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CN105788211A - 便携式可定位的多接口数据测量采集传输仪 - Google Patents

便携式可定位的多接口数据测量采集传输仪 Download PDF

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CN105788211A CN201610118461.8A CN201610118461A CN105788211A CN 105788211 A CN105788211 A CN 105788211A CN 201610118461 A CN201610118461 A CN 201610118461A CN 105788211 A CN105788211 A CN 105788211A
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顾靖华
葛建忠
董华
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SHANGHAI ZHANFOSI INFORMATION TECHNOLOGY CO LTD
East China Normal University
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East China Normal University
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Abstract

本发明提供了一种便携式可定位的多接口数据测量采集传输仪，包括：箱体、通讯串口模块、串口协议转换模块、GPS定位模块、数据测试与存储模块、软件管理模块、远程通讯模块、USB模块、环境参数采集模块。通过单片机系统控制和管理多串口仪器和多个模拟量传感器接口进行数据采集、存储、GPRS远程数据传输、GPS位置定位等工作，在绑定有效GPS位置信息后，将定位信息标识加入测量数据流中，使测量数据变成具有时间属性和位置属性的新数据。本发明解决了测量数据由于高度重复性容易混淆造成因位置变动带来的数据管理问题，并且提供了高效的远程测量功能，便于携带和扩展。

Description

便携式可定位的多接口数据测量采集传输仪
技术领域
本发明涉及信号数据采集测量和定位技术领域，具体地，涉及一种便携式可定位的多接口数据测量采集传输仪。
背景技术
首先，在日常的仪器野外测量活动中，由于仪器安放所需的野外地理环境在很多情况下会受天气、雨水、人为施工等影响而发生变化，使得原先设立的观测地点可能不再适合测量条件要求，此时就需要对测量地点进行临时调整，这就影响测量仪器的数据由于地理位置的变化，带来最初数据坐标的偏移，与之相对应的问题最终可能会影响对科学成果的分析与判断，即使是依靠人工记录这些变化，依然不能保证在大数据量高频次的测量活动中测得的数据具备较高的可靠性，因此有必要采取新的技术手段消除由于测量位置移动带来的影响。
另外，在通常测量过程中需要利用多种仪器对多种参数进行测量，很多仪器是串口通讯的，测量时需要单台设备直接接入(笔记本)电脑软件，通常电脑只有1～2个串口，且自身电池容量小，导致使用时间长度受限，这就造成了可使用测量仪器数量有限，测量持续时间短的问题。由于不能够同时使用多台仪器，如果每次只能依次使用单一的测量仪器测量某一种或几种参数，一次测量工作不仅将耗费大量的时间，而且各测量仪器的测量参数的数据是分时的，数据之间的实时性和相关性也会大打折扣，从而最终影响到测量数据的准确性有效性难以保障。
由于野外测量的特殊性，如何提高野外测量的工作效率一直都是工作人员追求的目标，能够在完成测量任务的前提下，尽可能少地带装备，从而减轻负担是野外工作者最现实的需求。
综合以上需求，需要开发了一种可实现GPS定位的便携式野外观测仪器(数采)箱，既可以解决位置变动的带来的测量问题，也能够将GPS位置信息综合到测量数据中，保证数据不会被错误的对应到其他地点，又可以通过扩展通讯串口和模拟量数采端口等方式，允许接入多种测量仪器，并允许各仪器同时测量，甚至可以通过设定灵活选择使用仪器的数量和类型的功能，这样可以有效提高测量的工作效率，解决了多参数数据在同一时间、同一地点，不同参数之间的时效性和准确性。
同时通过配备GPRS/CDMA数据传输模块，能够实现数据远程传输的功能，这样就可以配合远程在线监控系统实现在线实时数据监控。利用单片机的扩展存储功能，将数据实时存储后，也可通过USB口现场读取或GPRS远程指令进行历史数据补传读取。还可以利用单片机的富余资源，扩展对模拟量传感器的接口，例如可以接入4～20MA标准信号，测量如水位、温度等环境参数。总之，本发明可以带来野外测量作业的使用上的便利，仅用一台仪器就可以实现多种串口仪器同时工作和测量，多个传感器同时工作，既能减轻劳动强度，又能保障和提高工作效率。
具体地，通过单片机系统控制和管理多串口仪器和多个模拟量传感器接口进行数据采集、存储、GPRS远程数据传输、GPS位置定位等工作，安装于便携式防水设备箱内，并且配备大容量锂离子电池，可实现自由移动的数据采集传输的工作方式，同时单片机程序管理系统将数据信息进行软件分类，在绑定有效GPS位置信息后，将定位信息标识加入测量数据流中，使测量数据变成具有时间属性和位置属性的新数据，解决测量数据由于高度重复性容易混淆造成因位置变动带来的数据管理难题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是解决多台仪器设备不能同时使用的问题；解决多种测量数据间的时间参数和位置参数的对应关系，即时效性问题；解决测量数据存储和远传的问题；解决仪器兼容性问题；解决测量作业劳动强度的问题。
根据本发明提供的便携式可定位的多接口数据测量采集传输仪，包括：箱体，还包括模块：通讯串口模块、串口协议转换模块、GPS定位模块、数据采集与存储模块、软件管理模块、远程通讯模块、USB模块、环境参数采集模块；
-所述箱体用于安装及携带各个模块及所述各个模块的配件；
-所述通讯串口模块用于接入各种串口仪器或串口传感器，并将传感器串口测得的数据输送至串口协议转换模块和数据采集与存储模块；
-所述串口协议转换模块用于各种不同串口仪器数据的协议转换，区分不同的数据类型，为保存的数据提供协议特征；
-所述GPS定位模块对箱体的位置进行实时地定位，并保存箱体采集数据时的位置信息；
-所述数据采集与存储模块用于进行数据采集、读取以及将数据存储到内存IC和TF卡上；
-所述软件管理模块用于对各个模块进行分时、分工、协议处理、中断处理；
-所述远程通讯模块用于将实时采集数据定时传输到远程网络监控软件上，并且根据远程网络的控制指令执行相应的操作；
-所述USB模块用于读取内存数据，并作为本地数据通讯端口。
优选地，还包括备用电源模块，所述备用电源在主电源未用或者无主电源供电的情况下给各个模块提供电能。
优选地，所述串口协议转换模块将通讯串口模块传输的不同数据依据串口的不同添加入代表数据来源的信息和自定义的仪器名称编号，使得数据本身具备可区分的属性。
优选地，所述远程通讯模块包括GPRS和CDMA模式，通过所述软件管理模块判断当前的网络条件，选择网络信号较好的网络作为数据传输通道，实现数据远程传输。
优选地，所述软件管理模块通过主控CPU对各个模块的外设进行管理，结合CPU自身的时间逻辑设置有看门狗、串口通讯、内存读写、温度检测、数据采集、IO控制模块。
优选地，串口协议转换模块在收到通讯串口模块发送的串口数据和GPS定位模块发送的GPS数据后，依据设置的区别标识将位置信息和测量数据重新组合成自定义格式的一帧新数据交由CPU处理，所述区分标识包括：设备类型、设备名称、设备ID。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的便携式可定位的多接口数据测量采集传输仪可以不受传感器所需条件限制，根据需要灵活方便的选择测量地点采集数据；因此不会因位置变动造成数据混乱，其中设置的GPS定位和时间标志能够迅速锁定数据。
2、本发明提供的便携式可定位的多接口数据测量采集传输仪提供了多个可定义的RS232串行接口，4个标准传感器(4～20mA标准信号)接口，可以扩展多种串口传感器和不同种类的标准传感器，因此具备良好的扩展性。
3、本发明将各接口通过数据协议进行可区分，实现了存储数据之间各自独立，便于后期对数据的分析和查找，并且还配置了大容量TF卡用于存储数据。
4、本发明采用便携式防水手提箱一体化设计，自带大容量可充电锂电池组，实现电源自给化，并且能够实时数据传输以及实现远程数据补传。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中各个模块的关系框图；
图2为本发明提供的便携式可定位的多接口数据测量采集传输仪的箱体结构图；
图3为本发明中的箱体面板示意图；
图4为本发明中的箱体内部布局示意图；
图5为本发明中的软件管理模块功能示意图；
图6为本发明中的串口通讯模块功能示意图；
图7为本发明中的串口协议转换模块功能框图；
图8为本发明中的数据采集和存储模块功能示意图；
图9为本发明中的远程通讯模块功能示意图；
图10为本发明中的GPRS和CDMA模式的硬件结构布局示意图；
图中：
1-外接交流电源接口；
2-开关量端子；
3-传感器扩展接口；
4～7-依次为串口4、串口3、串口2、串口1；
8-串口仪器供电电源接口；
9-USB接口；
10-GPRS，CDMA天线接口；
11-数据存储(IC及TF卡)指示灯、USB读取指示灯；
12-GPRS，CDMA数据远程模块工作指示灯；
13-串口模块工作状态指示灯，数据传输指示灯；
14-外接直流电源及扩展串口；
15-箱体；
16-仪器面板；
17-备用电源；
18-开关电源；
19-电路板；
20-配件槽。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种可GPS定位的便携式多接口数据采集传输仪，可通过通讯串口模块接入多种串口测量仪器和模拟量传感器，利用GPS定位模块的GPS定位的功能可在移动状态下通过数据采集与存储模块采集和存储仪器测量数据，并采用具有防护等级IP67的便携式塑料箱体对仪器进行保护，尤其适合观测地点经常发生变化的野外测量应用场合，其自身的GPS定位功能可以将在不同使用地点的数据区分开来，利用软件管理模块配套软件平台提供的位置管理功能，可以收集各仪器和传感器在不同时间和地点的测量数据。
此便携式野外仪器箱不仅能够远程通讯模块实现测量数据的实时远传，还能够通过软件管理模块将仪器和传感器数据保存到数采箱的存储IC和TF卡中作为数据记录仪使用。保存的数据可以通过USB模块进行读取和下载，保证了在无网络条件下依然可以获取采集数据的需求。
本发明通过在野外仪器数采箱内提供大容量可充电备用电源模块保障串口仪器及传感器正常工作的电源需要。通过提供多个串行通讯口来完成与多种观测仪器通讯的对接，通过提供多组4～20MA接线端口可以接入模拟量传感器。此外还提供了多个与工作状态相关的指示灯确保掌握各仪器工作状态。本发明中的数据处理和通讯方式与传统方式的对比如表1所示
表1数据处理和通讯方式的差异对比
对比 串口 存储 远程传输 实时监控 位置定位 扩展接口
传统方式 1个 硬盘 无 无 无 无
本发明 4个 TF卡 有 有 有 有
本发明的重点是为使得多种野外观测仪器便于接入仪器箱，采用了串口协议转换模块，通过对此模块编程可简化和规范各种仪器的数据格式，变得更加适合本地数据存储和查询，更加适合数据报文的远程发送，使得不同仪器的数据都可以被数据测量采集传输仪接收和存储，使得本发明中的仪器可以接入测量仪器的数量和种类不受限制，可根据环境和测量的需求，灵活的选择需要采用的仪器种类和数量，将野外工作变得更加有效和轻松。此外通过内置的环境温湿度传感器和GPS位置信息传感器等信息，将仪器的运行时间、地点和环境状态都及时掌握。通过内部的电源管理功能确保备用电源等模块正常工作，并通过内置GPRS和CDMA数传模块进行实时数据的网络传输。
本发明提供的移动站数据采集箱包括：箱体、通讯串口模块、串口协议转换模块、GPS定位模块、数据采集与存储模块、IO控制输出模块、软件管理模块、远程通讯模块、USB模块、环境参数采集模块、备用电源模块；
其中，箱体用于携带仪器及配件，提供安全保护、提供串口通讯接口、传感器接口、固定电源模块和装载配件的容器使用，具有一定的防水能力，保护单片机电路板，存储设备的安全。
通讯串口模块用于接入各种串口仪器或串口传感器，并将传感器串口测得的数据输送至串口协议转换模块和数据测量与存储模块，具有可调的通讯波特率，能够适应仪器在不同通讯波特率下工作，还可以自主设置数据采集频率，起到串口设备通讯接口匹配和减轻主控CPU数据处理负担的作用。
GPS定位模块用于对箱体的位置进行实时地定位，通过串口采集GPS定位模块的NMEA0183格式数据并将位置信息发送至串口协议转换模块和数据测量和数据存储模块
数据采集与存储模块用于进行数据采集、读取以及存储数据到内存IC和TF卡的工作，数据采集包括模拟量传感器数据采集和串口协议转换模块的数据，存储模块是将数据指定存储到内存IC和TF卡上，模块根据时间和数据来源的不同，分类将数据存储到不同类型数据的区域或介质，以便日后分类查询。
软件管理模块用于对各个功能模块进行分时、分工、协议处理、中断处理等工作，是各个功能模块协调工作的管理者，通过程序制定规则，保障各个模块间合理配合，有序工作。
远程通讯模块用于将实时采集数据定时传输到远程网络监控软件上，同时可以将远程指令下发给软件管理模块执行，远程通讯模块分为GPRS和CDMA2种，配备2块数传模块的目的是保障数据可靠传输。实际上2块数传模块并不是同时工作的，而是通过软件管理模块判断网络条件优劣，智能的选择网络信号好的网络作为数据传输通道，进行数据远程传输工作。数据是通过RS485总线传输给远程通讯模块的，传输过程数据是“透明传输”，传输的目标IP和端口可根据需要进行设置。
USB模块用于读取内存数据并作为本地数据通讯端口，当有U盘插入时，将TF卡数据以文件的方式导出数据到U盘上；由于TF被内置于数据测量采集传输仪的内部不方便取出(防止丢失或遗忘插回影响测量)，提供了U盘读取数据的功能，只要将U盘插入模块，即可以将数据导入到U盘，方便了测量数据的读取。
备用电源模块用于在主电源未用时，提供给各个模块供电的能力。
串口协议转换模块用于各种不同串口仪器数据的协议转换，起到区分数据类型的作用，为保存数据提供协议特征。串口协议转换模块主要原理是将接收的各个串口数据依据串口的不同人为的加上代表数据来源和自定义的仪器名称编号，使得数据本身具有了可区分的属性，这样即使一次使用多台相同的测量仪器，依然可以区分数据的特点，在实际应用中，对数据的存储、查询都提供了便利。
便携式可定位的多接口数据测量采集传输仪的主要功能包括：可接入多种指定仪器设备(日后可以根据需要自由扩展)，可接入多组通用的4～20mA传感器，可提供接入GPS或北斗定位模块作为位置参考，能够将所有采集数据存储到内存芯片和TF卡中作为记录仪使用，可以将各种测量仪器和传感器数据以GPRS/CDMA无线通信网络传输到远程平台系统。
软件管理模块通过主控CPU对各个功能模块的外设进行管理，结合CPU自身的时间逻辑、看门狗设计、串口通讯、内存读写、温度检测、数据采集、IO控制等合理设计，实现对仪器的有效管理。
主控板CPU包括4个串行通讯接口、1个USB接口、1个TF卡接口、1个RS485接口、1路温湿度接口、3路16位模拟量输入接口、2路继电器输出接口、2路DI输入接口、多个状态指示灯、电源控制逻辑接口。同时还有硬件看门狗、32M内存接口、RTC时钟接口以及检测电源及电池电压的电路等。
主控板CPU是程序运行和个模块管理的核心，不但负责各串口数据的采集、传感器数据采集、开关量信号输出和读取、存储、网络发送等工作，还需要管理电源、网络信号判断、历史数据补传、USB数据导出等工作，各个任务都具有严密的逻辑和组织结构才能胜任。
不同的仪器使用的串口波特率有可能不一样，同时在测量时因为数据重要性不同需要的数据频率不同，都可以通过通讯串口模块进行设置，这样起到数据过滤的作用，减轻数采仪主控CPU的工作压力。
串口协议转换模块在收到串口数据和GPS数据后，会依据设置的标识(设备类型/名称/ID等)将位置信息和测量数据重新组合成自定义格式的一帧新数据交由CPU处理。
当数据采集与存储模块检测到外部传感器和环境温湿度传感器数据后，等待有效的串口协议转换模块来的测量数据到来后一并经呼叫存储模块存储到内存或TF卡中，实际操作中，内存和TF卡分别用于保存实时数据和定时保存文件时使用。
当远程通讯模块接收到数据后通过GPRS或CDMA网络与远程在线监控软件建立TCP/IP链接，并将数据发送到软件。在实际应用中，只有一种远传模块在工作，受使用地点的网络信号强度影响，如果CDMA(默认)网络无效，将启用GPRS远传模块工作，以保证数据传输畅通，同时远程在线监控软件与GPRS/CDMA模块有保持链接畅通的机制确保数据可以被准确送达。
实施例1：本发明可被用于河口海岸研究的现场走航观测，通过本发明提供的多个接入串口，使用本发明进行实时的多设备数据获取。通过接入全球定位信号(GPS)，获得数据采集确切经纬度信息；接入多普勒流速剖面仪(ADCP)，获得观测水域的分层流速、流向数据；接入光学后向散射仪(OBS)，获取观测水域温、盐、浊度等多参数的剖面或走航数据；此外通过预留的模拟传感器接入端，适应现场走航观测中多参数观测扩展定制功能。通过本发明内置的数据传输模块，本发明系统在现场采集的数据能够及时有效的被传输到实验室接收终端，科研团队能够通过现场回传的数据，及时分析改进现场观测计划，大大改进野外观测的数据质量。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种便携式可定位的多接口数据测量采集传输仪，其特征在于，包括：箱体，还包括模块：通讯串口模块、串口协议转换模块、GPS定位模块、数据采集与存储模块、软件管理模块、远程通讯模块、USB模块、环境参数采集模块；
-所述箱体用于安装及携带各个模块及所述各个模块的配件；
-所述通讯串口模块用于接入各种串口仪器或串口传感器，并将传感器串口测得的数据输送至串口协议转换模块和数据采集与存储模块；
-所述串口协议转换模块用于各种不同串口仪器数据的协议转换，区分不同的数据类型，为保存的数据提供协议特征；
-所述GPS定位模块对箱体的位置进行实时地定位，并保存箱体采集数据时的位置信息；
-所述数据采集与存储模块用于进行数据采集、读取以及将数据存储到内存IC和TF卡上；
-所述软件管理模块用于对各个模块进行分时、分工、协议处理、中断处理；
-所述远程通讯模块用于将实时采集数据定时传输到远程网络监控软件上，并且根据远程网络的控制指令执行相应的操作；
-所述USB模块用于读取内存数据，并作为本地数据通讯端口。
2.根据权利要求1所述的便携式可定位的多接口数据测量采集传输仪，其特征在于，还包括备用电源模块，所述备用电源在主电源未用或者无主电源供电的情况下给各个模块提供电能。
3.根据权利要求1所述的便携式可定位的多接口数据测量采集传输仪，其特征在于，所述串口协议转换模块将通讯串口模块传输的不同数据依据串口的不同添加入代表数据来源的信息和自定义的仪器名称编号，使得数据本身具备可区分的属性。
4.根据权利要求1所述的便携式可定位的多接口数据测量采集传输仪，其特征在于，所述远程通讯模块包括GPRS和CDMA模式，通过所述软件管理模块判断当前的网络条件，选择网络信号较好的网络作为数据传输通道，实现数据远程传输。
5.根据权利要求1所述的便携式可定位的多接口数据测量采集传输仪，其特征在于，所述软件管理模块通过主控CPU对各个模块的外设进行管理，结合CPU自身的时间逻辑设置有看门狗、串口通讯、内存读写、温度检测、数据采集、IO控制模块。
6.根据权利要求3所述的便携式可定位的多接口数据测量采集传输仪，其特征在于，串口协议转换模块在收到通讯串口模块发送的串口数据和GPS定位模块发送的GPS数据后，依据设置的区别标识将位置信息和测量数据重新组合成自定义格式的一帧新数据交由CPU处理，所述区分标识包括：设备类型、设备名称、设备ID。
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