王小紅 ，馬然， 曹煊， 張述偉， 吳寧， 曹璐， 張麗， 張?zhí)禊i

(山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266061)

【海洋科技與裝備】

基于MCGS的海洋生態(tài)環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

王小紅 ，馬然， 曹煊， 張述偉， 吳寧， 曹璐， 張麗， 張?zhí)禊i

(山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266061)

設(shè)計了基于MCGS組態(tài)軟件的海洋生態(tài)環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)軟件，結(jié)合營養(yǎng)鹽、多參數(shù)、海水總有機碳等傳感器的使用，實現(xiàn)了對水質(zhì)綜合參數(shù)、營養(yǎng)物質(zhì)、有機物等多項海洋生態(tài)參數(shù)的實時自動監(jiān)測，并通過DTU數(shù)據(jù)傳輸終端將數(shù)據(jù)實時傳送至用戶數(shù)據(jù)中心。該軟件采用模塊化設(shè)計，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，可移植性和可擴展性較強，界面生動清晰，用戶操作簡單，維護方便。實驗結(jié)果表明，該軟件運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)通信可靠，可用于海洋生態(tài)環(huán)境的實時監(jiān)測。

MCGS組態(tài)軟件；海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測；數(shù)據(jù)傳輸單元

Abstract∶In this study, a MCGS based software for the real-time monitoring system of the marine ecological environment was developed, and the sensors such as nutrient, multi-parameter, and total organic carbon (TOC) were used together to realize the real-time and automatic monitoring of marine ecological parameters such as integrated water quality parameters，seawater nutrients and organic matters. Through the DTU data transmission terminal, the monitoring data were transmitted to the user data center in real-time. This proposed software was designed based on the imbedded module and featured with stable and flexible data structure, strong portability and extensibility, friendly interface, simple operation, and convenient maintenance. The in-field demonstration results showed that the software worked stably with the reliable data communication, and it could be applied to real-time monitoring of the marine ecological environment.

Key words∶MCGS configuration software; marine eco-environmental monitoring; data transfer unit

當前，我國面臨著嚴峻的海洋環(huán)境問題和生態(tài)問題，赤潮、綠潮等生態(tài)災(zāi)害頻發(fā)，生境退化，生物多樣性降低，與民生關(guān)系密切的近岸海域尤其如此，因此，取得連續(xù)在線的海洋水質(zhì)綜合參數(shù)(pH、葉綠素、濁度、溫度、鹽度等)以及營養(yǎng)物質(zhì)(硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽、磷酸鹽、硅酸鹽、總氮和總磷等)、有機物(化學(xué)耗氧量、生物需氧量、總有機碳、多環(huán)芳烴等)、放射性物質(zhì)、水中溶解氣體等海洋生態(tài)環(huán)境參數(shù)，獲取海洋生態(tài)環(huán)境長期綜合觀測資料，客觀分析海洋生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀及動態(tài)變化趨勢，是海洋生態(tài)環(huán)境研究和保護的前提和基礎(chǔ)。目前，我國建設(shè)的100多個海洋環(huán)境監(jiān)測站多以水文、氣象觀測為主，沒有全面開展海洋生態(tài)環(huán)境觀測，其觀測潛能被嚴重浪費，面對日益嚴峻的海洋生態(tài)環(huán)境問題，不能提供足夠的數(shù)據(jù)支持，所使用的的監(jiān)測設(shè)備也嚴重依賴進口，不能完全適用于中國復(fù)雜的海洋環(huán)境監(jiān)測條件[1-3]。如何充分利用現(xiàn)有海洋站的基礎(chǔ)設(shè)施、觀測設(shè)備和保障條件，開展海洋站生態(tài)環(huán)境長期綜合觀測系統(tǒng)集成技術(shù)研究，研制穩(wěn)定可靠、自動、操作簡便、高度集成的海洋站生態(tài)環(huán)境長期綜合觀測系統(tǒng)，有效彌補現(xiàn)有海洋環(huán)境觀測體系在長期連續(xù)在線觀測方面的不足，對我國海洋環(huán)境保護和海洋生態(tài)科學(xué)研究具有深遠的意義。為此，本實驗室項目組研發(fā)了一套適用于中國海洋環(huán)境的實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于通用監(jiān)控系統(tǒng) (monitor and control generated system，MCGS)的上位機軟件設(shè)計開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)對多種海洋生態(tài)參數(shù)的實時在線數(shù)據(jù)監(jiān)測、顯示、保存和網(wǎng)絡(luò)傳輸。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1系統(tǒng)組成

本項目設(shè)計研發(fā)的海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，主要由海水采集和分配子系統(tǒng)、監(jiān)測傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集硬件子系統(tǒng)和上位機軟件子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)集成了溫度、鹽度、深度、濁度、溶解氧、葉綠素、pH、總有機碳、硅酸鹽、氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽、磷酸鹽等海水水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測參數(shù)，具有可靠性高、操作簡單、維護頻次低的特點。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)Fig.1 The overall structure of the system

1.1.1 海水采集和分配子系統(tǒng)

海水采集和分配子系統(tǒng)主要由采水模塊、水樣分配模塊和過濾模塊組成。采水和水樣分配模塊負責采集表層海水并將水樣分配到監(jiān)測傳感器子系統(tǒng)中，進行各項生態(tài)參數(shù)的監(jiān)測；過濾模塊主要由采水泵上固定的初級過濾網(wǎng)和口徑1 μm的二級營養(yǎng)鹽過濾器組成。

1.1.2 監(jiān)測傳感器子系統(tǒng)

監(jiān)測傳感器子系統(tǒng)主要由監(jiān)測各項生態(tài)參數(shù)的傳感器組成，現(xiàn)階段主要集成了用于監(jiān)測溫度、鹽度、深度、濁度、溶解氧、葉綠素和pH的多參數(shù)傳感器，用于監(jiān)測硅酸鹽、氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽和磷酸鹽的營養(yǎng)鹽傳感器和用于監(jiān)測海水總有機碳的TOC傳感器，同時系統(tǒng)為后續(xù)其他生態(tài)參數(shù)監(jiān)測用傳感器集成預(yù)留了接口，3個傳感器均采用12 V供電，RS232通用接口通信，檢測范圍和準確度均達到國內(nèi)外先進水平。各監(jiān)測傳感器按照相應(yīng)的通信協(xié)議與上位機軟件進行通信，接收上位機軟件的指令進行各參數(shù)監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到上位機軟件，實現(xiàn)對各項海洋生態(tài)環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測。

1.1.3硬件主控子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集硬件子系統(tǒng)采用模塊化架構(gòu)和總線方式的設(shè)計思想，以嵌入式低功耗CPU為核心(主頻600 MHz)的高性能嵌入式一體化工控機TPC1561Hi作為核心主控系統(tǒng)，具有10路RS232/485串行接口、2路CAN總線通信接口、RJ45-10/100M Ethernet網(wǎng)絡(luò)接口、2路USB3.0接口等豐富的系統(tǒng)資源，主要負責系統(tǒng)和各監(jiān)測傳感器的供電和啟停、系統(tǒng)中各類泵閥器件的狀態(tài)控制，通過串口與監(jiān)測傳感器實現(xiàn)交互，采用Mod-bus協(xié)議，與上位機軟件進行數(shù)據(jù)傳輸和通信連接，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

1.1.4 上位機軟件子系統(tǒng)

上位機軟件主要由數(shù)據(jù)采集和處理模塊、圖形用戶顯示界面、參數(shù)配置模塊、流程控制模塊、數(shù)據(jù)保存模塊和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊組成，負責與硬件主控子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸和通信連接，采集、處理、顯示、保存和調(diào)用各項生態(tài)環(huán)境參數(shù)，并將監(jiān)測參數(shù)傳輸至用戶數(shù)據(jù)中心。

1.2系統(tǒng)工作原理

根據(jù)不同需求，軟件可設(shè)置系統(tǒng)為自動運行狀態(tài)和手動運行狀態(tài)，系統(tǒng)在兩種運行狀態(tài)下的工作原理相同：上位機根據(jù)系統(tǒng)流程設(shè)置向各個子系統(tǒng)發(fā)送泵閥控制指令和數(shù)據(jù)采集指令，各子系統(tǒng)收到控制指令后按照時序依次運行，分時對各監(jiān)測傳感器進行數(shù)據(jù)采集，然后把采集到的各傳感器數(shù)據(jù)實時上傳至上位機軟件，上位機軟件接收、處理、顯示和保存數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計

2.1軟件概述

上位機軟件是海洋環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)的智能核心，采用基于Windows系統(tǒng)的MCGS為開發(fā)平臺，MCGS能夠通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動畫顯示、流程控制、報警處理、報表輸出等多種方式解決實際工程問題，在自動化控制領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[4-6]。系統(tǒng)上位機軟件采用多線程技術(shù)，利用多層架構(gòu)和功能模塊化設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)對子系統(tǒng)的運行控制,子系統(tǒng)之間的交互通信,數(shù)據(jù)采集,分析和處理,數(shù)據(jù)圖形化顯示,數(shù)據(jù)庫存儲和歷史數(shù)據(jù)調(diào)用,對外數(shù)據(jù)通信等功能。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 海洋生態(tài)環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of marine ecological environment real-time monitoring system software

2.2軟件功能設(shè)計

2.2.1 軟件流程設(shè)計

軟件采用功能模塊化設(shè)計，分為TOC分析流程、多參數(shù)分析流程、營養(yǎng)鹽分析流程和化學(xué)清洗流程4個獨立流程，其中營養(yǎng)鹽分析流程又分為營養(yǎng)鹽前處理流程、5個營養(yǎng)鹽參數(shù)的單獨分析流程和營養(yǎng)鹽后處理流程，各流程均可實現(xiàn)自動化和手動控制運行。自動運行流程觸發(fā)采用時間掃描觸發(fā)方式，用戶可在時間設(shè)定界面設(shè)置每天各分析流程啟動時間，當?shù)竭_某分析流程設(shè)定時間即開始該流程；手動控制運行由各流程的觸發(fā)按鈕觸發(fā)。各分析流程觸發(fā)程序框圖如圖3所示。以營養(yǎng)鹽分析流程自動化運行為例，其運行流程圖如圖4所示。

圖3 分析流程觸發(fā)程序框圖Fig.3 Block diagram of analysis process triggers

圖4 營養(yǎng)鹽自動檢測分析流程圖Fig.4 Flowchart of automatic detection and analysis of nutrients

若系統(tǒng)中的泵閥、傳感器或軟件程序的任何部件或環(huán)節(jié)出現(xiàn)異?；蚬收?，當軟件在流程運行中檢測到之后，會立即執(zhí)行異常中斷流程，將系統(tǒng)中的海水排空后結(jié)束流程，并在流程運行狀態(tài)欄顯示異常報警信息，以便用戶和開發(fā)人員等及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常并對系統(tǒng)進行維護。

2.2.2 軟件通信設(shè)計

上位機軟件與用戶數(shù)據(jù)中心通過DTU(Data Transfer unit)實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡(luò)通信，DTU是專門用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)，通過GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)進行傳送的無線終端設(shè)備，該終端具備無需后臺計算機支持，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)接入穩(wěn)定且速度快、永遠在線等特點[7-10]，在氣象、地質(zhì)、水文水利相關(guān)工業(yè)監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。DTU大都將串口數(shù)據(jù)設(shè)計成“透明轉(zhuǎn)換”的方式，即可以將串口上的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP數(shù)據(jù)包進行傳送，而不需要改變原有的數(shù)據(jù)通信內(nèi)容。因此，DTU可以和各種使用串口通信的用戶設(shè)備進行連接，而且不需要對用戶設(shè)備作改動。

系統(tǒng)上位機軟件通過RS232串口與DTU終端通信，按照系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)據(jù)發(fā)送時間，將檢測所得海洋生態(tài)環(huán)境參數(shù)根據(jù)用戶要求的數(shù)據(jù)格式打包傳輸至DTU，DTU可以將串口上的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP數(shù)據(jù)包進行傳送，不需要改變原有的數(shù)據(jù)通信內(nèi)容。因此DTU接收數(shù)據(jù)后通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)封裝成TCP/IP格式的數(shù)據(jù)包，由GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至具有固定公網(wǎng)IP地址或固定域名的用戶數(shù)據(jù)中心，用戶數(shù)據(jù)中心可以直接讀取并分析檢測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對海洋生態(tài)環(huán)境綜合參數(shù)的遠程監(jiān)測和分析。DTU數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 DTU數(shù)據(jù)通信原理圖Fig.5 DTU data communication schematic

2.2.3 軟件界面設(shè)計

系統(tǒng)軟件界面主要包括主界面、參數(shù)設(shè)置界面和歷史數(shù)據(jù)界面等。主界面顯示各監(jiān)測參數(shù)的實時數(shù)據(jù)、各泵閥狀態(tài)、各分析流程的手動觸發(fā)按鈕和流程運行狀態(tài)，界面設(shè)計如圖6所示。參數(shù)設(shè)置界面主要包括各分析流程的手動控制和等間隔運行控制的選擇、元器件和各傳感器手動操作設(shè)置、自動運行狀態(tài)時流程觸發(fā)時間設(shè)定、系統(tǒng)強制重啟和手動結(jié)束等待等操作。歷史數(shù)據(jù)界面顯示各參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)曲線和表格，通過設(shè)置可顯示不同時間段、某個或某些參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)曲線和表格，也可以手動觸發(fā)保存，將所需的歷史數(shù)據(jù)另存到用戶指定路徑，界面設(shè)計如圖7所示。此軟件界面設(shè)計簡單直觀，操作方便，人機界面友好，便于用戶使用。

圖6 軟件主界面圖Fig.6 The main interface of the software

圖7 軟件歷史數(shù)據(jù)界面圖Fig.7 The historical data interface of the software

3 實驗結(jié)果

系統(tǒng)安裝在舟山海域潮位站，在2016年3月—8月進行了為期6個月的系統(tǒng)試運行實驗。在試運行期間，系統(tǒng)每天24 h連續(xù)運行，每月進行一次周期6—9 d的現(xiàn)場比對監(jiān)測實驗，具體實驗方法為：每天分多個時段，采集同一時間同一區(qū)域的海水，分別使用系統(tǒng)檢測和實驗室標準方法檢測，得到各參數(shù)的檢測數(shù)據(jù)。以2016年5月23日—31日為期9 d的比對監(jiān)測實驗為例，圖8～10分別為水質(zhì)綜合參數(shù)中的鹽度、溶解氧和營養(yǎng)物質(zhì)中的硅酸鹽的比對實驗結(jié)果。比對結(jié)果表明，該系統(tǒng)軟件能夠?qū)崟r準確地顯示、存儲和傳輸各項海洋生態(tài)環(huán)境參數(shù)，有良好的運行穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)準確度，故障率低，維護簡單方便，能夠很好地應(yīng)用于海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。

圖8 2016年5月23日—31日鹽度比對監(jiān)測實驗結(jié)果Fig.8 Site comparison test results of salinity in May 23—31, 2016

圖9 2016年5月23日—31日溶解氧比對監(jiān)測實驗結(jié)果Fig.9 Site comparison test results of dissolved oxygen in May 23—31, 2016

圖10 2016年5月23日—31日硅酸鹽比對監(jiān)測實驗結(jié)果Fig.10 Site comparison test results of SiO42- in May 23—31, 2016

4 結(jié)語

本文設(shè)計的海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，采用MCGS組態(tài)開發(fā)軟件，具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、靈活，通用性、可移植性和可擴展性好，界面生動清晰、用戶操作簡單等優(yōu)點。軟件數(shù)據(jù)采集控制靈活，可根據(jù)不同用戶實際需求進行設(shè)置，數(shù)據(jù)存儲和傳輸效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)實時數(shù)據(jù)的高效存儲和每日數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

同時，系統(tǒng)也存在一些不足，如軟件操作界面不夠美觀大方，流程異常中斷處理和中斷恢復(fù)處理不夠全面和完善等。因此，在保證和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，將逐步完善系統(tǒng)現(xiàn)存的不足，提高性能，使系統(tǒng)能更好地應(yīng)用和服務(wù)于海洋生態(tài)環(huán)境實時監(jiān)測領(lǐng)域。

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MCGS based software design for the real-time monitoring system of marine ecological environment

WANG Xiao-hong, MA Ran, CAO Xuan, ZHANG Shu-wei, WU Ning, CAO Lu, ZHANG Li, ZHANG Tian-peng

(Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environment Monitoring Technology, Institute of Oceanographic Instrumentation, Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266061, China)

TP311.52

A

1002-4026(2017)05-0001-07

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.05.001

2017-05-03

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC1400804，2016YFC1400803，2016YFC1400801)；國家自然科學(xué)基金(41206076)；山東省自然科學(xué)基金(ZR2014DM012，ZR2014YL006，ZR2016DM17)；山東省重點研發(fā)計劃(2015GGX103031)

王小紅(1989—)，女，研究實習(xí)員，碩士，研究方向為信號與信息處理、軟件研發(fā)設(shè)計。E-mail：wxh16@163.com