一種重金屬檢測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

李承昊+孫永強(qiáng)

摘要：采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，在溶出伏安法檢測(cè)重金屬離子濃度技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)重金屬離子濃度檢測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)通過(guò)串口向數(shù)據(jù)采集站發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)重金屬離子濃度檢測(cè)系統(tǒng)的控制、用戶信息管理，并對(duì)含有金屬離子濃度信息的電流、電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、顯示和備份。實(shí)踐表明：軟件界面設(shè)計(jì)布局合理，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確無(wú)誤，整個(gè)上位機(jī)具有很好的人機(jī)交互效果。

關(guān)鍵詞：重金屬離子檢測(cè)；上位機(jī)軟件；人機(jī)交互；數(shù)據(jù)處理

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16749944（2017）22012603

1 引言

隨著改革開(kāi)放以來(lái)社會(huì)生產(chǎn)的快速發(fā)展，大量的工業(yè)污水、生活廢水與農(nóng)田用水等未經(jīng)處理便被隨意排放到江河湖海之中，對(duì)我國(guó)水體資源造成了嚴(yán)重的污染，已經(jīng)嚴(yán)重危害到人們?nèi)粘Ｉ畹陌踩吧a(chǎn)活動(dòng)。重金屬，特別是汞、隔、鉛、鉻等元素，大都具有顯著的生物毒性。由于它們?cè)谒w中不能被微生物降解，會(huì)通過(guò)生物鏈的富集作用成百上千倍地?cái)U(kuò)大。不僅會(huì)對(duì)人類造成危害，也會(huì)對(duì)其他生物產(chǎn)生滅頂之災(zāi)，甚至引起生物鏈的斷裂，對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)造成無(wú)法修復(fù)的損害[1]。

故設(shè)計(jì)一款方便快捷，人機(jī)友好的重金屬檢測(cè)上位機(jī)軟件系統(tǒng)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地處理、分析、顯示和備份具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 重金屬檢測(cè)系統(tǒng)概述

2.1 電化學(xué)法檢測(cè)原理

本課題所涉及的溶出伏安法檢測(cè)重金屬離子濃度的工作原理如圖1所示。該方法在通過(guò)硬件電路對(duì)工作電極施加指定的波形，使富集于工作電極上的重金屬離子再次發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而溶出。通過(guò)測(cè)量溶出時(shí)所產(chǎn)生的電流波形，根據(jù)波峰位置坐標(biāo)就可以斷定被測(cè)組分的濃度與種類[2]。其電壓-電流曲線如圖2所示。

圖中每一個(gè)波峰對(duì)應(yīng)一種重金屬離子，具體哪一種離子對(duì)應(yīng)于哪一個(gè)波峰需要通過(guò)每種重金屬離子的還原電壓來(lái)確定。

2.2 重金屬檢測(cè)系統(tǒng)概述

重金屬檢測(cè)系統(tǒng)由位于控制室內(nèi)的客戶端和位于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的若干數(shù)據(jù)采集站組成，二者之間通過(guò)通訊接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。

客戶端提供友好的監(jiān)控界面，用于發(fā)送用戶命令、監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)并顯示檢測(cè)結(jié)果；此外，客戶端還通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)存儲(chǔ)并管理客戶信息、歷史數(shù)據(jù)等；每個(gè)數(shù)據(jù)采集站通過(guò)子板上的插槽連接若干個(gè)傳感器（如電壓傳感器，電流傳感器等）和傳動(dòng)器（如電動(dòng)閥門和電動(dòng)水泵等），傳感器負(fù)責(zé)信息的收集，傳動(dòng)器負(fù)責(zé)完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的組成示意圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)工作主程序

軟件起動(dòng)后，在完成用戶身份驗(yàn)證之后，系統(tǒng)等待響應(yīng)用戶的各種操作，并判斷是否存在連接請(qǐng)求。當(dāng)用戶發(fā)送連接請(qǐng)求后，上位機(jī)系統(tǒng)向下位機(jī)系統(tǒng)發(fā)送握手信號(hào)，在收到回復(fù)信號(hào)后，點(diǎn)亮界面狀態(tài)指示燈。

在用戶發(fā)送控制命令后，下位機(jī)響應(yīng)工作命令執(zhí)行相應(yīng)的操作，并在采集結(jié)束后，向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。上位機(jī)在接收到數(shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行處理、顯示和存儲(chǔ)。

在收到退出登錄的請(qǐng)求后，立即向下位機(jī)發(fā)送斷開(kāi)命令，并將數(shù)據(jù)庫(kù)做備份處理。此后只有用戶再次進(jìn)行身份驗(yàn)證，否則上位機(jī)不再響應(yīng)用戶的其他操作。系統(tǒng)工作主程序如圖4所示。

4 上位機(jī)系統(tǒng)各功能模塊介紹

如圖5所示，根據(jù)上位機(jī)系統(tǒng)的功能需求，將上位機(jī)軟件系統(tǒng)分為：用戶信息管理模塊、數(shù)據(jù)處理與顯示模塊、參數(shù)輸入模塊，MFC串口通訊模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)接口模塊。各模塊的主要功能如下。

4.1 用戶信息管理模塊

用戶管理模塊功能是系統(tǒng)中必不可少的，提供僅用戶可進(jìn)行的一些權(quán)限操作，如用戶身份驗(yàn)證、系統(tǒng)更新、數(shù)據(jù)刪除與修改、用戶密碼重置等。

4.2 數(shù)據(jù)處理及顯示模塊

上位機(jī)軟件對(duì)下位機(jī)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、FIR濾波、曲線擬合等處理后，在顯示模塊進(jìn)行顯示檢測(cè)結(jié)果。

4.3 參數(shù)輸入模塊

完成波特率、工作狀態(tài)等參數(shù)的設(shè)置，數(shù)據(jù)采集相關(guān)控制命令接收等。上位機(jī)將參數(shù)輸入模塊接收到的相關(guān)操作封裝到串口通信的命令中，依照通信協(xié)議發(fā)送出去。

4.4 MFC串口通訊模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)命令的收發(fā)工作。本系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用 Windows的 API 函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口通訊功能，該方法能實(shí)現(xiàn)完善的通訊機(jī)制，并且設(shè)計(jì)時(shí)自由靈活。

4.5 數(shù)據(jù)庫(kù)接口模塊

數(shù)據(jù)庫(kù)接口模塊屬于數(shù)據(jù)庫(kù)層，上位機(jī)軟件系統(tǒng)在獲取了有效數(shù)據(jù)后，自動(dòng)完成對(duì)數(shù)據(jù)的備份操作，將需要保存的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便管理員進(jìn)行查找和編輯。

5 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

主體界面是用戶接觸最多的界面，所以設(shè)計(jì)時(shí)考慮把數(shù)據(jù)的顯示用比較醒目的方式展現(xiàn)出來(lái)。如圖6所示，界面中間部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示區(qū)域是上位機(jī)工作的主要顯示界面，顯示原始數(shù)據(jù)及經(jīng)處理過(guò)的電壓-電流曲線，占用了主界面非常大的空間。在數(shù)據(jù)顯示界面中，可以很方便地看到當(dāng)前收集到數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息。左側(cè)用來(lái)顯示各重金屬離子的濃度信息，右側(cè)控制區(qū)域主要功能是在連接正常的情況下，控制下位機(jī)的工作狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收工作。

左側(cè)重金屬離子濃度還可顯示歷史記錄的濃度最大值及最低值，且每次在將有效數(shù)據(jù)備份到數(shù)據(jù)庫(kù)之前更新歷史最值及平均值。這樣能更加友好地顯示各重金屬離子的濃度大小。對(duì)應(yīng)每種重金屬離子濃度，同樣用狀態(tài)指示燈來(lái)顯示離子濃度與國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的差距。正常時(shí)為綠色，超出標(biāo)準(zhǔn)越大，顏色越深，且超出標(biāo)準(zhǔn)100倍以上均顯示紅色。

中間圖像顯示區(qū)域還能根據(jù)控制狀態(tài)，顯示最近一次的電壓-電流曲線，利于用戶及時(shí)獲知各重金屬離子濃度變化情況，以便做好進(jìn)一步的防范工作。

6 結(jié)語(yǔ)

完成重金屬離子檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，包括上位機(jī)系統(tǒng)主函數(shù)設(shè)計(jì)、功能模塊劃分、上位機(jī)界面設(shè)計(jì)等，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理、曲線擬合、數(shù)據(jù)分析與顯示功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)等工作，上位機(jī)界面設(shè)計(jì)布局合理，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確無(wú)誤，整個(gè)上位機(jī)具有很好的人機(jī)交互效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡 巍.水環(huán)境重金屬檢測(cè)微傳感器及自動(dòng)分析儀器的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2012：21～24.

[2]張雨澤.水環(huán)境重金屬檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2013：17～18.

[3]陸 敏.基于人機(jī)工程的軟件界面設(shè)計(jì)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2008：30～32.