污染源在線自動監控數據采集傳輸儀的設計

鞠新國，吳素全，李明哲

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

隨著工業化、城市化進程不斷推進和生活水平的不斷提高，各種污染物也在不斷釋放和集聚，空氣和水污染等環境問題日益凸顯。據統計，全球每年有數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，環保問題備受重視，各國紛紛采取措施進行節能減排。我國省、市、縣各級環保部門要求排污（排放污水或廢氣）企業安裝COD 分析儀、流量計、二氧化碳分析儀等監控儀表，實時對所排放的污水或廢氣的相關污染因子及排放量進行監測。由于現場的監控儀表數量多，有的不具備統計和遠程通信功能，不能很直觀地監測企業的各類排放數據，難以實施遠程監控。另外，市場上數據采集傳輸儀價格昂貴、功能也不夠完善。為在采集精度、統計原則、通信格式等方面進一步規范數據采集傳輸儀的功能，便于建立國家、省、市、縣統一平臺，實現遠程實時監控和現場隨機抽查，國家環保部門制定了《污染源在線自動監控（監測）數據采集傳輸儀技術要求》（HJ 477－2009）（以下簡稱《HJ 477 標準》）、《污染物在線監控（監測）系統數據傳輸標準》（HJ 212-2017）（以下簡稱《HJ 212 標準》）。本文依據上述標準要求，設計一款數據采集傳輸儀，以實現對污染源數據的在線采集、存儲、傳輸與監測等功能。

1 污染物在線監控（監測）系統架構

污染物在線監控（監測）系統框架如圖1 所示。系統由上位機、監控儀器、數據采集儀、傳輸網絡等組成。

圖1 污染物在線監控（監測）系統框架

2 數據采集傳輸儀的硬件組成

C8051F120 芯片以CPI-51 為內核，功能強、接口多，包括SPI、IIC、串口等，易實現功能擴展。因此，數據采集傳輸儀選用C8051F120 芯片為核心，外擴存儲器、SD 卡、時鐘電路、串口擴展模塊、IO模塊、液晶模塊、按鍵等，其框架如圖2 所示[2]。

圖2 數據采集傳輸儀的硬件框架

2.1 電源電路

由于數據采集傳輸儀需要在掉電的情況下繼續供電數小時，故采用市電和電瓶進行供電，具體電路如圖3。圖3 中，市電經過變壓器和整流器轉為12 V 電壓，除通過電阻和二極管給電瓶BT1 充電外，還通過DCDC 模塊轉變成5 V 電，供數字電路使用。

圖3 數字電源5V 電路

采用圖4 電路將數字電源5 V 轉為3.3 V 供C8051 等芯片使用。

圖4 數字電源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 標準》要求，采用圖6 所示電路實現掉電檢測。當市電掉電時，12 V IN 電壓會降至0 V，光耦U2 不導通，檢測POWE220V 網絡信號為高電平；單片機口線檢測到該信號為“高”后，數據采集儀在后備電池供電下，通過串口以《HJ 212 標準》通信協議格式，將掉電協議及時發送到上位平臺，以通知有關人員處理掉電問題。

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，或因電源波動造成內部寄存器和數據混亂，易導致單片機工作程序陷入死循環或跑飛，系統陷入停滯狀態，發生不可預料的后果。為此，采用“看門狗”（watchdog）進行監控。本設計選用MAX706AT 作為“看門狗”，電路如圖7 所示。

圖7 “看門狗”電路

圖7 中，單片機每500 ms 左右對“看門狗”WDI 輸出高低電平進行“喂狗”，一旦程序跑飛，“看門狗”輸出復位信號/RST 至單片機，對單片機進行復位，以確保重新開始運行。

2.3 參數存儲電路

為保證設置的參數不丟失，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10 萬次，具有20 年的數據保存期限，支持電壓為2.7～3.6 V，與單片機通過SPI 接口進行通信，電路如圖8 所示。

圖8 參數存儲電路

2.4 數據存儲電路

按照《HJ 477 標準》的要求，數據采集傳輸儀需保存大量歷史數據，故采用SD 卡進行數據存儲。與單片機連接電路如圖9 所示。W25X64 芯片和SD 卡共同使用一個SPI 口，通過單片機網絡號為SD_CS 和25X64_CS 的2 個口線進行片選控制。

圖9 SD 卡和單片機的連接

2.5 串口擴展電路

由于COD、流量計等各種儀表提供的接口包含2 種：一種是通過串口進行輸出，另一種是通過電流4～20 mA 進行輸出，故數據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 轉換芯片進行擴展。單片機只有2 個串口，一個串口連接GPRS 模塊或4G 模塊，與平臺進行通信，另一個串口需要進行擴展。因此，選用2 片GM8125 將1 個串口擴展為10 路串口，其中：1 路串口與液晶屏通信，實現人機交互，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，可將一個全雙工的標準串口擴展成5 個標準串口。圖10 為1 片GM8125 的擴展電路，其通過單片機的口線GM8125_1A、GM8125_1B、GM8125_1C對串口進行分時切換使用。

圖10 GM8125 串口擴展電路

2.6 輸入輸出電路

按要求數據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行隔離，與單片機的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的口線經光耦隔離，控制小型繼電器，由繼電器的觸點對外輸出控制。

圖12 輸出電路

2.7 時鐘電路

為能實現歷史數據查詢等功能，選用PCF8563實時時鐘，并通過子夜0 點經平臺進行遠程校時，確保時間精準，電路見圖13。

3 數據采集傳輸儀的軟件設計

數據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《HJ 212標準》，將所采集的各污染因子數據上傳至中心平臺，并接收中心平臺下發的校時、遠程控制等命令。

串口2 為擴展9 路外部串口，其中1 路將數據發送到液晶屏進行顯示，其余8 路實現與一次儀表的通信。

主程序主要功能包括讀時間及依次對串口、AD 所接的一次儀表進行數據采集、計算和保存，然后實時發送到平臺，并進行觸摸屏的相關操作，包括參數的設定保存、實時數據的顯示、歷史數據的查詢等。主程序流程如圖14 所示。

圖14 數據采集傳輸儀主程序流程

4 數據采集傳輸儀的性能檢測

本產品已在江蘇尚維斯環境科技股份有限公司進行批量生產。隨機抽取其中3 臺產品送環境保護部環境監測儀器質量監督檢驗中心進行檢測，結果合格，結論為：“經檢測，此三臺數據采集傳輸儀已檢測的性能指標符合《污染源在線自動監控（監測）數據采集傳輸儀技術要求》（HJ 477-2009）標準中相關條款要求”。部分檢測報告如圖15 所示。

圖15 污染源數據采集傳輸儀的檢測報告截圖（部分）

5 結束語

針對節能環保要求，給出了一種數據采集傳輸儀的具體設計方案。量產結果表明，該數據采集傳輸儀價格便宜、可靠性高，現場長期運行穩定，并通過了《HJ 477 標準》的認證。該技術可實現對各種一次儀表數據的實時采集，在環保領域具有較好的應用推廣價值。