子夜0 點(diǎn)經(jīng)平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程校時(shí)，確保時(shí)間精準(zhǔn)，電路見圖13。

3 數(shù)據(jù)采集傳輸儀的軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集傳輸儀的軟件主要包括主程序、串口1 通信程序、串口2 通信程序[4]。

其中，串口1 通信程序主要是依據(jù)《HJ 212標(biāo)準(zhǔn)》，將所采集的各污染因子數(shù)據(jù)上傳至中心平臺，并接收中心平臺下發(fā)的校時(shí)、遠(yuǎn)程控制等命令。

串口2 為擴(kuò)展9 路外部串口，其中1 路將數(shù)據(jù)發(fā)送到液晶屏進(jìn)行顯示，其余8 路實(shí)現(xiàn)與一次儀表的通信。

主程序主要功能包括讀時(shí)間及依次對串口、AD 所接的一次儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、計(jì)算和保存，然后實(shí)時(shí)發(fā)送到平臺，并進(jìn)行觸摸屏的相關(guān)操作，包括參數(shù)的設(shè)定保存、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示、歷史數(shù)據(jù)的查詢等。主程序流程如圖14 所示。

圖14 數(shù)據(jù)采集傳輸儀主程序流程

4 數(shù)據(jù)采集傳輸儀的性能檢測

本產(chǎn)品已在江蘇尚維斯環(huán)境科技股份有限公司進(jìn)行批量生產(chǎn)。隨機(jī)抽取其中3 臺產(chǎn)品送環(huán)境保護(hù)部環(huán)境監(jiān)測儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行檢測，結(jié)果合格，結(jié)論為：“經(jīng)檢測，此三臺數(shù)據(jù)采集傳輸儀已檢測的性能指標(biāo)符合《污染源在線自動(dòng)監(jiān)控（監(jiān)測）數(shù)據(jù)采集傳輸儀技術(shù)要求》（HJ 477-2009）標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)條款要求”。部分檢測報(bào)告如圖15 所示。

圖15 污染源數(shù)據(jù)采集傳輸儀的檢測報(bào)告截圖（部分）

5 結(jié)束語

針對節(jié)能環(huán)保要求，給出了一種數(shù)據(jù)采集傳輸儀的具體設(shè)計(jì)方案。量產(chǎn)結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)采集傳輸儀價(jià)格便宜、可靠性高，現(xiàn)場長期運(yùn)行穩(wěn)定，并通過了《HJ 477 標(biāo)準(zhǔn)》的認(rèn)證。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對各種一次儀表數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，在環(huán)保領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。