基于UC7420芯片實(shí)現(xiàn)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們不斷把目光投向水利綜合自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，這一新課題已得到廣泛的研究，少部分水庫(kù)綜合自動(dòng)化經(jīng)過(guò)多年的研究和實(shí)踐，其可靠性、靈活性、快速性已得到一致的認(rèn)可。我國(guó)的中小型水庫(kù)多數(shù)分布在山區(qū)，并且絕大多數(shù)是土石壩，大壩失事的原因很多，涉及范圍也很廣，所以對(duì)大壩實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化已成為必然的要求。

1、 選擇UC7420的原因

首先，從水庫(kù)的環(huán)境出發(fā)，由于大壩的環(huán)境復(fù)雜性，山區(qū)的供電設(shè)施比較落后，每逢雷雨天氣，供電經(jīng)常中斷，還有大雪的天氣也不例外，加上我國(guó)近幾年都有電力供應(yīng)緊張的時(shí)段，對(duì)一些邊遠(yuǎn)山區(qū)進(jìn)行限電也時(shí)有發(fā)生。所以大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)因缺“糧”就失去了它應(yīng)有的活力。

其次，從UC7420的功能來(lái)說(shuō)，Moxa UC一7420采用IntellXP-422 XScak CPU，這款處理器是專(zhuān)門(mén)為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，所以它非常適合處理網(wǎng)絡(luò)傳輸。系統(tǒng)整體消耗電源非常低，只有12 W，UC74120已經(jīng)預(yù)裝Linux，這意味著用戶在開(kāi)發(fā)上可以省出大量的時(shí)間和精力，而不必再費(fèi)力的選擇操作系統(tǒng)?？傊酚善鞯闹圃煺呖梢杂肬C7420作為平臺(tái)很快的開(kāi)發(fā)出路由應(yīng)用。另一個(gè)重點(diǎn)是安全，特別是當(dāng)路由器把數(shù)據(jù)包從internet轉(zhuǎn)發(fā)到內(nèi)部局域網(wǎng)時(shí)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，UC7420支持用IP TabIe來(lái)架設(shè)防火墻，還有OpenSSL、OpenVPN、openSSH和IPSec。此外，硬件加密為更安全的通信打下良好的基礎(chǔ)。UC74120帶有2個(gè)支持PPPoE的網(wǎng)口，自帶的RS232口可以對(duì)UC7420進(jìn)行遠(yuǎn)程配置和當(dāng)網(wǎng)絡(luò)斷掉時(shí)可以通過(guò)它進(jìn)行配置和監(jiān)視。UC7420主要的功能之一就是可編程性，可以用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)特制的機(jī)器操作程序。例如，UC可以編程用于監(jiān)測(cè)采集水庫(kù)的各種重要數(shù)據(jù)。另外，UC7420的無(wú)風(fēng)扇、無(wú)硬盤(pán)設(shè)計(jì)，可提供更長(zhǎng)的不間斷工作時(shí)間，CF卡插槽可以擴(kuò)展到干兆級(jí)存儲(chǔ)空間，可編程能力給用戶提供無(wú)限可能。

2 、UC7420在大壩安全監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用

2.1 大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)介

大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為兩部分：一是監(jiān)控系統(tǒng)，二是管理系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)包括：自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、離線分析、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)查詢等。管理系統(tǒng)主要包括：查詢分析、二次處理、防洪調(diào)度、水情預(yù)報(bào)和報(bào)表輸出等。UC7420在大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中主要是取代了監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，其所采集的數(shù)據(jù)主要有：大壩測(cè)壓管水位、壩體滲流量、庫(kù)水位、雨量、大壩溫度等。

大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求其反映出大壩現(xiàn)狀情況。為確保數(shù)據(jù)采集不會(huì)因?yàn)橥ｋ姡筆C不能采集數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)丟失），失去監(jiān)測(cè)功能，利用UC7420嵌入式計(jì)算機(jī)，單獨(dú)蓄電池供電，即使現(xiàn)場(chǎng)因故停電，UC7420數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)也依然可以發(fā)揮它本有的功能，并且讓采集回來(lái)的數(shù)據(jù)暫時(shí)存放在UC7420上，待PC機(jī)取數(shù)。

2.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

下面以江西分宜縣彰湖水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，來(lái)說(shuō)明UC在大壩安全監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用，水庫(kù)有主壩與副壩，結(jié)構(gòu)如圖l所示。

圖1中，離線管理機(jī)通過(guò)COMl發(fā)送取數(shù)據(jù)指令到UC7420（主壩），當(dāng)UC7420收到取數(shù)據(jù)指令時(shí)，立即將存放在自身的數(shù)據(jù)全部發(fā)送到離線管理機(jī)，并清除保存在自身的全部數(shù)據(jù)；同時(shí)，通過(guò)COM2發(fā)送同樣的取數(shù)據(jù)指令到另一UC7420（副壩），當(dāng)副壩UC7420收到取數(shù)據(jù)指令，也完成與主壩UC7420同樣的操作。由于副壩距離水庫(kù)控制室較遠(yuǎn)（1 km外），所以COM2經(jīng)電臺(tái)與副壩的UC7420實(shí)現(xiàn)指令傳送和數(shù)據(jù)傳送。由于UC7420在整個(gè)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中是一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，結(jié)合圖1的結(jié)構(gòu)，下面深入說(shuō)明UC7420中的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。

圖1下半部分是UC7420數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。首先，UC7420定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，由研華模塊ADAM4520將其RS232信號(hào)轉(zhuǎn)變成RS485信號(hào)。由于考慮到系統(tǒng)的節(jié)能與設(shè)備壽命問(wèn)題，RS485信號(hào)再經(jīng)研華的AD—AM4050繼電器模塊來(lái)控制其他的電源與信號(hào)。系統(tǒng)工作時(shí)，先讓UC發(fā)送繼電器吸合指令，然后再發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令。具體流程如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每間隔1小時(shí)對(duì)大壩情況采集一次數(shù)據(jù)，并且將采集回來(lái)的數(shù)據(jù)暫時(shí)存放在UC7420上，高端軟件也是每間隔l小時(shí)發(fā)送一次取數(shù)據(jù)指令。當(dāng)UC7420收到高端的取數(shù)據(jù)指令時(shí)，將存放在自身的所有數(shù)據(jù)一起發(fā)送到離線管理機(jī)上，讓離線管理機(jī)進(jìn)一步處理分析。由于考慮到系統(tǒng)測(cè)試問(wèn)題，高端軟件也可以通過(guò)鼠標(biāo)或者鍵盤(pán)操作，發(fā)送一個(gè)手動(dòng)的數(shù)據(jù)采集測(cè)試指令，當(dāng)UC7420收到手動(dòng)測(cè)試指令時(shí)，UC7420立即對(duì)大壩情況進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，并且將所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給高端軟件，供觀察與分析。

UC7420在彰湖水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中已經(jīng)運(yùn)行了一年，系統(tǒng)運(yùn)作正常，為彰湖水庫(kù)的大壩安全提供了可靠的保證。但是，隨著信息化的推廣，大壩安全監(jiān)測(cè)應(yīng)主動(dòng)適應(yīng)時(shí)代要求，走向網(wǎng)絡(luò)化、智能化，采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)、Internet／Intranet技術(shù)，建立全地區(qū)，全省乃之于全國(guó)的大壩安全監(jiān)測(cè)信息網(wǎng)，這是時(shí)代要求，更是我們?cè)赨C基礎(chǔ)上即將開(kāi)始的下一目標(biāo)。

通過(guò)UC7420在彰湖水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，進(jìn)一步了解到UC7420不僅可傳送RS232信號(hào)，還支持RS485的信號(hào)傳輸，所以彰湖水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中所采用的研華ADAM4520信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊在今后的類(lèi)似開(kāi)發(fā)中可以省略，只需直接初始化串口為RS485信號(hào)，這樣既節(jié)省系統(tǒng)中的設(shè)備費(fèi)用，也減少了ADAM4520模塊設(shè)備的安裝。UC7420的網(wǎng)絡(luò)信息化，對(duì)于彰湖水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)空白，完善UC7420的網(wǎng)絡(luò)信息化，是在開(kāi)發(fā)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中需要彌補(bǔ)的一個(gè)漏洞。

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