一种重金属检测系统的上位机软件设计

李承昊+孙永强

摘要：采用面向对象的程序设计方法，在溶出伏安法检测重金属离子浓度技术的基础上，对重金属离子浓度检测系统的上位机软件进行了设计。该系统通过串口向数据采集站发送控制命令，实现重金属离子浓度检测系统的控制、用户信息管理，并对含有金属离子浓度信息的电流、电压数据进行处理、分析、显示和备份。实践表明：软件界面设计布局合理，系统工作稳定可靠，数据处理准确无误，整个上位机具有很好的人机交互效果。

关键词：重金属离子检测；上位机软件；人机交互；数据处理

中图分类号：TP311

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）22012603

1 引言

随着改革开放以来社会生产的快速发展，大量的工业污水、生活废水与农田用水等未经处理便被随意排放到江河湖海之中，对我国水体资源造成了严重的污染，已经严重危害到人们日常生活的安全及生产活动。重金属，特别是汞、隔、铅、铬等元素，大都具有显著的生物毒性。由于它们在水体中不能被微生物降解，会通过生物链的富集作用成百上千倍地扩大。不仅会对人类造成危害，也会对其他生物产生灭顶之灾，甚至引起生物链的断裂，对整个生态系统造成无法修复的损害[1]。

故设计一款方便快捷，人机友好的重金属检测上位机软件系统，对采集到的数据进行有效地处理、分析、显示和备份具有很大的现实意义。

2 重金属检测系统概述

2.1 电化学法检测原理

本课题所涉及的溶出伏安法检测重金属离子浓度的工作原理如图1所示。该方法在通过硬件电路对工作电极施加指定的波形，使富集于工作电极上的重金属离子再次发生电化学反应而溶出。通过测量溶出时所产生的电流波形，根据波峰位置坐标就可以断定被测组分的浓度与种类[2]。其电压-电流曲线如图2所示。

图中每一个波峰对应一种重金属离子，具体哪一种离子对应于哪一个波峰需要通过每种重金属离子的还原电压来确定。

2.2 重金属检测系统概述

重金属检测系统由位于控制室内的客户端和位于检测现场的若干数据采集站组成，二者之间通过通讯接口实现数据通讯。

客户端提供友好的监控界面，用于发送用户命令、监控系统状态并显示检测结果；此外，客户端还通过数据库管理系统存储并管理客户信息、历史数据等；每个数据采集站通过子板上的插槽连接若干个传感器（如电压传感器，电流传感器等）和传动器（如电动阀门和电动水泵等），传感器负责信息的收集，传动器负责完成对现场的控制。整个检测系统的组成示意图如图3所示。

3 系统工作主程序

软件起动后，在完成用户身份验证之后，系统等待响应用户的各种操作，并判断是否存在连接请求。当用户发送连接请求后，上位机系统向下位机系统发送握手信号，在收到回复信号后，点亮界面状态指示灯。

在用户发送控制命令后，下位机响应工作命令执行相应的操作，并在采集结束后，向上位机发送数据。上位机在接收到数据后，对其进行处理、显示和存储。

在收到退出登录的请求后，立即向下位机发送断开命令，并将数据库做备份处理。此后只有用户再次进行身份验证，否则上位机不再响应用户的其他操作。系统工作主程序如图4所示。

4 上位机系统各功能模块介绍

如图5所示，根据上位机系统的功能需求，将上位机软件系统分为：用户信息管理模块、数据处理与显示模块、参数输入模块，MFC串口通讯模块、数据库接口模块。各模块的主要功能如下。

4.1 用户信息管理模块

用户管理模块功能是系统中必不可少的，提供仅用户可进行的一些权限操作，如用户身份验证、系统更新、数据删除与修改、用户密码重置等。

4.2 数据处理及显示模块

上位机软件对下位机传送过来的数据进行预处理、FIR滤波、曲线拟合等处理后，在显示模塊进行显示检测结果。

4.3 参数输入模块

完成波特率、工作状态等参数的设置，数据采集相关控制命令接收等。上位机将参数输入模块接收到的相关操作封装到串口通信的命令中，依照通信协议发送出去。

4.4 MFC串口通讯模块

该模块主要负责数据命令的收发工作。本系统通过调用 Windows的 API 函数实现串口通讯功能，该方法能实现完善的通讯机制，并且设计时自由灵活。

4.5 数据库接口模块

数据库接口模块属于数据库层，上位机软件系统在获取了有效数据后，自动完成对数据的备份操作，将需要保存的数据导入到数据库中，以便管理员进行查找和编辑。

5 人机交互界面设计

主体界面是用户接触最多的界面，所以设计时考虑把数据的显示用比较醒目的方式展现出来。如图6所示，界面中间部分数据显示区域是上位机工作的主要显示界面，显示原始数据及经处理过的电压-电流曲线，占用了主界面非常大的空间。在数据显示界面中，可以很方便地看到当前收集到数据的详细信息。左侧用来显示各重金属离子的浓度信息，右侧控制区域主要功能是在连接正常的情况下，控制下位机的工作状态，并实现数据的接收工作。

左侧重金属离子浓度还可显示历史记录的浓度最大值及最低值，且每次在将有效数据备份到数据库之前更新历史最值及平均值。这样能更加友好地显示各重金属离子的浓度大小。对应每种重金属离子浓度，同样用状态指示灯来显示离子浓度与国家卫生标准的差距。正常时为绿色，超出标准越大，颜色越深，且超出标准100倍以上均显示红色。

中间图像显示区域还能根据控制状态，显示最近一次的电压-电流曲线，利于用户及时获知各重金属离子浓度变化情况，以便做好进一步的防范工作。

6 结语

完成重金属离子检测系统上位机软件的设计与实现，包括上位机系统主函数设计、功能模块划分、上位机界面设计等，并对接收到的数据进行滤波处理、曲线拟合、数据分析与显示功能，实现数据的存储和对数据库的访问等工作，上位机界面设计布局合理，系统工作稳定可靠，数据处理准确无误，整个上位机具有很好的人机交互效果。

参考文献：

[1]蔡 巍.水环境重金属检测微传感器及自动分析仪器的研究[D].杭州：浙江大学，2012：21～24.

[2]张雨泽.水环境重金属检测系统的研究[D].北京：北京化工大学，2013：17～18.

[3]陆 敏.基于人机工程的软件界面设计研究[D].南京：南京航空航天大学，2008：30～32.