海洋環(huán)境多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陳中林，王寶珠，司慧民，郭志濤

(1.河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300401；2.國家海洋技術(shù)中心，天津 300000)

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，世界各國對能源的需求越來越大。石油、煤、天然氣等不可再生的礦產(chǎn)資源在陸上的儲量日趨枯竭，而海洋中蘊含豐富的石油和天然氣資源。因此，全世界的目光都匯集在對海洋資源的開發(fā)和利用上[1]。

海洋觀測是認識、研究、開發(fā)、利用海洋的基礎(chǔ)。我國早期海洋監(jiān)測采用人工釆集海水樣品帶回實驗室分析的方法。該方法不但費時費力，而且樣品在釆集和運輸?shù)倪^程中很有可能已經(jīng)被污染，造成最終測量結(jié)果不準確。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的不斷發(fā)展，我國普遍采用部署物聯(lián)網(wǎng)的方式，通過無線傳感器實時采集海洋數(shù)據(jù)。但由于海洋范圍較廣且海上通信條件苛刻，無線方式難以保證較高的傳輸效率，并且專用的無線傳感器部署及維護成本較高，并不能滿足整體海洋環(huán)境監(jiān)測的要求[2-6]。

本文研發(fā)了1套可以實時在線監(jiān)測海洋環(huán)境的多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)不再單獨建立專用無線通信網(wǎng)絡(luò)，而是采用RS-232/485接口以及Modbus-RTU協(xié)議，大大增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃?；利用工控機配合可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)完成多參數(shù)自動采集、數(shù)據(jù)分析和記錄，達到了遠程環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

針對目前海洋監(jiān)測自動化比較困難并且費時費力的問題，系統(tǒng)從開始工作到最后清洗管道，全部流程都通過自動化控制，無需人工干預(yù)，大大節(jié)省了人力資源，具有較高的經(jīng)濟價值和廣闊的應(yīng)用前景。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall system structure diagram

根據(jù)功能，系統(tǒng)主要劃分為2個層次。

①傳感器部分。傳感器部分包括pH、溶解氧、鹽度、葉綠素、濁度以及溫度傳感器，負責獲取海水中的環(huán)境數(shù)據(jù)。

②數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和管理系統(tǒng)。系統(tǒng)會根據(jù)用戶參數(shù)自動計算出每次工作的工作時間。到達工作時間后，系統(tǒng)會自動向傳感器發(fā)出采集指令。傳感器接收到采集指令后，自動采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)。系統(tǒng)會進行數(shù)據(jù)解析，并將數(shù)據(jù)存儲到本地SQL Server數(shù)據(jù)庫，以實現(xiàn)自動化流程。

本文系統(tǒng)適用于對海洋環(huán)境系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理軟件的遠程自動化監(jiān)測，擁有良好的人機交互界面，不僅能完成監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)接收和存儲，還可以對數(shù)據(jù)進行有效的管理和發(fā)布，為海洋環(huán)境監(jiān)測工作提供了豐富的操作功能[7]。

2 傳感器部分

海水中的pH值、葉綠素、濁度等數(shù)值都是水質(zhì)監(jiān)測中的重要參數(shù)，能反映當前海水的活性、自凈能力以及污染程度等信息。而海水中的營養(yǎng)鹽則代表了當前海洋生物的生產(chǎn)力。這些參數(shù)所蘊含的信息會幫助工作人員快速掌握當前的海水水質(zhì)。同時，為了安全起見，系統(tǒng)也會采集監(jiān)測站房的電壓、電流以及溫濕度等參數(shù)，從而判斷當前監(jiān)測站房的環(huán)境。以下將對其中的幾種傳感設(shè)備進行介紹。

2.1 水質(zhì)檢測儀

海水水質(zhì)檢測是海洋環(huán)境監(jiān)測的關(guān)鍵。系統(tǒng)將采用國外生產(chǎn)的水質(zhì)儀與海洋技術(shù)中心自研水質(zhì)儀進行對比。其中，國外水質(zhì)儀采用美國SEABIRD公司生產(chǎn)的多參數(shù)水質(zhì)儀，型號為WQM。該水質(zhì)儀集合了葉綠素和濁度熒光探頭以及溫鹽深儀(conductance temperature depth,CTD)和溶解氧傳感器，采用RS-232接口，內(nèi)部帶有時鐘并設(shè)定好工作間隔，每秒輸出1條數(shù)據(jù)[8]。在輸出測量數(shù)據(jù)前后，會有一些狀態(tài)數(shù)據(jù)輸出。系統(tǒng)采集到這些狀態(tài)數(shù)據(jù)后直接丟棄即可。國家海洋技術(shù)中心自研水質(zhì)儀型號為CSS3。該水質(zhì)儀采用RS-232接口，向設(shè)備發(fā)送工作指令后，設(shè)備在1 s內(nèi)回復(fù)當前狀態(tài)，隨后在1 min內(nèi)回復(fù)測量數(shù)據(jù)。

2.2 營養(yǎng)鹽分析儀

海水中營養(yǎng)鹽檢測是海洋環(huán)境監(jiān)測的重要部分。系統(tǒng)將采用國外生產(chǎn)的營養(yǎng)鹽分析儀與海洋技術(shù)中心自研營養(yǎng)鹽分析儀進行對比。其中，國外營養(yǎng)鹽分析儀采用意大利SYSTEA公司的營養(yǎng)鹽分析儀，型號為WIZ。該分析儀采用化學(xué)分析法，主要用于測量氨氮、正磷酸鹽、亞硝酸鹽和硝酸鹽這4個參數(shù)。國家海洋技術(shù)中心自研分析儀的型號為HYC5-1。2種分析儀均采用RS-232接口，向設(shè)備發(fā)送工作指令后，設(shè)備在1 s內(nèi)回復(fù)當前狀態(tài)，并在工作45 min后回復(fù)測量數(shù)據(jù)。

2.3 其他傳感設(shè)備

為了保證監(jiān)測站房的安全，采集站房的狀態(tài)信息也非常重要。系統(tǒng)主要采集參數(shù)為站房的溫/濕度、電壓。

系統(tǒng)采用液晶溫濕度變送器。該變送器帶有液晶顯示功能，能實時顯示溫濕度。該設(shè)備采用標準Modbus-RTU通信協(xié)議，RS-485信號輸出。為防止監(jiān)測站電壓波動以及停電故障，工控系統(tǒng)采用不間斷電源(uninturuptible power supply,UPS)進行供電，并對當前工作電壓和電流進行監(jiān)測。所采用的OHR-C200系列交流電壓/電流表可外接電壓、電流互感器的標準信號，或直接接入電流為5 A、電壓為500 V的交流信號，配備RS-232/485通信接口，支持標準Modbus-RTU通信協(xié)議，可帶欠壓和過載事件報警功能[9]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序流程設(shè)計

系統(tǒng)主程序流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.2 System main program flowchart

系統(tǒng)主要包括初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)日志等自動化流程。程序啟動后，會進行程序初始化，以連接數(shù)據(jù)庫并讀取串口對應(yīng)的設(shè)備信息和用戶設(shè)置的參數(shù)，并進行自動化配置。若連接數(shù)據(jù)庫失敗導(dǎo)致系統(tǒng)無法完成初始化，則系統(tǒng)會保存錯誤信息記錄日志，并直接退出程序。自動化配置完成后，系統(tǒng)會自動打開對應(yīng)的串口，準備接收數(shù)據(jù)，同時啟動工作線程準備工作。當?shù)竭_工作時間后，系統(tǒng)會發(fā)出采水指令，進行采水、分析數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)、解析并存儲數(shù)據(jù)、清洗等一系列自動化工作流程。以上流程完成后，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)，等待下次工作時間的到來。整個工作流程全部由系統(tǒng)自動進行，無需人工干預(yù)。

3.2 監(jiān)測站與實驗站功能實現(xiàn)

監(jiān)測系統(tǒng)除了具有基本的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲功能外，還具有設(shè)備掉線報警功能。該功能具有高實時性以及準確性，設(shè)備掉線后1 s內(nèi)即可被系統(tǒng)檢測到并發(fā)出報警，從而讓工作人員作出相應(yīng)處理。同時，系統(tǒng)每天都會保存一些重要信息并生成日志文件，以便工作人員查看。根據(jù)實際需求，系統(tǒng)分為監(jiān)測站與實驗站兩部分。

3.2.1 監(jiān)測站功能

監(jiān)測站主要用于監(jiān)測海洋環(huán)境。其中，每個串口接的設(shè)備都是確定的。工控機通過RS-232/485通信接口，采用Modbus-RTU通信規(guī)約與設(shè)備進行通信。數(shù)據(jù)幀中包括地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)碼、循環(huán)冗余校驗(cyclic redundancy check,CRC)位，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性、可靠性[10]。

設(shè)備串口信息為PLC控制器(COM1)、CSS3傳感器(COM2)、電參數(shù)傳感器(COM3)、溫濕度傳感器(COM4)、WIZ傳感器(COM5)、HYC5傳感器(COM6)。

監(jiān)測站界面可實時顯示閥門的當前狀態(tài)，并可手動控制閥門的開關(guān)。界面中包括氣象數(shù)據(jù)、營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)、水質(zhì)儀數(shù)據(jù)以及站房環(huán)境參數(shù)等模塊內(nèi)容。系統(tǒng)顯示采用實時更新的方式。當系統(tǒng)完成對應(yīng)數(shù)據(jù)的采集后，會及時更新頁面，顯示最近1次存入的數(shù)據(jù)，并更新下次的采集時間。

手動模式用于管理人員手動控制功能。系統(tǒng)采用設(shè)置對應(yīng)的標志位來改變手動和自動模式。用戶可以在主界面進行模式切換。當PLC內(nèi)部標志位“M500”設(shè)置為1時，系統(tǒng)將進入手動控制模式。在手動控制模式中，用戶可以通過操作界面查看圖中當前各個閥門的狀態(tài)以及水槽中水位的高低位置，并通過點擊閥門、水泵、分析儀等圖標實現(xiàn)設(shè)備的啟?？刂?。

此外，考慮到站房會有斷電的特殊情況發(fā)生，系統(tǒng)會將系統(tǒng)參數(shù)存儲到本地數(shù)據(jù)庫，并通過重啟從數(shù)據(jù)庫中讀取上次的參數(shù)配置，從而實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)保護。

3.2.2 實驗站功能

實驗站主要用于進行設(shè)備間的對比試驗。通過設(shè)備間的數(shù)據(jù)對比，可以判斷設(shè)備的測量結(jié)果是否準確。

實驗站具有設(shè)備管理功能，能進行設(shè)備的添加、修改并查看當前設(shè)備信息。實驗站的每個串口接入的設(shè)備都是隨機的。為了接入更多的設(shè)備，系統(tǒng)將串口數(shù)量擴展到16個。實驗站界面會實時顯示站房的溫濕度及電壓信息，具有采水、清洗、復(fù)位等功能，并且會實時顯示當前PLC的連接狀況，在PLC掉線時會及時報警。

3.3 系統(tǒng)自動化工作流程

系統(tǒng)自動化工作流程如圖3所示。

圖3 自動化工作流程圖Fig.3 Automation workflow diagram

系統(tǒng)工作可設(shè)置成自動模式和手動模式。

無人值守狀態(tài)下，系統(tǒng)采用自動模式。其中，自動化工作流程是系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)啟動后會開始1個工作線程。用戶只需設(shè)置開始工作時間、工作間隔等系統(tǒng)參數(shù)。當?shù)竭_設(shè)定的工作時間后，系統(tǒng)會按照采水、分析、同化、清洗的流程實現(xiàn)自動化工作，同時根據(jù)設(shè)定的工作間隔自動計算出下次工作時間并更新至數(shù)據(jù)庫。

系統(tǒng)具有重發(fā)機制。當發(fā)出采集指令而沒有收到回復(fù)時，系統(tǒng)會進行重發(fā)；若重發(fā)之后仍沒有收到回復(fù)，系統(tǒng)則會提示設(shè)備故障，同時將錯誤信息記錄到日志中，以便工作人員查看。

此次工作流程結(jié)束后，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)，等待下次工作時間的到來，從而保證系統(tǒng)能夠長時間進行自動化工作。

3.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)采用SQL Server搭建數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫是美國Microsoft公司推出的1種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，是1個可擴展的、高性能的、為分布式客戶機/服務(wù)器計算所設(shè)計的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[11]。

數(shù)據(jù)庫中包括設(shè)備表、氣象表、營養(yǎng)鹽表、參數(shù)表、狀態(tài)表以及水質(zhì)儀表，用于存儲設(shè)備的信息以及鹽度、pH、溶解氧等環(huán)境參數(shù)。

數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Database structure diagram

在數(shù)據(jù)庫的支持下，系統(tǒng)具有查詢和刪除歷史數(shù)據(jù)功能，并支持查看數(shù)據(jù)曲線和將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel，以便用戶管理實時數(shù)據(jù)。

4 自動化工作流程測試

測試過程中，系統(tǒng)接入設(shè)備信息如表1所示。

表1 系統(tǒng)接入設(shè)備信息

測試以設(shè)置開始工作時間為14∶00、工作間隔為10 min為例。當設(shè)置好系統(tǒng)工作參數(shù)后，系統(tǒng)進入自動化工作模式，無需人工干預(yù)。自動化工作流程如下。

①當?shù)竭_14∶00時，系統(tǒng)會彈出提示框提示開始工作并發(fā)出采水指令，同時系統(tǒng)狀態(tài)也由“待機”更新為“采水中”，并自動計算、顯示下次工作時間。

②采水完成后，系統(tǒng)會進行數(shù)據(jù)的分析。分析時間由系統(tǒng)參數(shù)中設(shè)定的營養(yǎng)鹽工作時長決定。同時，系統(tǒng)狀態(tài)由“采水中”變?yōu)椤胺治鲋小薄?/p>

③分析完成后系統(tǒng)會進行數(shù)據(jù)的采集，并將采集的數(shù)據(jù)進行解析并顯示，同時將解析后的數(shù)據(jù)存儲到本地SQL Server數(shù)據(jù)庫。

④數(shù)據(jù)采集完成后，系統(tǒng)會發(fā)送清洗指令，進行管道的同化、排空和清洗。清洗時間由設(shè)置的系統(tǒng)參數(shù)決定。同時，系統(tǒng)狀態(tài)由“分析中”變?yōu)椤扒逑粗小薄?/p>

⑤清洗完成后，系統(tǒng)回到待機狀態(tài)，等待下次工作時間的到來。

系統(tǒng)在無人看守狀態(tài)下自動工作72 h后，可以得到部分數(shù)據(jù)的查詢結(jié)果。

數(shù)據(jù)查詢結(jié)果如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)查詢結(jié)果

由表2可知，系統(tǒng)每10 min采集1次設(shè)備數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)解析以及入庫工作[12]。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了海洋環(huán)境多參數(shù)在線傳感系統(tǒng)的整體設(shè)計方案,將系統(tǒng)分為傳感器層與數(shù)據(jù)采集及管理層2個層次，介紹了系統(tǒng)的實驗站、監(jiān)測站功能以及系統(tǒng)的自動化工作流程，設(shè)計了可擴展參數(shù)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)， 并測試了系統(tǒng)的各個功能模塊。本系統(tǒng)自動化程度較高，可以節(jié)省大量人力資源。經(jīng)過實地測試，系統(tǒng)的通信穩(wěn)定性、通信效率以及自動化程度較高，并且具備長時間自動工作的能力，具有較高的可靠性。所設(shè)計的海洋環(huán)境多參數(shù)在線傳感系統(tǒng)實現(xiàn)了實時監(jiān)測海洋環(huán)境的功能，有效提高了海洋水質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測效率，豐富了海洋科學(xué)研究方法，有很高的實用價值。