海洋環境多參數在線監測系統設計與實現

陳中林，王寶珠，司慧民，郭志濤

(1.河北工業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和利用上[1]。

海洋觀測是認識、研究、開發、利用海洋的基礎。我國早期海洋監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展，我國普遍采用部署物聯網的方式，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境監測的要求[2-6]。

本文研發了1套可以實時在線監測海洋環境的多參數在線監測系統。該系統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，達到了遠程環境參數監測的目的。

1 系統總體設計

針對目前海洋監測自動化比較困難并且費時費力的問題，系統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。

系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Overall system structure diagram

根據功能，系統主要劃分為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境數據。

②數據采集系統和管理系統。系統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，系統會自動向傳感器發出采集指令。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。系統會進行數據解析，并將數據存儲到本地SQL Server數據庫，以實現自動化流程。

本文系統適用于對海洋環境系統數據管理軟件的遠程自動化監測，擁有良好的人機交互界面，不僅能完成監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布，為海洋環境監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，系統也會采集監測站房的電壓、電流以及溫濕度等參數，從而判斷當前監測站房的環境。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境監測的關鍵。系統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，會有一些狀態數據輸出。系統采集到這些狀態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，向設備發送工作指令后，設備在1 s內回復當前狀態，隨后在1 min內回復測量數據。

2.2 營養鹽分析儀

海水中營養鹽檢測是海洋環境監測的重要部分。系統將采用國外生產的營養鹽分析儀與海洋技術中心自研營養鹽分析儀進行對比。其中，國外營養鹽分析儀采用意大利SYSTEA公司的營養鹽分析儀，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，向設備發送工作指令后，設備在1 s內回復當前狀態，并在工作45 min后回復測量數據。

2.3 其他傳感設備

為了保證監測站房的安全，采集站房的狀態信息也非常重要。系統主要采集參數為站房的溫/濕度、電壓。

系統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通信協議，RS-485信號輸出。為防止監測站電壓波動以及停電故障，工控系統采用不間斷電源(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通信協議，可帶欠壓和過載事件報警功能[9]。

3 系統軟件設計

3.1 主程序流程設計

系統主程序流程如圖2所示。

圖2 系統主程序流程圖Fig.2 System main program flowchart

系統主要包括初始化、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無法完成初始化，則系統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，系統會發出采水指令，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，系統進入待機狀態，等待下次工作時間的到來。整個工作流程全部由系統自動進行，無需人工干預。

3.2 監測站與實驗站功能實現

監測系統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內即可被系統檢測到并發出報警，從而讓工作人員作出相應處理。同時，系統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，系統分為監測站與實驗站兩部分。

3.2.1 監測站功能

監測站主要用于監測海洋環境。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)。

監測站界面可實時顯示閥門的當前狀態，并可手動控制閥門的開關。界面中包括氣象數據、營養鹽數據、水質儀數據以及站房環境參數等模塊內容。系統顯示采用實時更新的方式。當系統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生，系統會將系統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，從而實現系統狀態保護。

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 系統自動化工作流程

系統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

系統工作可設置成自動模式和手動模式。

無人值守狀態下，系統采用自動模式。其中，自動化工作流程是系統的核心。系統啟動后會開始1個工作線程。用戶只需設置開始工作時間、工作間隔等系統參數。當到達設定的工作時間后，系統會按照采水、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。

系統具有重發機制。當發出采集指令而沒有收到回復時，系統會進行重發；若重發之后仍沒有收到回復，系統則會提示設備故障，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，系統進入待機狀態，等待下次工作時間的到來，從而保證系統能夠長時間進行自動化工作。

3.4 數據庫設計

系統采用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，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[11]。

數據庫中包括設備表、氣象表、營養鹽表、參數表、狀態表以及水質儀表，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，系統接入設備信息如表1所示。

表1 系統接入設備信息

測試以設置開始工作時間為14∶00、工作間隔為10 min為例。當設置好系統工作參數后，系統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，系統會彈出提示框提示開始工作并發出采水指令，同時系統狀態也由“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，系統會進行數據的分析。分析時間由系統參數中設定的營養鹽工作時長決定。同時，系統狀態由“采水中”變為“分析中”。

③分析完成后系統會進行數據的采集，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，系統會發送清洗指令，進行管道的同化、排空和清洗。清洗時間由設置的系統參數決定。同時，系統狀態由“分析中”變為“清洗中”。

⑤清洗完成后，系統回到待機狀態，等待下次工作時間的到來。

系統在無人看守狀態下自動工作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

本文設計了海洋環境多參數在線傳感系統的整體設計方案,將系統分為傳感器層與數據采集及管理層2個層次，介紹了系統的實驗站、監測站功能以及系統的自動化工作流程，設計了可擴展參數的數據庫結構， 并測試了系統的各個功能模塊。本系統自動化程度較高，可以節省大量人力資源。經過實地測試，系統的通信穩定性、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。所設計的海洋環境多參數在線傳感系統實現了實時監測海洋環境的功能，有效提高了海洋水質環境的監測效率，豐富了海洋科學研究方法，有很高的實用價值。