小型水下接驳盒数据采集与监控系统技术方案

本发明专利技术公开的小型水下接驳盒数据采集与监控系统，包括：电能转换板、环境监测电路、接驳电路、嵌入式控制板等。本发明专利技术以嵌入式控制板作为核心控制器，利用以太网实现水下接驳盒数据采集和岸基系统通信的功能；接驳盒与水下科学仪器通过串口进行数据通信；电能转换板中的电压转换电路对岸基的高压直流电源进行转换，并实时采集负载电压电流数据；环境监测电路采集接驳盒内温度、湿度、漏水信号；接驳电路控制接驳盒外部负载的电能通断并具有过流保护功能的故障保护电路；硬件电路具有三维分层空间布局。本发明专利技术设计的小型水下接驳盒数据采集与监控系统，采用模块化电路设计，具有体积小、功耗低、可靠性高、成本低的特点。

【技术实现步骤摘要】
小型水下接驳盒数据采集与监控系统
本专利技术涉及一种小型水下接驳盒数据采集与监控系统，属于水下观测网络应用领域，适用于小型流域水下观测网络的低成本小型化布局。
技术介绍
目前的水下观测网络接驳盒主要针对海洋等大型流域的深海观测，接驳盒设计体积大，成本高，自身功率消耗大，不适用于小型流域的应用。而近年来小型流域的观测应用逐渐普及与发展，要求接驳盒具有更小体积更低功耗设计。本专利技术使用嵌入式处理器，并采用模块化电路设计方法，能够减小接驳盒体积和成本，并降低系统功耗，有利于提高水下网络电能的利用率。接驳盒数据采集与监控系统采用温湿度、漏水传感器对接驳盒运行环境实时监控，电压电流的实时高精度采集与处理，实现接驳盒以及外部水下传感器的运行整体状态远程监控，及时预估故障并避免相关故障的发生。接驳盒硬件电路采用三维分层的布局方式以及接口的设计，提高硬件散热环境，大大缩小接驳盒体积，并提高了接驳盒硬件电路的维护调试的便利性，更加适用于小型化低成本的观测网络布置。本设计就是针对该技术背景而专利技术出适用于小型流域水下观测网络的小型水下接驳盒数据采集与监控系统。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对小型流域水下观测网络组建的要求，设计的一种基于嵌入式控制板的小型化与低成本化水下接驳盒数据采集与监控系统。为达到上诉目的，本专利技术拟采用的技术解决方案是：本专利技术包括将375V直流电压转换为24V、12V的隔离中压电能以及5V的低压电能的电能转换板，用于采集接驳盒腔体内温度、湿度、漏水信息的环境监测电路(包括如采集接驳盒腔体内温度的温度检测电路、采集腔体内湿度的湿度检测电路、采集腔体漏水情况的漏水检测电路)，控制负载(多种水下科学仪器)通断的接驳电路，集成有模拟输入和数字输入输出、串口及以太网通信功能的嵌入式控制板，二层交换机以及光电转换设备。所述的电能转换板与375V高压输入端连接，包括温度检测，湿度检测以及漏水检测的环境监测电路与电能转换板连接，电能转换板的中压输出与各接驳电路连接，中压电能通过接驳电路为水下科学仪器供电，电能转换板的所有信号与控制板连接，同时，控制板的信号与水下科学仪器连接，接驳盒的光输入与光电转换电路连接再通过二层交换机连接接驳盒内其他网络设备，包括ARM控制板以及使用网络通信的水下科学仪器。所述的控制板可以采用ARM嵌入式控制板，具有一个以太网接口，并与二层交换机通过网络双绞线连接，具有RS485接口和RS232接口与水下科学仪器连接，实现水下科学仪器与控制板之间的通信。模拟量输入与数字量输入是控制板的所有输入环境量数据，包括电压电流采样数据、温湿度数据、漏水数据以及过流故障数据，数字量输出包括接驳板的负载接驳控制、过流故障的复位信息。所述的接驳板电路包括继电器以及继电器驱动电路，负责负载的通断控制；输出负载的电流检测电路及其前端滤波电路，通过采样电阻的方式获得电流信号；电压检测电路通过分压电路的方式获得电压信号。过流检测及滤波电路实现接驳板的过流保护功能，所有的负载部分与信号的输入输出之间通过光电隔离来防止信号的干扰。所述的电能转换板采用VICOR的功率模块实现电能从375V到24V和12V的大功率转换，并集成电能的隔离功能，采用LM2576芯片实现12V到5V电压的转换。电能转换板集成有控制板的供电与通信接口，接驳板的供电控制信号接口以及环境传感器的驱动接口，规范硬件电路板之间的走线和连接。所述的电能转换板、用于安装接驳电路的接驳板和控制板，通过三维分层方式进行空间布局，电能转换板放置于底层，控制板置于中间层，接驳板置于控制板、电能转换板之上。本专利技术中水下接驳盒设计可连接若干路水下科学仪器设备，其中包含提供标准12V直流电源以及提供标准的24V直流电源的接口。水下接驳盒可通过串口或者网络的方式控制水下科学仪器运行并采集数据。网络通信的科学仪器设备与二层交换机连接，串口通信的科学仪器经过RS232接口或者RS485接口与控制板连接。水下接驳盒中的接驳板包含的过流检测电路与继电器驱动电路连接，当接驳板检测到过流故障时，过流检测电路在发送过流信号的同时，控制驱动电路将继电器断开连接，防止过流故障造成更大损失，提高了接驳板故障保护的实时性。本专利技术的有益效果是：本专利技术的小型水下接驳盒数据采集与监控系统中，采用如ARM嵌入式控制板自主设计通信接口和采样接口等外围电路，并对所有电路进行模块化设计，可极大的减小控制板体积、功率消耗以及成本，使其适用于小型流域。接驳盒监控系统通过温湿度传感器和漏水传感器，以及多路的电压电流采样电路，实时监控水下接驳盒的运行状态，保证接驳盒运行的稳定性。接驳板拥有过流保护功能，提供故障的隔离以及故障报警功能，提高接驳盒运行的可靠性。接驳盒内硬件电路采用三维分层布局设计，大大减小硬件电路占用的体积，如针对四路水下科学仪器设备，设置四块接驳板时，采用三维分层布局可使硬件电路占用空间仅为300mm*90mm*90mm，该设计可以最大程度的满足小型流域的监控系统需求，且同时可优化硬件电路的散热环境。接驳盒电能转换板采用接口化设计，提高接驳盒硬件电路调试和安装的便利性。附图说明图1是水下接驳盒数据采集与监控系统总体原理图。图2是接驳盒内接驳板原理图。图3是接驳盒ARM控制板接口原理图。图4是接驳盒内硬件电路布局图。图中：1电能转换板、2温度检测电路、3湿度检测电路、4漏水检测电路、5接驳电路、6外部科学仪器负载、7ARM嵌入式控制板、8二层交换机、9光电转换设备、10继电器、11滤波电路、12前端滤波电路、13分压电路、14继电器驱动电路、15过流检测电路、16电流检测电路、17电压检测电路、18光电隔离、19以太网接口、20RS485接口、21RS232接口、22JTAG接口、23数字量输出、24数字量输入、25模拟量输入。具体实施方法以下结合附图对本专利技术进行详细说明。参考图1，本专利技术的小型水下接驳盒数据采集与监控系统包括：将375V直流电压转换为24V、12V的隔离中压电能以及5V的低压电能的电能转换板，采集接驳盒腔体内温度的温度检测电路，采集腔体内湿度的湿度检测电路，采集腔体漏水情况的漏水检测电路，控制负载通断的接驳电路，外部科学仪器负载，ARM嵌入式控制板，二层交换机以及光电转换设备；375V的高压输入端与电能转换板连接，包括温度检测，湿度检测以及漏水检测的环境监测电路与电能转换板连接，电能转换板的中压输出与4个接驳板连接，中压电能通过接驳板为水下科学仪器供电，电能转换板的所有信号与ARM控制板连接，同时，ARM控制板的信号与水下科学仪器连接，接驳盒的光输入与光电转换电路连接，二层交换机连接接驳盒内其他网络设备，包括ARM控制板以及使用网络通信的水下科学仪器。本专利技术的小型水下接驳盒数据采集与监控系统，其工作流程为：岸基电源通过长距离电缆为接驳盒提供375V高压直流电源，经过接驳盒内的电能转换板转换为24V、12V、5V直流电源。其中，24V和12V直流电源通过接驳板的负载控制为接驳盒外的水下科学仪器供电，需要提供较大功率，使用VICOR的直流变压模块实现。5V电源为接驳盒内传感器、ARM控制板等低压设备使用，对电压的稳定性要求较高，使用LM2576电源芯片进行实现。岸基通信通过光纤与接驳盒连接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小型水下接驳盒数据采集与监控系统，其特征在于，包括：将375V直流电压转换为24V、12V的隔离中压电能以及5V的低压电能的电能转换板(1)，用于采集接驳盒腔体内温度、湿度、漏水信息的环境监测电路，用于控制水下科学仪器(6)通断的接驳电路(5)，集成有模拟输入和数字输入输出、串口及以太网通信功能的嵌入式控制板(7)，二层交换机(8)以及光电转换设备(9)；375V的高压输入端与电能转换板(1)连接，环境监测电路与电能转换板(1)连接，电能转换板(1)的中压输出与接驳电路(5)连接，中压电能通过接驳电路(5)为水下科学仪器(6)供电，电能转换板(1)的所有信号与控制板(7)连接，同时，控制板(7)的信号与水下科学仪器(6)连接，接驳盒的光输入与光电转换设备(9)连接后通过二层交换机(8)实现与控制板(8)以及水下科学仪器(6)的网络通信。

【技术特征摘要】
1.一种小型水下接驳盒数据采集与监控系统，其特征在于，包括：将375V直流电压转换为24V、12V的隔离中压电能以及5V的低压电能的电能转换板(1)，用于采集接驳盒腔体内温度、湿度、漏水信息的环境监测电路，用于控制水下科学仪器(6)通断的接驳电路(5)，集成有模拟输入和数字输入输出、串口及以太网通信功能的嵌入式控制板(7)，二层交换机(8)以及光电转换设备(9)；375V的高压输入端与电能转换板(1)连接，环境监测电路与电能转换板(1)连接，电能转换板(1)的中压输出与接驳电路(5)连接，中压电能通过接驳电路(5)为水下科学仪器(6)供电，电能转换板(1)的所有信号与控制板(7)连接，同时，控制板(7)的信号与水下科学仪器(6)连接，接驳盒的光输入与光电转换设备(9)连接后通过二层交换机(8)实现与控制板(8)以及水下科学仪器(6)的网络通信。2.根据权利要求1所描述的小型水下接驳盒数据采集与监控系统，其特征在于，所述的接驳电路(5)包括继电器(10)以及继电器的驱动电路(14)，输出负载的电流检测电路(16)及其前端滤波电路(12)，通过采样电阻的方式获得电流信号，电压检测电路(17)通过分压电路(13)的方式获得电压信号，过流检测电路(15)及滤波电路(11)实现接驳电路(5)的过流保护功能，所有的负载部分与信号的输入输出之间通过光电隔离(18)...

【专利技术属性】
技术研发人员：金波，郁新，杨灿军，李德骏，陈燕虎，张锋，蔡红旭，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33