嵌入式水位雨量数据采集系统设计与实现（余德华,刘泽文,张国学）

发布时间：2022-02-22 15:05:55 浏览数：次

摘要: 水位雨量采集系统为防汛测报提供及时的水雨情信息，随着应用需求的增加，原有的以8位单片机为核心的控制系统（RTU）满足多任务、多信道方面已经显得有点力不从心，采用嵌入式系统可以实现除了现有的卫星、电话、GSM/GPRS等通信方式外，还可以实现基于网络的数据传输方式，实现对水位、雨量进行实时在线监测，从而实现测报系统的网络化。介绍了嵌入式系统的基本原理，分析了ARM微处理器的体系结构、指令系统、操作系统、开发软件等嵌入式开发技术，给出了基于ARM的嵌入式系统的解决方案，并对水位雨量采集、存贮、传输和数据安全措施进行了分析设计。

关键词: ARM;嵌入式;数据采集

中图分类号: P332:TP274 文献标识码: A

1 问题的提出

1.1 嵌入式系统应用背景

嵌入式系统是可精简的专用计算机系统，它是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，适用于开发对功能、可靠性、成本、体积、功耗要求严格的应用系统。它主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成。用于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能。随着Internet网的广泛普及应用和各种多媒体设备以及无线网络的发展，嵌入系统的应用越来越广泛。它涉及面广，技术难度较大，目前在国内属于比较前沿的技术。

1.2 水位雨量采集系统存在问题

水位雨量采集系统的主要功能是对水文站、水位站的水位、雨量进行数据采集，并向水情中心传送信息。目前国内使用的系统设备多以8位单片机为核心的数据终端，外接水位、雨量传感器，配以FLUSH、EEPROM等作为存贮媒介，实现了对水位、雨量信息进行采集、存贮、传输。随着自动测报技术的发展，采集的信息内容更多，信息量更大。例如:ADCP实时在线流量监测，泥沙、水质在线监测等，还有使用网络传输等。使用目前的设备难以胜任，主要存在如下问题:

（1）单片机的运算速度和内存容量有限，有限的资源已成为其发展的障碍;

（2）大数据量信息的现场处理困难;

（3）难以实现网络传输。

1.3 嵌入式系统的优势和技术难点

针对上述存在的问题，嵌入式系统在水文信息系统中有很大的优势:

（1）系统稳定可靠、功耗低、存贮容量大;

（2）运算速度快，可以快速处理较复杂的算法和协议;

（3）可以接入Internet网，利用公用网进行数据传输，完全实现数据的在线监测。

实现嵌入式系统的技术难点主要是根据水位雨量采集的要求，设计硬件电路及外围接口电路，在软件上要移植嵌入式操作系统及利用操作系统提供的API函数实现操作系统功能调用，编写硬件驱动程序，移植GUI软件，实现友好的人机界面。另外，实现TCP/IP协议，接入Internet网也是一个重要的难点。实现嵌入式的水位雨量采集系统的途径主要是选择嵌入式微处理器和嵌入式操作系统，首先搭建硬件平台，在硬件平台上移植操作系统，然后实现TCP/IP等协议，最后开发应用软件。

2 嵌入式水位雨量采集系统分析与设计

水位雨量采集系统集数据采集、存贮、传输于一体，随着计算机和通信技术的发展，嵌入式系统开发技术已经成熟，把嵌入式系统应用到水位雨量采集上是完全可行的。

2.1 系统需求分析

2.1.1 水位雨量采集系统基本原理

水位雨量采集系统由遥测站和中心站组成，它的基本组成如图1所示。

遥测站主要是数据采集和发送站，中心站则是数据接收和处理站，它还具有发送指令的功能。

水位雨量采集系统按数据传输方式大体可分为3种运行体制:即自报式、应答式、混合式。

2.1.2 水位雨量采集系统的要求

要实现水位、雨量自动监测，系统应满足下列要求:

（1）采用定时自报、事件自报、加报和召测兼容的工作方式。

（2）能自动采集、存贮水位、雨量等参数。采样、存贮间隔可编程。

（3）能自动按定时自报方式向中心站发送水情信息，定时间隔可编程。

（4）具有“加报”功能。当水位、雨量超过设定值时自动向中心站发送水位雨量数据，水位雨量设定值可编程。

（5）具有多种信道接口，能通过不同信道自动传输水情数据，当主信道故障时，自动切换到备用信道发送。

（6）中心站能对所辖站点进行参数设置、读取数据。

（7）水位、雨量数据能按时间存贮和按变率存贮两种方式存贮。

图1 数据采集系统的基本组成（略）

2.2 总体方案设计

（1）处理器的选择。ARM具有体积小、功耗低、存储容量大，运行速度快等特点，测站数据采集终端采用具有ARM内核的CPU，它能克服原来单片机系统的缺点，能满足现代水文监测的要求，提高系统的稳定性和可靠性。处理器采用三星公司相关热词搜索：雨量水位 嵌入式 采集系统 数据