基于UNO-2178A的遠程自動化水質監測系統

李程達?

摘 要：文中基于嵌入式工業控制機UNO-2178A設計了一款遠程自動化水質監測系統。該系統布放于待監測海域，在信息管理平臺的指令控制下，可以自動完成海水樣品采集、水質參數分析與處理等。同時，系統將監測結果反饋回信息管理平臺，可以在線監測溫度、鹽度、溶解氧、電導率、有色可溶性有機物（CDOM）、葉綠素等多種環境參數。系統基于高效、緊湊的嵌入式平臺設計而成，有利于在待研究海域大面積多點布放，保證對海域水質監測的可靠性、準確性和便捷性。

關鍵詞：嵌入式工業控制機;自動化;水質監測;海洋環境;氣候變化;溫室效應

中圖分類號：TP274;TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）06-00-03

0 引 言

全球氣候變化是當今人類社會可持續發展所面臨的最嚴峻挑戰之一。人類活動釋放的CO2是導致全球變暖和氣候變化加劇的重要原因。海洋占地球面積的71%，能夠通過多種方式吸收CO2，緩解全球氣候變化[1]。健康的海洋生態系統能夠持續良性的產出，為人類社會提供食物、能源和生存環境，更與國家興衰相連，同時，地球歷史上的若干重大地質事件和生物滅絕都與海洋直接相關[2-3]。因此，海洋生態和環境變化相關的科學研究成為了國際關注的熱點[4-5]。當前海洋環境水質參數的獲取主要依靠科研人員攜帶儀器到研究海域進行測量，工作繁瑣，且不同研究海域所監測的數據時間不同步無法對比，缺乏研究意義。因此一套穩定、低成本、可復制運行的在線監測系統成為當前研究的關鍵，有利于在待研究海域大面積多點布放，通過統一的信息管理平臺實時在線獲取數據以及監測設備運行狀態，保證對海域水質環境監測的可靠性、準確性和便捷性。

1 整體系統

水質監測整體系統按照功能單元可以分為監測設備、傳輸網絡及信息管理平臺。監測設備布放于現場環境，以適用于原位環境觀測的浮標、科考船為載體。監測設備包括用于采集海洋現場環境參數的傳感器組及相關控制、傳輸系統。傳輸網絡自適應適配無線傳輸和有線信號傳輸，支持目前多種通信制式，適合近海及遠洋觀測。監測設備將現場采集的數據通過傳輸網絡發送至信息管理平臺，同時接收來自信息管理平臺的控制命令，進行相應系統動作及數據分析處理業務[6]。水質監測整體系統結構如圖1所示。

2 硬件系統

2.1 流路系統

流路系統主要由泵水系統及樣品存儲罐構成。泵水系統包含過濾器、水泵、閥門、水泵控制器和管路。水泵是泵水系統的主要動力結構，具備耐腐蝕、耐生物附著等特性。過濾器可以濾除水體中的大顆粒雜質，閥門用于控制管路內水體的流速與流體通路。水泵在水泵控制器的作用下將海水樣品泵入樣品存儲罐中，水泵控制器具有控制接口，在控制系統的指令控制下執行泵水動作。

樣品存儲罐內部放置多參數水質分析儀，同時設置有液位傳感器，用于監測罐體內部樣品的液位狀態。樣品存儲罐進水口位于罐體底部，出水口位于罐體頂部，當液位到達頂部出水口高度時，罐體內海水樣品自然溢流，通過自然溢流的作用完成罐體內部海水樣品的循環采集排出。流路系統的整體結構如圖2所示，圖中虛線為信號控制線，實線為流體通路，箭頭指示實際的海水樣品流向。

2.2 控制系統

控制系統基于臺灣研華科技設計生產的UNO-2178A嵌入式工業電腦，其內含有INTEL ATOM D510處理器，最高主頻為1.67 GHz。UNO-2178A采用超緊湊型結構設計，尺寸小且功耗低，具有堅固的外觀及散熱設計，擴展性能良好且安裝方便，適用于有限空間的應用。控制系統整體結構如圖3所示，圖中實線為信號連接，虛線為電源供應，箭頭為數據流向。

存儲空間：監測設備具有2 GB的DDR2內存以及一塊250 GB的SATA接口的固態硬盤存儲器，可以滿足系統的運行分析處理以及運算過程中產生的數據存儲空間需求。

供電系統：供電系統由太陽能電池板、蓄電池組及電源管理模塊構成。太陽能電池板為2塊18 V/50 W的單晶硅板，在電源管理模塊的控制下向2塊12 V/38 AH的蓄電池組充電，由電源管理模塊向監測系統提供12 V的直流電源。

外圍接口：UNO-2178A共有8個串行通信接口及2個以太網接口，監測設備通過數字量I/O模塊采集液位傳感器的液位數據以監測系統的液位狀態，同時控制水泵、電磁閥的通斷以控制流體通路。顯示模塊采用液晶面板設計，作為系統的人機交互界面顯示狀態信息，用于工程調試。

通信模塊：MODEM（通信模塊）選用合宙通信設計生產的Air720，Air720是最近推出的LTE Cat.4模塊，采用LTE 3GPP Rel.9技術，支持最大下行速率150 Mbps和最大上行速率50 Mbps，能夠向下兼容現存的EDGE和 GSM/GPRS網絡，以確保系統在缺乏3G和4G網絡的偏遠地區也能正常工作[7]。

多參數水質分析儀：選用美國WET LABS的WQM水質監測儀。WQM水質監測儀可在線監測溫度、鹽度、溶解氧、電導率、CDOM（有色可溶性有機物）等多種環境參數。

3 軟件系統

監測設備軟件系統結構如圖4所示。圖中模塊間連線表示模塊間的通信接口，箭頭表示數據流向，虛線框中的各功能模塊表示與軟件系統交互的硬件電路單元。

I/O處理模塊：該模塊與數字量I/O電路單元交互，通信介質為RS 485接口。數字量I/O電路由液位檢測單元和繼電器控制單元組成。I/O處理模塊一方面是以周期輪詢的方式通過相關指令查詢液位傳感器的數據，記錄液位狀態;另一方面接收業務處理模塊發送的執行動作消息，封裝指令包下發至數字量I/O電路單元，進行水泵、相關閥門的啟動和關閉動作。

AT指令處理模塊：該模塊與通信模塊電路單元交互，通信介質為RS 232接口。AT指令處理模塊通過指令與遠程服務器建立TCP/IP連接，監測設備工作于TCP CLIENT模式[8]。AT指令[9]處理模塊接收信息管理平臺下發的指令包，完成指令包的數據完整性分析，提取指令內容并將其發送至業務處理模塊。AT指令處理模塊讀取消息隊列獲取返回指令，并將讀取的指令返回至信息管理平臺[10]。