孟祥卫 潘洪军 毕振波 王少华

[摘要]随着以海洋为基础的产业蓬勃发展，海洋环境的变化受到越来越多的关注。针对海洋环境监测工作的实际需要，设计了基于STM32开发板的一种海洋环境综合数据采集器。该采集器通过对多种传感器的数据采集获得海洋环境数据，并使用GPRS通信模块进行数据的传输。经过测试表明，其具有成本低、运行稳定、维护简单方便的他点，具有较大的应用价值和前景。

[关键词]海洋环境；STM32；传感器；GPRS

[中图分类号]TP368.2 [文献标识码]A

1 引言

随着海洋经济的不断发展，与海洋有关的科学和技术变得越来越重要。为了开发和利用海洋资源，我们必须首先了解海洋，全面监测海洋。海洋环境监测就是海洋环境数据的采集，其基本任务是获取温度、湿度、水温、风速、波浪等水文气象信息。经过几十年来的努力，国内的海洋环境数据采集设备已经取得了很大成果，但在数据采集、数据存储、网络通信方面还存在一些不足。针对这一状况，本文设计了一款海洋环境综合数据采集器，以STM32F407为核心搭载多种传感器进行数据采集，并通过GPRS模块将数据传输到上位机，方便数据分析存储。

2 总体设计

系统总体结构如图1所示。海洋环境综合数据采集器主要包括STM32F407芯片、GPRS模块、数据采集模块、存储模块等多个模块。

STM32F407处理器作为整个采集器的控制核心，负责完成数据传输、数据的多路采集、数据存储、人机交互等控制功能。首先，数据采集模块对传感器进行数据采集，并通过GPIO口把采集的数据传送到STM32芯片，并实时显示在LCD显示屏上。STM32控制模块通过GPRS通信模块与上位机联系，传输数据并接收上位机指令。当GPRS通讯模块出现故障时，将采集到的数据存储在存储模块，待故障排除后，恢复向上位机传输数据。加入LCD显示屏和键盘操作等人机互动功能有助于采集器的现场安装和调试方便，可以对采集器工作方式进行选择、对水文气象数据的报警值进行设定等。

3 系统硬件设计

3.1 stm32核心模块

STM32F407是基于ARMCortex-M4内核的32位闪存微控制器，其主频为168MHz，在此工作频率下其处理性能可达210DMIPS，且电流消耗低，具备较高性能的浮点运算和信号处理能力。其拥有I?C、CAN等通信接口。在开发过程中，采用STM32F407作为水文气象数据采集终端的控制核心，可以提高系统的稳定性和性能，可以减少设备部件的使用量，降低功耗和成本。

3.2 GPRS通讯模块

GPRS通信模块采用SIMCOM公司的SIM900A芯片，具有双频GSM/GPRS，该模块工作在DCS1800MHZ與EGSM900MHZ两个频段，支持CS-1、CS-2、CS-3和CS-4共四种编码格式，其出厂时默认内嵌TCP/IP协议，用户以通过扩展的标准指令集轻松的使用该模块进行基于上述协议的数据传输。

3.3 数据采集模块

3.3.1 传感器选择。数据采集模块主要依靠传感器的反馈信息来获得海洋环境的水文气象数据。故会用到水温、温度、波浪、湿度、风向风速等传感器，因此传感器的稳定性、耐腐蚀性、精确度等会直接影响整个系统的功能和成本。

以温湿度传感器为例，采用SHT15温湿度传感器，其能够将温度感测、湿度感测、变换信号、A/D转换等功能集成到一个芯片上。由于该款温湿度传感器具有精度高，可在水中测量等特点，完全满足海洋环境测量的功能要求。SHT15引脚图如图2。

3.3.2 总线设计。数据采集模块与传感器之间通过总线协议来联系，常用的通信协议有RS232、RS422、RS485和CAN总线等。

RS-232是现在市场上常用的串行通信接口之一。在其工作时通常使用三线制，发送数据线、接收数据线和地线。但由于RS232接口标准年代久远，有很多不足之处，如传输距离有限、传输速率较低等。与RS232相对比，CAN在传输的距离、总线利用率、错误检测机制等都有很大的优势。CAN控制器在CAN总线上有着至关重要的地位，其可以对总线出现的任何错误进行分析检测，当总线的错误多余128个，其就会自动闭锁，保护总线。在数据采集模块中连接传感器的基本方式选择RS232，传感器设备间的互联和传输数据则选择CAN总线，用来保证实时性和稳定性。

4 软件设计

上位机软件开发使用的编程语言是C#，易于系统扩展。其主要目的是方便用户简单快捷的使用，主要提供了终端命令控制、数据监测、数据分析等功能。用户可以通过上位机软件界面上面的图表进行实时监测环境数据和查询分析已有数据，并且通过发送命令调整终端现有的功能。

数据采集终端使用C语言作为开发编程语言。开发环境使用Keil公司的MDK-ARM集成开发平台，通过对STM32的固件库使用，终端软件主要集中于功能的实现，软件架构的设计，提高系统开发速度。以温湿度SHT15传感器为例，其温湿度数据采集的软件流程图如图3。

5 总结

本文重点介绍了基于STM32F407的海洋环境数据采集器的总体结构、硬件设计选择和软件设计流程，实现了对风向风速、水流、温湿度等水文气象数据的采集和实时监测，具有成本低廉、性能稳定，操作简单等特点。通过在实验室的运行测试，证实了该采集器能够有效的实现海洋环境数据的采集与监测，并且工作稳定可靠。当然通过对系统的简单修改，也可以灵活的应用于江河航道及其他领域的水文气象数据监测，帮助提供船舶航行运输的必要信息。

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