基于云平臺(tái)的海洋水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

楊信志 賀鵬飛 馮巍巍 李彥杰 夏蒙

摘要：傳統(tǒng)海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)主要采用人工現(xiàn)場(chǎng)采樣和實(shí)驗(yàn)室儀器分析方法，時(shí)效性不足。通過(guò)對(duì)基于Python的端口監(jiān)聽技術(shù)、數(shù)據(jù)分析算法和服務(wù)器搭建模式進(jìn)行研究，應(yīng)用云平臺(tái)及云計(jì)算技術(shù)，完成了數(shù)據(jù)通信和服務(wù)器端上位機(jī)系統(tǒng)的搭建，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)獲取和分析，實(shí)現(xiàn)了海洋水質(zhì)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)預(yù)防海洋水質(zhì)污染具有積極作用。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)；服務(wù)器搭建；云計(jì)算；上位機(jī)

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2019）16-69-3

0引言

水是人類生活中的重要資源，對(duì)海洋、湖泊、水庫(kù)等水體進(jìn)行合理開發(fā)利用可直接影響到人類社會(huì)的發(fā)展[1]，因此，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)控是必不可少的。

當(dāng)前我國(guó)海洋水環(huán)境監(jiān)測(cè)上位機(jī)普遍未建立在服務(wù)器端，無(wú)法聯(lián)網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)，存在操作復(fù)雜、測(cè)量周期長(zhǎng)和測(cè)量步驟繁瑣等缺點(diǎn)[2]。同時(shí)現(xiàn)有的海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器采集參數(shù)多在下位機(jī)顯示，數(shù)據(jù)無(wú)法上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，無(wú)法實(shí)現(xiàn)通過(guò)手機(jī)APP或網(wǎng)頁(yè)查看測(cè)量參數(shù)和多地點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，智能化程度較低[3]。

針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一套基于云平臺(tái)的海洋水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)方案。通過(guò)對(duì)海洋水質(zhì)的各個(gè)重要指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)分析，設(shè)計(jì)了搭建在云平臺(tái)的服務(wù)器和后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)參量檢測(cè)、分析、處理、傳輸和預(yù)警，同時(shí)在網(wǎng)頁(yè)端實(shí)時(shí)獲取遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)從網(wǎng)頁(yè)或手機(jī)APP上遠(yuǎn)程檢測(cè)數(shù)據(jù)和控制測(cè)量開關(guān)，達(dá)到綜合治理海洋環(huán)境和防控海水污染的目的。

1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

海洋水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)的整體系統(tǒng)框架如圖1所示。

下位機(jī)包括傳感器及控制模組和通信模塊，本文采用的下位機(jī)是中科院海岸帶研究所設(shè)計(jì)的海水水質(zhì)在線檢測(cè)系統(tǒng)，如圖2所示。

上位機(jī)包括端口監(jiān)聽數(shù)據(jù)模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、服務(wù)器模塊、網(wǎng)頁(yè)模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和預(yù)測(cè)模型模塊，移動(dòng)通信模塊為上位機(jī)和下位機(jī)之間提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌贰?/p>

2海洋水質(zhì)在線檢測(cè)上位機(jī)系統(tǒng)方案

2.1系統(tǒng)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)上位機(jī)部署在服務(wù)器端，使用云服務(wù)器，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存更加安全，沒(méi)有斷電丟失數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)[4]，當(dāng)服務(wù)器運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試或重啟。服務(wù)器端上位機(jī)主要由端口監(jiān)聽設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)和網(wǎng)頁(yè)前端設(shè)計(jì)三部分構(gòu)成。

端口監(jiān)聽的主要功能是開啟本地服務(wù)器的一個(gè)端口，并將該端口上接收到的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。利用Python中的threading庫(kù)創(chuàng)建監(jiān)聽線程和socket庫(kù)進(jìn)行套接字的查詢，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示[5]。其中程序中reader類主要用于顯示端口接收到的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)格式化是通過(guò)運(yùn)行監(jiān)聽端口的數(shù)據(jù)格式化程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。下位機(jī)每次上傳一組傳感器采集的數(shù)據(jù)包括溫度、pH值、溶解氧、濁度、油量、電導(dǎo)、化學(xué)需氧量和硝酸根濃度。每次上位機(jī)端口接收到一組數(shù)據(jù)后，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行正則匹配后，加上時(shí)間戳，并按順序存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)聽和格式化寫入。

網(wǎng)頁(yè)前端實(shí)現(xiàn)的主要功能是實(shí)時(shí)顯示測(cè)量的各個(gè)參量值，并且畫出歷史數(shù)據(jù)的變化曲線，反應(yīng)各個(gè)參量的變化趨勢(shì)。為實(shí)現(xiàn)此基本功能，網(wǎng)頁(yè)前端選擇了實(shí)用的圖表插件Highchart.js作為核心程序[6]。Highchart.js實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)頁(yè)端的動(dòng)態(tài)交互性，支持動(dòng)態(tài)增加、修改、刪除數(shù)據(jù)列、數(shù)據(jù)點(diǎn)和坐標(biāo)軸操作等多種交互操作。

2.2系統(tǒng)上位機(jī)在阿里云上的部署

上位機(jī)在阿里云上的部署主要分為3個(gè)步驟：創(chuàng)建云服務(wù)器、部署Python環(huán)境和部署Apache。

2.2.1在阿里云平臺(tái)創(chuàng)建服務(wù)器

云服務(wù)器的基礎(chǔ)配置主要是選擇CPU、內(nèi)存等虛擬硬件和系統(tǒng)環(huán)境[7]。考慮到實(shí)驗(yàn)測(cè)試階段數(shù)據(jù)處理要求不高，選擇單核CPU，1 GB內(nèi)存，40 GB云盤存儲(chǔ)。系統(tǒng)鏡像選擇CentOS7.4 64位系統(tǒng)。在網(wǎng)絡(luò)和安全組設(shè)置時(shí)，選擇“分配公網(wǎng)IP”。在安全組規(guī)則中，新開一個(gè)9011端口，用于數(shù)據(jù)的傳輸。點(diǎn)擊遠(yuǎn)程連接，即可在瀏覽器端連接到服務(wù)器。

2.2.2在服務(wù)器部署Python環(huán)境

上位機(jī)設(shè)計(jì)中運(yùn)行的程序需要Python3.6的環(huán)境，因此需要在服務(wù)器部署Python環(huán)境[8]。將Python下載并解壓安裝，解壓安裝包并轉(zhuǎn)到解壓目錄下。安裝完成，還需將系統(tǒng)運(yùn)行Python的連接指向Python3.6。輸入檢查命令，確認(rèn)Python已成功部署到服務(wù)器上。

2.2.3在服務(wù)器部署Apache

通過(guò)yum指令安裝Apache程序，將Apache服務(wù)添加到開機(jī)自啟中[9]。打開瀏覽器輸入服務(wù)器的IP地址47.95.201.126。

Apache功能目錄及作用如表1所示，直接使用Securecrt，xshell等SSH軟件上傳網(wǎng)站文件至網(wǎng)站數(shù)據(jù)目錄文件夾下，即可讓客戶端瀏覽網(wǎng)頁(yè)。

3系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及結(jié)果分析

同一下位機(jī)系統(tǒng)分別在萊州和東營(yíng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，4月26～28日在東營(yíng)測(cè)試，5月4日在萊州測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)均正常運(yùn)轉(zhuǎn)。網(wǎng)頁(yè)端實(shí)時(shí)顯示了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的功能。受數(shù)據(jù)傳輸、程序運(yùn)行速度和網(wǎng)絡(luò)情況等方面的綜合影響，數(shù)據(jù)從下位機(jī)采集到顯示在網(wǎng)頁(yè)上存在30 s～1 min的時(shí)延。

通過(guò)測(cè)試可以看出，4月26日01：00：16東營(yíng)的化學(xué)需氧量含量為3.37 mg/L。5月4日12：00：20點(diǎn)萊州的COD含量為32.09 mg/L；在5月4日萊州測(cè)量的COD值與在4月26～28日東營(yíng)測(cè)得的相比有大幅上升，說(shuō)明萊州市水樣的有機(jī)物污染比東營(yíng)嚴(yán)重。

5月4日葉綠素含量比較低，說(shuō)明萊州市海水中藻類生物比東營(yíng)市少，產(chǎn)生赤潮可能性較小。另外，萊州市水樣中硝酸根含量比東營(yíng)市少，說(shuō)明萊州市海水中的硝酸鹽污染較輕。

綜上所述，可知萊州市海水污染主要為有機(jī)物污染，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)控制工廠廢水排放；導(dǎo)致東營(yíng)市水污染的因素更加多樣，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)海水中藻類進(jìn)行控制，同時(shí)注意減少氮類肥料的使用。

4結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)部署上位機(jī)海洋水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)可實(shí)時(shí)獲取采集數(shù)據(jù)的變化曲線效果圖。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于上位機(jī)完全部署在服務(wù)器上，監(jiān)測(cè)界面通過(guò)網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行顯示，無(wú)需安裝專門的客戶端，只需輸入網(wǎng)址即可獲取在線監(jiān)控效果圖，可以對(duì)海洋水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)，對(duì)預(yù)防海洋水質(zhì)污染具有積極作用。

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