基于VC＋＋的海水營養(yǎng)鹽測試軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程巖，馬然，王洪亮，曹煊，曹璐

（山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266001）

*海洋科技與裝備專欄*

基于VC＋＋的海水營養(yǎng)鹽測試軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程巖，馬然，王洪亮，曹煊，曹璐

（山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266001）

基于VC＋＋平臺(tái)開發(fā)了海水營養(yǎng)鹽測試軟件系統(tǒng)，建立了相應(yīng)的系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能夠在軟件的運(yùn)行過程中，根據(jù)每種營養(yǎng)鹽的具體測試需要重新配置測試過程，系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)地執(zhí)行營養(yǎng)鹽的測試流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性，使測試更加靈活。

營養(yǎng)鹽；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；VC＋＋

目前，海水中營養(yǎng)鹽測定主要是根據(jù)海洋監(jiān)測規(guī)范［1］，采用基于調(diào)查船的現(xiàn)場采樣－實(shí)驗(yàn)室測定法。該方法存在實(shí)時(shí)性差，樣品易受污染，浪費(fèi)人力、物力，耗費(fèi)時(shí)間等缺點(diǎn)。同時(shí)，現(xiàn)場采樣－實(shí)驗(yàn)室測定法不能提供連續(xù)數(shù)據(jù)，且不易監(jiān)測到降雨、赤潮或綠潮爆發(fā)等水文或生態(tài)事件造成的營養(yǎng)鹽濃度急劇變化的情況。

流動(dòng)注射分析（Flow injection analysis，F(xiàn)IA）是由丹麥技術(shù)大學(xué)的J.Ruzicka等于1975年提出的，即在熱力學(xué)非平衡條件下，在液流中重現(xiàn)地處理試樣或試劑區(qū)帶的定量流動(dòng)分析技術(shù)［2－3］。本研究室根據(jù)該原理研發(fā)了一種YYY-001型海水營養(yǎng)鹽測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由硬件和軟件系統(tǒng)組成的，硬件部分負(fù)責(zé)執(zhí)行軟件的控制操作，采集數(shù)據(jù)并傳輸?shù)杰浖到y(tǒng)中［4］。硬件系統(tǒng)主要包括在線過濾裝置、自動(dòng)進(jìn)樣與反應(yīng)裝置和在線排污裝置，光源、微型光纖光譜儀和電子電路板以及海水樣品池、純水池、清洗液池、顯色試劑池和樣品混合池。電路系統(tǒng)三極管放大電路的輸入端接收到單片機(jī)的輸出端口的信號，推動(dòng)小型繼電器，然后用該繼電器的觸點(diǎn)來控制電磁閥。通過電磁閥的開關(guān)，以及泵的大小控制樣品、顯色劑和純水等進(jìn)入樣品池以及排污裝置。單片機(jī)通過串口連接計(jì)算機(jī)，進(jìn)行程序控制并提取數(shù)據(jù)［5］。

針對目前海水中營養(yǎng)鹽的測量不能根據(jù)測試環(huán)境的不同而改變營養(yǎng)鹽測試的流程的問題，YYY-001型海水營養(yǎng)鹽測試系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)基于VC＋＋平臺(tái)，建立了相應(yīng)的系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能夠在軟件的運(yùn)行過程中，根據(jù)每種營養(yǎng)鹽的具體測試需要，重新配置測試過程，系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)地執(zhí)行營養(yǎng)鹽的測試流程。能夠根據(jù)不同的測試環(huán)境提供連續(xù)的測量數(shù)據(jù)，可以降低對環(huán)境的依賴，為營養(yǎng)鹽測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)提供了一種新的開發(fā)方法。

1 總體設(shè)計(jì)

海水營養(yǎng)鹽測試系統(tǒng)的主要工作就是配置每種營養(yǎng)鹽的測試流程，并按照該設(shè)定的流程控制各個(gè)子系統(tǒng)來完成對海水中營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)的采集分析［6］。配置營養(yǎng)鹽流程模塊，用于配置整個(gè)測試過程所要進(jìn)行測試的營養(yǎng)鹽的種類以及每種營養(yǎng)鹽測試流程的執(zhí)行過程。配置的執(zhí)行過程包括控制電磁閥的開關(guān)，設(shè)置數(shù)據(jù)的起始和結(jié)束時(shí)刻；通過控制電磁閥的開關(guān)次序、間隔和持續(xù)時(shí)間，控制每種營養(yǎng)鹽測試的流程?；谝陨瞎δ埽覞M足系統(tǒng)穩(wěn)定要求的設(shè)計(jì)，其基礎(chǔ)是能夠兼容所有營養(yǎng)鹽控制信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)貫穿整個(gè)系統(tǒng)，被所有的子系統(tǒng)共用，是各個(gè)模塊的統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，可以通過配置模塊更改相應(yīng)的配置信息，并按照已經(jīng)設(shè)定的內(nèi)容進(jìn)行控制和采集操作［7］。

配置模塊根據(jù)系統(tǒng)的需要進(jìn)行增刪、改查以及更新操作等配置該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的信息。營養(yǎng)鹽的測試就是查找該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并執(zhí)行每種營養(yǎng)鹽的測試過程，該測試過程在軟件的運(yùn)行過程中可以由用戶根據(jù)實(shí)際情況的需要進(jìn)行更改。

營養(yǎng)鹽測試系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)串口連接測量儀器，達(dá)到控制并提取數(shù)據(jù)的目的。通訊的命令依據(jù)協(xié)議，每次包含測試營養(yǎng)鹽類型、控制電磁閥狀態(tài)等信息［8］。該測試系統(tǒng)適用于所有依照本協(xié)議的測試儀器。

該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的字段應(yīng)包括的信息為待測試的營養(yǎng)鹽的種類、營養(yǎng)鹽的類別、目前的測試是否需要執(zhí)行以及營養(yǎng)鹽測試所需要的流程。測試所經(jīng)歷的流程包括電磁閥的開關(guān)控制、泵的開關(guān)控制、泵轉(zhuǎn)速的大小和轉(zhuǎn)的方向控制、各種狀態(tài)燈的開關(guān)控制，以及這些操作的先后次序和彼此之間的間隔時(shí)間，同時(shí)還有采集數(shù)據(jù)時(shí)間段的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用VC＋＋開發(fā)，開發(fā)平臺(tái)是Windows XP操作系統(tǒng)。VC開發(fā)工具是一種面向?qū)ο蟮木幊滔到y(tǒng)，首先根據(jù)客戶需求抽象出業(yè)務(wù)對象；然后對需求進(jìn)行合理分層，構(gòu)建相對獨(dú)立的業(yè)務(wù)模塊；之后設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)邏輯，利用多態(tài)、繼承、封裝和抽象的編程思想，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)需求；最后通過整合各模塊，達(dá)到高內(nèi)聚、低耦合的效果，從而滿足客戶要求。

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

根據(jù)功能需求，該業(yè)務(wù)主要是記錄每種營養(yǎng)鹽的信息，完成營養(yǎng)鹽測試系統(tǒng)流程中的步驟以及每步所進(jìn)行的操作。所以該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義為三個(gè)，分別用三個(gè)類來表述，即流程類、事件類和條件類，見圖1。其中流程類記錄營養(yǎng)鹽的ID號、營養(yǎng)鹽的名字、是否執(zhí)行、以及在整個(gè)系統(tǒng)中序號。事件類記錄事件的ID號、事件的類型、觸發(fā)事件需要等待的時(shí)間、事件的描述信息以及是否進(jìn)行測量、測量的個(gè)數(shù)和采集數(shù)據(jù)的周期。條件類記錄條件的ID號、控制量位置和控制量的開關(guān)狀態(tài)。一個(gè)流程包含一個(gè)或若干個(gè)事件且這些事件有先后順序。一個(gè)事件由一個(gè)或若干個(gè)條件構(gòu)成，同時(shí)控制該事件所需要做的動(dòng)作［9］。

2.1.1 系統(tǒng)的執(zhí)行過程

系統(tǒng)用一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)組保存所有測量的營養(yǎng)鹽的測試流程，每個(gè)流程是流程類的一個(gè)對象，該流程類有三個(gè)元素屬性分別為流程ID號、名字和是否執(zhí)行。系統(tǒng)自動(dòng)測試每種營養(yǎng)鹽的過程，遍歷該動(dòng)態(tài)數(shù)組的所有元素，如果該元素的是否執(zhí)行屬性為真，對這一流程進(jìn)行測試，記錄該流程的ID號；執(zhí)行該流程ID對應(yīng)的流程操作，如果該流程執(zhí)行完，系統(tǒng)遍歷該動(dòng)態(tài)數(shù)組，找到首個(gè)比該流程ID號大的流程。

圖1 類的說明和類的關(guān)系圖Fig.1 Class statement andits relation diagram

2.1.2 流程的執(zhí)行過程

找到對應(yīng)該流程的動(dòng)態(tài)數(shù)組，用該動(dòng)態(tài)數(shù)組保存所有測量的營養(yǎng)鹽的事件，每個(gè)事件是事件類的一個(gè)對象，該事件類由事件的ID號、事件的類型、觸發(fā)事件需要等待的時(shí)間、事件的內(nèi)容，以及是否進(jìn)行測量、測量的個(gè)數(shù)和采集數(shù)據(jù)的周期組成。這些元素都是根據(jù)系統(tǒng)的需求來定義的，每個(gè)流程它們對應(yīng)的過程是不一樣的，根據(jù)它們不同點(diǎn)的特征來定義元素的屬性，屬性的個(gè)數(shù)也根據(jù)系統(tǒng)的需求來定義。遍歷該動(dòng)態(tài)數(shù)組，找到第一個(gè)事件，記錄事件的ID號，開啟定時(shí)器定時(shí)事件需要等待的時(shí)間，給儀器發(fā)送事件需要對應(yīng)的命令功能。命令的功能根據(jù)事件的內(nèi)容來定，該內(nèi)容是一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)組，由一個(gè)或多個(gè)條件組成。當(dāng)儀器返回該命令的操作后，遍歷事件的動(dòng)態(tài)數(shù)組，找到下個(gè)比該事件ID號大的事件［10］。

2.1.3 事件的執(zhí)行過程

找到事件對應(yīng)的動(dòng)態(tài)數(shù)組，該動(dòng)態(tài)數(shù)組的元素是條件類所對應(yīng)的對象，每個(gè)條件類的屬性有控制量的位置和對應(yīng)的狀態(tài)。遍歷該動(dòng)態(tài)數(shù)組，找到所有的元素，并設(shè)置好該事件所有進(jìn)行的操作，然后執(zhí)行事件。

2.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的配置

圖2 流程配置界面Fig.2 Process configuration interface

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的配置界面如圖2所示，通過該界面實(shí)現(xiàn)對流程、事件和條件三級數(shù)據(jù)的增刪改查。

（1）通過增加和刪除條件更新臨時(shí)條件類的對象的動(dòng)態(tài)數(shù)組。

（2）通過增加事件功能將臨時(shí)條件類的對象的動(dòng)態(tài)數(shù)組，組織成事件類對象，添加到臨時(shí)事件類對象的臨時(shí)數(shù)組中。（3）通過復(fù)制、剪切、刪除和保存事件，更改相應(yīng)的臨時(shí)事件對象的動(dòng)態(tài)數(shù)組，并顯示在事件列表框中。（4）通過編輯事件把當(dāng)前選中的事件，復(fù)制到臨時(shí)條件對象的動(dòng)態(tài)數(shù)組中，并顯示在條件列表框中。對條件的相關(guān)操作后，通過保存事件，更新到臨時(shí)事件類的對象的動(dòng)態(tài)數(shù)組中。

（5）通過復(fù)制、剪切、刪除和保存流程，更改所有流程類的對象的動(dòng)態(tài)數(shù)組，并更新流程下拉列表框中的內(nèi)容。

（6）通過編輯流程，把當(dāng)前選中的流程復(fù)制到臨時(shí)事件對象的動(dòng)態(tài)數(shù)組中，并顯示在事件列表框中。對事件的相關(guān)操作后，通過保存流程，更新到所有流程類的對象的動(dòng)態(tài)數(shù)組中。

（7）通過增加流程和保存流程功能將臨時(shí)事件類的對象的動(dòng)態(tài)數(shù)組，組織成流程類對象，添加到臨時(shí)流程類的對象的臨時(shí)數(shù)組中。

2.3 營養(yǎng)鹽系統(tǒng)的自動(dòng)檢測

圖3 自動(dòng)檢測流程圖Fig.3 Flowchart of automatic detection

系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，自動(dòng)檢測所有的待檢測的營養(yǎng)鹽，根據(jù)每種營養(yǎng)鹽設(shè)定的流程，通過串口控制儀器進(jìn)行操作，見圖3，具體操作如下。

（1）遍歷當(dāng)前配置動(dòng)態(tài)數(shù)組的每一個(gè)元素，如果該流程的執(zhí)行為真，遍歷該流程所有的事件，直到當(dāng)前配置動(dòng)態(tài)數(shù)組的最后一個(gè)元素為止。

（2）遍歷流程中某一個(gè)事件的所有條件，直到流程中最后一個(gè)事件為止。

（3）解析條件所需要進(jìn)行的操作，并執(zhí)行該操作。

（4）如果是時(shí)間間隔，啟動(dòng)定時(shí)器控制相應(yīng)等待的時(shí)間；如果是電磁閥和其他輔助電子元器件的控制，通過通訊端口發(fā)送相應(yīng)的命令；如果是采集數(shù)據(jù)，通過通訊端口發(fā)送命令，并接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

（5）待所有流程都檢測完畢，計(jì)算所有營養(yǎng)鹽的濃度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2014年上半年，應(yīng)用該系統(tǒng)測試海水中不同種類營養(yǎng)鹽的含量，連續(xù)測試3個(gè)月，在實(shí)驗(yàn)室和岸邊試驗(yàn)站分別實(shí)現(xiàn)了對連續(xù)數(shù)據(jù)的采集。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場環(huán)境的不同，通過設(shè)置采集數(shù)據(jù)的起始和結(jié)束時(shí)間點(diǎn)、泵速控制進(jìn)樣的速度以及在整個(gè)流程不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)、不同電磁閥的狀態(tài)來改變指示劑添加的量以及對樣品池沖洗、進(jìn)樣的時(shí)間，確定是添加的哪種樣品。如在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境下，泵速設(shè)置10～20 min－1，在岸邊試驗(yàn)站，泵速設(shè)置在70～80 min－1之間等。在測試的過程中，分別只添加1～10種營養(yǎng)鹽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，重新設(shè)置了以上的配置信息，達(dá)到了根據(jù)系統(tǒng)的要求來動(dòng)態(tài)改變測試的流程的目的，方便了系統(tǒng)的調(diào)試。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測最多9種海水中的營養(yǎng)鹽，每種營養(yǎng)鹽可以根據(jù)不同的原理，設(shè)置不同的流程進(jìn)行儀器的調(diào)試，如泵速、取樣時(shí)間段等。可以通過改變軟件系統(tǒng)中的配置來測試不同環(huán)境海水中的營養(yǎng)鹽含量，每種測試方法可以根據(jù)實(shí)際情況任意更改。在連續(xù)測試的3個(gè)月內(nèi)，反復(fù)地設(shè)置每種營養(yǎng)鹽的測量參數(shù)，均未造成系統(tǒng)的錯(cuò)誤，證明該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)滿足營養(yǎng)鹽的參數(shù)設(shè)置需求，并能夠輔助系統(tǒng)完成營養(yǎng)鹽的測試。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的海水中營養(yǎng)鹽測定系統(tǒng)可在不同環(huán)境下動(dòng)態(tài)地更改營養(yǎng)鹽的測試流程，通過串口數(shù)據(jù)線連續(xù)地采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)能夠靈活、安全可靠地工作，滿足了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)海水營養(yǎng)鹽測試系統(tǒng)的需求建立了一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的功能［11］。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)系統(tǒng)的需求建立了不同層次的類，類彼此之間的關(guān)系用動(dòng)態(tài)數(shù)組進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使用戶可以在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，動(dòng)態(tài)改變營養(yǎng)鹽測試的執(zhí)行過程，解決了營養(yǎng)鹽測試環(huán)境的不同或加入輔助試劑的不同，測試過程不一樣的問題，從而提高了系統(tǒng)的靈活性，是解決系統(tǒng)運(yùn)行過程中更改某些功能的一種方法。該方法能夠在不改變儀器水路或電路的前提下，通過靈活地更改營養(yǎng)鹽的配置，達(dá)到檢測的目的。經(jīng)過反復(fù)地對每種營養(yǎng)鹽的流程的更改，以及每個(gè)流程中事件或條件的更改，驗(yàn)證了該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是合理的，系統(tǒng)具有穩(wěn)定性。該方案存在的問題在于程序僅作為普通的應(yīng)用程序運(yùn)行在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)上，導(dǎo)致為完成整個(gè)測試，需要另外提供一臺(tái)計(jì)算機(jī)。下一步可以考慮采用嵌入式的開發(fā)環(huán)境，以節(jié)省測試的硬件成本。

［1］GB 17378-2007，海洋監(jiān)測規(guī)范第4部分：海水分析［S］.

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Design of VC＋＋based seawater nutrient salt test software system

CHENG Yan，MA Ran，WANG Hong-Iiang，CAO Xuan，CAO Lu
（Shandong Provincial Key Labo rato ry of Ocean Environmental Monitoring Technology；Institu te of Oceanographic Instrumen tation，Shandong Academy of Sciences，Qingdao 266001，China）

We developeda VC＋＋plat for mbasedseawater nutrient salt test software system．We also construc tedthe data struc ture of its systemsoftware．It couldreconfigure the test process basedon the specific test requirement of each nutrient salt，so the systemcoulddynamically performtest process．Experimental results show that the systemcan improve adap tability，and make the test process more flexible．

nutrient salt；data struc ture；Visual C＋＋

P734.4＋4；TP311

A

1002-4026（2014）05-0088-05

10.3976／j.issn.1002－4026.2014.05.016

2014-05-29

國家國際科技合作專項(xiàng)（2013DFR90220）；國家自然科學(xué)基金（41206076）；山東省博士基金（BS2013ZZ012）；科技成果轉(zhuǎn)化引導(dǎo)計(jì)劃（青年專項(xiàng)）（14-2-4-94-jch）

程巖（1979－），男，助理研究員，碩士，研究方向?yàn)楹Ｑ髢x器。