陳中林，王寶珠，司慧民，郭志濤

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

0 引言

隨著經濟的發(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。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的過程中很有可能已經被污染，造成最終測量結果不準確。隨著計算機網絡與通信技術的不斷發(fā)展，我國普遍采用部署物聯(lián)網的方式，通過無線傳感器實時采集海洋數據。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絡，而是采用RS-232/485接口以及Modbus-RTU協(xié)議，大大增加了數據傳輸的效率和可靠性；利用工控機配合可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)完成多參數自動采集、數據分析和記錄，達到了遠程環(huán)境參數監(jiān)測的目的。

1 系統(tǒng)總體設計

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，大大節(jié)省了人力資源，具有較高的經濟價值和廣闊的應用前景。

系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖Fig.1 Overall system structure diagram

根據功能，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)境數據。

②數據采集系統(tǒng)和管理系統(tǒng)。系統(tǒng)會根據用戶參數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，自動采集數據并將數據上傳到系統(tǒng)。系統(tǒng)會進行數據解析，并將數據存儲到本地SQL Server數據庫，以實現自動化流程。

本文系統(tǒng)適用于對海洋環(huán)境系統(tǒng)數據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)測終端的數據接收和存儲，還可以對數據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、濁度等數值都是水質監(jiān)測中的重要參數，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力。這些參數所蘊含的信息會幫助工作人員快速掌握當前的海水水質。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，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備進行介紹。

2.1 水質檢測儀

海水水質檢測是海洋環(huán)境監(jiān)測的關鍵。系統(tǒng)將采用國外生產的水質儀與海洋技術中心自研水質儀進行對比。其中，國外水質儀采用美國SEABIRD公司生產的多參數水質儀，型號為WQM。該水質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，內部帶有時鐘并設定好工作間隔，每秒輸出1條數據[8]。在輸出測量數據前后，會有一些狀態(tài)數據輸出。系統(tǒng)采集到這些狀態(tài)數據后直接丟棄即可。國家海洋技術中心自研水質儀型號為CSS3。該水質儀采用RS-232接口，向設備發(fā)送工作指令后，設備在1 s內回復當前狀態(tài)，隨后在1 min內回復測量數據。

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)將采用國外生產的營養(yǎng)鹽分析儀與海洋技術中心自研營養(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。國家海洋技術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，向設備發(fā)送工作指令后，設備在1 s內回復當前狀態(tài)，并在工作45 min后回復測量數據。

2.3 其他傳感設備

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)軟件設計

3.1 主程序流程設計

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、數據采集、數據存儲、數據日志等自動化流程。程序啟動后，會進行程序初始化，以連接數據庫并讀取串口對應的設備信息和用戶設置的參數，并進行自動化配置。若連接數據庫失敗導致系統(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)會自動打開對應的串口，準備接收數據，同時啟動工作線程準備工作。當到達工作時間后，系統(tǒng)會發(fā)出采水指令，進行采水、分析數據、采集數據、解析并存儲數據、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。

3.2 監(jiān)測站與實驗站功能實現

監(jiān)測系統(tǒng)除了具有基本的數據采集、數據存儲功能外，還具有設備掉線報警功能。該功能具有高實時性以及準確性，設備掉線后1 s內即可被系統(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)約與設備進行通信。數據幀中包括地址碼、功能碼、數據碼、循環(huán)冗余校驗(cyclic redundancy check,CRC)位，以保證數據傳輸的準確性、可靠性[10]。

設備串口信息為PLC控制器(COM1)、CSS3傳感器(COM2)、電參數傳感器(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。界面中包括氣象數據、營養(yǎng)鹽數據、水質儀數據以及站房環(huán)境參數等模塊內容。系統(tǒng)顯示采用實時更新的方式。當系統(tǒng)完成對應數據的采集后，會及時更新頁面，顯示最近1次存入的數據，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)采用設置對應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內部標志位“M500”設置為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、分析儀等圖標實現設備的啟停控制。

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)參數存儲到本地數據庫，并通過重啟從數據庫中讀取上次的參數配置，從而實現系統(tǒng)狀態(tài)保護。

3.2.2 實驗站功能

實驗站主要用于進行設備間的對比試驗。通過設備間的數據對比，可以判斷設備的測量結果是否準確。

實驗站具有設備管理功能，能進行設備的添加、修改并查看當前設備信息。實驗站的每個串口接入的設備都是隨機的。為了接入更多的設備，系統(tǒng)將串口數量擴展到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。用戶只需設置開始工作時間、工作間隔等系統(tǒng)參數。當到達設定的工作時間后，系統(tǒng)會按照采水、分析、同化、清洗的流程實現自動化工作，同時根據設定的工作間隔自動計算出下次工作時間并更新至數據庫。

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時，系統(tǒng)會進行重發(fā)；若重發(fā)之后仍沒有收到回復，系統(tǒng)則會提示設備故障，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 數據庫設計

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

數據庫中包括設備表、氣象表、營養(yǎng)鹽表、參數表、狀態(tài)表以及水質儀表，用于存儲設備的信息以及鹽度、pH、溶解氧等環(huán)境參數。

數據庫結構如圖4所示。

圖4 數據庫結構圖Fig.4 Database structure diagram

在數據庫的支持下，系統(tǒng)具有查詢和刪除歷史數據功能，并支持查看數據曲線和將數據導出到Excel，以便用戶管理實時數據。

4 自動化工作流程測試

測試過程中，系統(tǒng)接入設備信息如表1所示。

表1 系統(tǒng)接入設備信息

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

①當到達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)會進行數據的分析。分析時間由系統(tǒng)參數中設定的營養(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)會進行數據的采集，并將采集的數據進行解析并顯示，同時將解析后的數據存儲到本地SQL Server數據庫。

④數據采集完成后，系統(tǒng)會發(fā)送清洗指令，進行管道的同化、排空和清洗。清洗時間由設置的系統(tǒng)參數決定。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，可以得到部分數據的查詢結果。

數據查詢結果如表2所示。

表2 數據查詢結果

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

5 結論

本文設計了海洋環(huán)境多參數在線傳感系統(tǒng)的整體設計方案,將系統(tǒng)分為傳感器層與數據采集及管理層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，設計了可擴展參數的數據庫結構， 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。所設計的海洋環(huán)境多參數在線傳感系統(tǒng)實現了實時監(jiān)測海洋環(huán)境的功能，有效提高了海洋水質環(huán)境的監(jiān)測效率，豐富了海洋科學研究方法，有很高的實用價值。