基于LabVIEW隊列狀態機的岸基海洋水質集成在線監測系統控制方法研究

哈 謙，程長闊，王雪瑩

（國家海洋技術中心，天津 300111）

基于LabVIEW隊列狀態機的岸基海洋水質集成在線監測系統控制方法研究

哈 謙，程長闊，王雪瑩

（國家海洋技術中心，天津 300111）

隨著經濟社會的發展，海洋環境監測受到越來越多的關注。針對當前海洋環境監測中，采用海洋水質集成在線監測系統，開展現場自動化監測的實際需求，以國家海洋技術中心自主研發的四參數水質儀、濁度傳感器和營養鹽自動分析儀為基礎，開發岸基海洋水質集成在線監測系統。按照海洋水質集成在線監測系統的總體工作順序，將工作流程劃分為多個狀態進行管理。應用LabVIEW編程語言，采用隊列狀態機，對各狀態進行合理安排，最終實現了岸基海洋水質集成在線監測系統工作流程的有序調度以及可靠控制。

隊列狀態機；流程控制；在線監測

目前海洋水質監測大多采用人工采樣、實驗室分析的方式，樣品采集、保存、運輸、分析檢測工作繁瑣，需要耗費大量的人力全程參與其中。岸基海洋水質集成在線監測系統能夠在線測量多種海洋水質參數，測量全過程自動化，無需人工干預，是對當前海洋水質監測方式的重要補充。

1 海洋水質集成在線監測系統總體結構

本文所述海洋水質集成在線監測系統以工控機為控制核心，集成國家海洋技術中心自主研發的四參數水質儀、濁度傳感器、營養鹽自動分析儀，可實現溫度、鹽度、pH、溶解氧、濁度、亞硝酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、硅酸鹽、磷酸鹽的自動測量，既能用于岸基站固定位置監測，也可以用于車載移動應急監測。系統各主要組成部分、功能、工作所需時間及通信/采集接口如表1所示。工控機與四參數水質儀、濁度傳感器、營養鹽自動分析儀、自動過濾器通過RS232端口連接，采用主從機制進行通信控制，其中工控機為主設備，水質儀/傳感器/分析儀/自動過濾器為從設備。工控機發送工作指令至水質儀/傳感器/分析儀，經過一定測量時間的等待，測量完成，工控機再分別發送讀取測量數據指令至水質儀/傳感器/分析儀，水質儀/傳感器/分析儀將測量數據回傳至工控機；工控機發送工作指令至自動過濾器，自動過濾器對海水樣品進行過濾，經過一定過濾時間的等待，自動過濾器工作完成。工控機通過擴展板卡的AD接口與液位計連接，采集進入海洋水質集成在線監測系統測量單元的海水液位信息。

表1 系統基本信息

海洋水質集成在線監測系統基本工作流程如圖1所示，首先系統進行必要的初始化工作，通過水泵將海水泵入，經過管路，進入測量單元，通過液位計檢測海水樣品的液位，待液位達到測量要求時，對上述10參數進行測量，測量完成后，記錄測量數據并顯示，將管路內的水樣排出，單次工作流程結束。

圖1 基本工作流程

2 LabVIEW程序設計模式及隊列狀態機

程序設計模式是指一些固定有用的程序結構模式，LavVIEW支持的程序設計模式很多，包括基于事件結構的人機界面（UIEvent Loop）、狀態機（State Machine）、主/從結構（Master/Slave）、生產者/消費者結構（Producer/Consumer）、隊列消息結構（Queued Message Handler）。狀態機是LabVIEW程序設計中最常使用的一種設計模式，可以清晰地實現狀態之間的轉移，常用于“決策”算法中，例如診斷、監測和控制等[1-3]。狀態機三要素包括：狀態（State）、事件（Event）和動作（Action）。

LabVIEW中的狀態機由一個while主循環和一個case結構組成，并利用移位寄存器來實現狀態的跳轉。while循環保證狀態機的連續運行；case結構的分支與系統的狀態(State)一一對應。即case結構的分支名稱對應著狀態名稱，分支里執行代碼的功能對應著狀態的行為(Action)；而case結構的條件變量與系統的事件(Event)相對應，引發狀態的變遷以及決定狀態遷移的方向[3-4]。

隊列狀態機是把將要執行的狀態排隊，然后把它們的狀態名存在隊列里，隊列里的狀態名與狀態機的各個狀態一一對應，用來控制狀態的轉換順序。執行了的狀態，其名稱會從隊列中刪除，同時根據運行時狀態的動作和碰到的事件，新的狀態名又會被添加到隊列中，或者將隊列中存儲的狀態名刪除掉[3-4，7]。隊列狀態機有多種不同的類型，本文主要參考Anthony Lukindo改進型隊列狀態機[6]，其結構如圖2所示。

從圖2中可以看出，該隊列狀態機由事件結構2、狀態結構3和并行運行的子程序4.1～4.3組成，并通過隊列引用1相互連接。1.1為獲取子程序(4.1～4.3)的狀態引用；1.2為通過Dequeue Element VI獲取隊列中的第一個元素，并從隊列中刪除該元素；1.3為通過Unbundle By Name VI獲得的狀態名和數據；1.4為獲得的狀態名與“EXIT”的比較，判斷是否停止循環，如果相同則停止循環；1.5為隊列管理(Queue Manager)子VI；2.1為前面板動作產生的指令，將所需跳轉至的狀態名添加到隊列中；3.4為case結構；3.5為程序代碼；3.6為下一個狀態[3-6]。

Anthony Lukindo改進型隊列狀態機在數據采集系統中具有廣泛的應用，合理分配并行子程序的工作任務，基于生產者/消費者架構，發揮并行運行的優勢，能夠同時完成數據的采集、分析以及顯示。在岸基海洋水質集成在線監測系統中，主要任務是完成工作流程的調度，且工作流程具有明確的先后順序，需要并行處理的任務不多，基于這樣的需求，實際應用中對該隊列狀態機結構進行了精簡，只采用隊列引用1、事件結構2、狀態結構3，其中事件結構2用于前面板人機交互處理，狀態結構3用于完成各狀態對應的動作，并通過下一個狀態3.6和隊列管理1.5控制狀態的跳轉，進而實現工作流程的控制。并行子程序4.1～4.3留作無線數據傳輸、定時操作等并行處理任務的擴展開發使用。

圖2 Anthony Lukindo隊列狀態機結構示意圖

3 工作狀態的劃分以及流程控制

按照岸基海洋水質集成在線監測系統的工作順序，并綜合考慮工作過程中某一階段需要完成的特定功能，將整個工作流程劃分為如下的狀態進行管理：初始化、海水進樣、檢測液位、發送四參數及濁度測量指令、讀取四參數及濁度測量數據、發送過濾指令、發送營養鹽測量指令、讀取營養鹽測量數據、數據記錄及顯示、延時等待、錯誤處理、停止。各狀態所對應的動作如表2所示，各狀態之間的跳轉關系如圖3所示。系統開始運行之后，首先進行必要的初始化工作，然后進入IDLE狀態，等待人機界面的“測量”指令；接到“測量”指令后，正常運行情況下將按照圖3所示跳轉關系進入每個狀態并完成相應的動作，滿足相應跳轉條件后，進入下一個狀態繼續執行。異常情況包括“錯誤處理”和“停止”兩個狀態，正常執行過程中如果發生錯誤，將進入“錯誤處理”進行必要的處理，而后轉入“停止”，完成端口關閉、釋放隊列引用等操作，結束工作；或者在正常執行過程中，由于特殊原因，需要立即停止，則人機界面發出“停止”指令，在執行完當前狀態的動作后，立即進入“停止”狀態進行處理。

表2 狀態劃分及其對應的動作

圖3 工作狀態跳轉圖

海水過濾、四參數及濁度測量和營養鹽測量過程中都需要等待一定的時間，如果通過單一狀態的延時操作來實現這一過程，由于不能及時處理隊列中的下一個狀態對應的操作，將阻塞對其他高優先級操作或事件的響應，因此將等待過程拆分為多個延時子過程來處理，即單一“延時等待”狀態實現較短時間的延時操作，隊列中多次寫入“延時等待”狀態名來實現較長時間的延時。在每次“延時等待”狀態名出隊列之前，排在隊列最前端的高優先級事件或操作對應的隊列狀態將率先得到響應，從而能夠避免高優先級操作或事件不能被及時處理的問題出現。

多次“延時等待”過程實際上是在進行單次延時和多次計數的處理，每次的延時時間是固定的，在進入“延時等待”之前的狀態需要執行寫入延時執行次數的操作，本系統的設計中采用移位寄存器來實現計數，即對用于計數的移位寄存器進行賦值，在之后每次“延時等待”操作執行時對移位寄存器的計數值進行遞減處理。以發送四參數及濁度測量指令之后的等待過程為例，該過程共需要等待6 s，單一“延時等待”操作實現100ms的延時，過濾等待過程通過調用60次“延時等待”操作實現6 s的累計延時時間，因此在“發送四參數及濁度測量指令”的操作中將移位寄存器計數值置為60，每次“延時等待”延時100 ms并將計數值減1，直至計數值為0，整個延時等待過程結束，進入“讀取四參數及濁度測量值”狀態進行處理。具體執行過程如圖4所示。營養鹽測量的等待過程采用類似方法處理，只是在“發送營養鹽測量指令”中設定移位寄存器計數值為6 000，從而在后續的延時過程中實現10min的累計延時等待時間。

圖4 測量等待過程的處理流程

4 試驗應用情況

2015年4 月-7月，采用上述隊列狀態機開發的岸基海洋水質集成在線監測系統，在天津市海洋局渤海海洋監測監視管理基地進行多次現場試驗，系統工作穩定，見圖5所示。

圖5 現場試驗

5 結論

本文根據岸基海洋水質集成在線監測系統的工作順序，將整個工作流程劃分為多個狀態，采用Anthony Lukindo隊列狀態機進行狀態的調度和管理，實現了岸基海洋水質集成在線監測系統工作流程的有序調度以及可靠控制，說明了該設計的合理性和可靠性。同時該隊列狀態機結構中并行子程序的存在，為將來相關并行處理功能的開發與擴展留有余地。

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Study on the Controlling Means of Shore-Based Seawater Quality Integrated Online Monitoring System Based on Queued State Machine with LabVIEW

HA Qian,CHENG Chang-kuo,WANG Xue-ying
National Ocean Technology Center,Tianjin 300111,China

Along with China's socio-economic development,the field of marine environmental monitoring has attracted increasing research attention.Tomeet the actual demand ofmarine environmentmonitoring,this paper adopts an integrated online seawatermonitoring system.On the basis of the 4-parameterwater quality instrument, turbidity sensor and automatic nutrient analyzer developed by the National Ocean Technology Center,this paper presents an integrated online system for monitoring offshore seawater quality.According to the overall working sequence of the monitoring system,the working process can be divided into several states for management. Through arranging every state in a proper way and using queued state machine as well as the LabVIEW programming language,orderly dispatchment and reliable control in the working flow can be realized for the online integrated shore-based seawatermonitoring system.

queued statemachine;process control;onlinemonitoring

TP311;X834

A

1003-2029（2017）01-0109-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.020

2015-08-24

海洋公益性行業科研專項資助項目(201405007)

哈謙（1984-），男，工程師，主要研究方向為海洋環境監測及系統集成。E-mail：hqnotc@163.com