海洋环境多参数在线监测系统设计与实现

陈中林，王宝珠，司慧民，郭志涛

(1.河北工业大学电子信息工程学院，天津 300401；2.国家海洋技术中心，天津 300000)

0 引言

随着经济的发展，世界各国对能源的需求越来越大。石油、煤、天然气等不可再生的矿产资源在陆上的储量日趋枯竭，而海洋中蕴含丰富的石油和天然气资源。因此，全世界的目光都汇集在对海洋资源的开发和利用上[1]。

海洋观测是认识、研究、开发、利用海洋的基础。我国早期海洋监测采用人工釆集海水样品带回实验室分析的方法。该方法不但费时费力，而且样品在釆集和运输的过程中很有可能已经被污染，造成最终测量结果不准确。随着计算机网络与通信技术的不断发展，我国普遍采用部署物联网的方式，通过无线传感器实时采集海洋数据。但由于海洋范围较广且海上通信条件苛刻，无线方式难以保证较高的传输效率，并且专用的无线传感器部署及维护成本较高，并不能满足整体海洋环境监测的要求[2-6]。

本文研发了1套可以实时在线监测海洋环境的多参数在线监测系统。该系统不再单独建立专用无线通信网络，而是采用RS-232/485接口以及Modbus-RTU协议，大大增加了数据传输的效率和可靠性；利用工控机配合可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)完成多参数自动采集、数据分析和记录，达到了远程环境参数监测的目的。

1 系统总体设计

针对目前海洋监测自动化比较困难并且费时费力的问题，系统从开始工作到最后清洗管道，全部流程都通过自动化控制，无需人工干预，大大节省了人力资源，具有较高的经济价值和广阔的应用前景。

系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图Fig.1 Overall system structure diagram

根据功能，系统主要划分为2个层次。

①传感器部分。传感器部分包括pH、溶解氧、盐度、叶绿素、浊度以及温度传感器，负责获取海水中的环境数据。

②数据采集系统和管理系统。系统会根据用户参数自动计算出每次工作的工作时间。到达工作时间后，系统会自动向传感器发出采集指令。传感器接收到采集指令后，自动采集数据并将数据上传到系统。系统会进行数据解析，并将数据存储到本地SQL Server数据库，以实现自动化流程。

本文系统适用于对海洋环境系统数据管理软件的远程自动化监测，拥有良好的人机交互界面，不仅能完成监测终端的数据接收和存储，还可以对数据进行有效的管理和发布，为海洋环境监测工作提供了丰富的操作功能[7]。

2 传感器部分

海水中的pH值、叶绿素、浊度等数值都是水质监测中的重要参数，能反映当前海水的活性、自净能力以及污染程度等信息。而海水中的营养盐则代表了当前海洋生物的生产力。这些参数所蕴含的信息会帮助工作人员快速掌握当前的海水水质。同时，为了安全起见，系统也会采集监测站房的电压、电流以及温湿度等参数，从而判断当前监测站房的环境。以下将对其中的几种传感设备进行介绍。

2.1 水质检测仪

海水水质检测是海洋环境监测的关键。系统将采用国外生产的水质仪与海洋技术中心自研水质仪进行对比。其中，国外水质仪采用美国SEABIRD公司生产的多参数水质仪，型号为WQM。该水质仪集合了叶绿素和浊度荧光探头以及温盐深仪(conductance temperature depth,CTD)和溶解氧传感器，采用RS-232接口，内部带有时钟并设定好工作间隔，每秒输出1条数据[8]。在输出测量数据前后，会有一些状态数据输出。系统采集到这些状态数据后直接丢弃即可。国家海洋技术中心自研水质仪型号为CSS3。该水质仪采用RS-232接口，向设备发送工作指令后，设备在1 s内回复当前状态，随后在1 min内回复测量数据。

2.2 营养盐分析仪

海水中营养盐检测是海洋环境监测的重要部分。系统将采用国外生产的营养盐分析仪与海洋技术中心自研营养盐分析仪进行对比。其中，国外营养盐分析仪采用意大利SYSTEA公司的营养盐分析仪，型号为WIZ。该分析仪采用化学分析法，主要用于测量氨氮、正磷酸盐、亚硝酸盐和硝酸盐这4个参数。国家海洋技术中心自研分析仪的型号为HYC5-1。2种分析仪均采用RS-232接口，向设备发送工作指令后，设备在1 s内回复当前状态，并在工作45 min后回复测量数据。

2.3 其他传感设备

为了保证监测站房的安全，采集站房的状态信息也非常重要。系统主要采集参数为站房的温/湿度、电压。

系统采用液晶温湿度变送器。该变送器带有液晶显示功能，能实时显示温湿度。该设备采用标准Modbus-RTU通信协议，RS-485信号输出。为防止监测站电压波动以及停电故障，工控系统采用不间断电源(uninturuptible power supply,UPS)进行供电，并对当前工作电压和电流进行监测。所采用的OHR-C200系列交流电压/电流表可外接电压、电流互感器的标准信号，或直接接入电流为5 A、电压为500 V的交流信号，配备RS-232/485通信接口，支持标准Modbus-RTU通信协议，可带欠压和过载事件报警功能[9]。

3 系统软件设计

3.1 主程序流程设计

系统主程序流程如图2所示。

图2 系统主程序流程图Fig.2 System main program flowchart

系统主要包括初始化、数据采集、数据存储、数据日志等自动化流程。程序启动后，会进行程序初始化，以连接数据库并读取串口对应的设备信息和用户设置的参数，并进行自动化配置。若连接数据库失败导致系统无法完成初始化，则系统会保存错误信息记录日志，并直接退出程序。自动化配置完成后，系统会自动打开对应的串口，准备接收数据，同时启动工作线程准备工作。当到达工作时间后，系统会发出采水指令，进行采水、分析数据、采集数据、解析并存储数据、清洗等一系列自动化工作流程。以上流程完成后，系统进入待机状态，等待下次工作时间的到来。整个工作流程全部由系统自动进行，无需人工干预。

3.2 监测站与实验站功能实现

监测系统除了具有基本的数据采集、数据存储功能外，还具有设备掉线报警功能。该功能具有高实时性以及准确性，设备掉线后1 s内即可被系统检测到并发出报警，从而让工作人员作出相应处理。同时，系统每天都会保存一些重要信息并生成日志文件，以便工作人员查看。根据实际需求，系统分为监测站与实验站两部分。

3.2.1 监测站功能

监测站主要用于监测海洋环境。其中，每个串口接的设备都是确定的。工控机通过RS-232/485通信接口，采用Modbus-RTU通信规约与设备进行通信。数据帧中包括地址码、功能码、数据码、循环冗余校验(cyclic redundancy check,CRC)位，以保证数据传输的准确性、可靠性[10]。

设备串口信息为PLC控制器(COM1)、CSS3传感器(COM2)、电参数传感器(COM3)、温湿度传感器(COM4)、WIZ传感器(COM5)、HYC5传感器(COM6)。

监测站界面可实时显示阀门的当前状态，并可手动控制阀门的开关。界面中包括气象数据、营养盐数据、水质仪数据以及站房环境参数等模块内容。系统显示采用实时更新的方式。当系统完成对应数据的采集后，会及时更新页面，显示最近1次存入的数据，并更新下次的采集时间。

手动模式用于管理人员手动控制功能。系统采用设置对应的标志位来改变手动和自动模式。用户可以在主界面进行模式切换。当PLC内部标志位“M500”设置为1时，系统将进入手动控制模式。在手动控制模式中，用户可以通过操作界面查看图中当前各个阀门的状态以及水槽中水位的高低位置，并通过点击阀门、水泵、分析仪等图标实现设备的启停控制。

此外，考虑到站房会有断电的特殊情况发生，系统会将系统参数存储到本地数据库，并通过重启从数据库中读取上次的参数配置，从而实现系统状态保护。

3.2.2 实验站功能

实验站主要用于进行设备间的对比试验。通过设备间的数据对比，可以判断设备的测量结果是否准确。

实验站具有设备管理功能，能进行设备的添加、修改并查看当前设备信息。实验站的每个串口接入的设备都是随机的。为了接入更多的设备，系统将串口数量扩展到16个。实验站界面会实时显示站房的温湿度及电压信息，具有采水、清洗、复位等功能，并且会实时显示当前PLC的连接状况，在PLC掉线时会及时报警。

3.3 系统自动化工作流程

系统自动化工作流程如图3所示。

图3 自动化工作流程图Fig.3 Automation workflow diagram

系统工作可设置成自动模式和手动模式。

无人值守状态下，系统采用自动模式。其中，自动化工作流程是系统的核心。系统启动后会开始1个工作线程。用户只需设置开始工作时间、工作间隔等系统参数。当到达设定的工作时间后，系统会按照采水、分析、同化、清洗的流程实现自动化工作，同时根据设定的工作间隔自动计算出下次工作时间并更新至数据库。

系统具有重发机制。当发出采集指令而没有收到回复时，系统会进行重发；若重发之后仍没有收到回复，系统则会提示设备故障，同时将错误信息记录到日志中，以便工作人员查看。

此次工作流程结束后，系统进入待机状态，等待下次工作时间的到来，从而保证系统能够长时间进行自动化工作。

3.4 数据库设计

系统采用SQL Server搭建数据库。该数据库是美国Microsoft公司推出的1种关系型数据库系统，是1个可扩展的、高性能的、为分布式客户机/服务器计算所设计的数据库管理系统[11]。

数据库中包括设备表、气象表、营养盐表、参数表、状态表以及水质仪表，用于存储设备的信息以及盐度、pH、溶解氧等环境参数。

数据库结构如图4所示。

图4 数据库结构图Fig.4 Database structure diagram

在数据库的支持下，系统具有查询和删除历史数据功能，并支持查看数据曲线和将数据导出到Excel，以便用户管理实时数据。

4 自动化工作流程测试

测试过程中，系统接入设备信息如表1所示。

表1 系统接入设备信息

测试以设置开始工作时间为14∶00、工作间隔为10 min为例。当设置好系统工作参数后，系统进入自动化工作模式，无需人工干预。自动化工作流程如下。

①当到达14∶00时，系统会弹出提示框提示开始工作并发出采水指令，同时系统状态也由“待机”更新为“采水中”，并自动计算、显示下次工作时间。

②采水完成后，系统会进行数据的分析。分析时间由系统参数中设定的营养盐工作时长决定。同时，系统状态由“采水中”变为“分析中”。

③分析完成后系统会进行数据的采集，并将采集的数据进行解析并显示，同时将解析后的数据存储到本地SQL Server数据库。

④数据采集完成后，系统会发送清洗指令，进行管道的同化、排空和清洗。清洗时间由设置的系统参数决定。同时，系统状态由“分析中”变为“清洗中”。

⑤清洗完成后，系统回到待机状态，等待下次工作时间的到来。

系统在无人看守状态下自动工作72 h后，可以得到部分数据的查询结果。

数据查询结果如表2所示。

表2 数据查询结果

由表2可知，系统每10 min采集1次设备数据，并完成数据解析以及入库工作[12]。

5 结论

本文设计了海洋环境多参数在线传感系统的整体设计方案,将系统分为传感器层与数据采集及管理层2个层次，介绍了系统的实验站、监测站功能以及系统的自动化工作流程，设计了可扩展参数的数据库结构， 并测试了系统的各个功能模块。本系统自动化程度较高，可以节省大量人力资源。经过实地测试，系统的通信稳定性、通信效率以及自动化程度较高，并且具备长时间自动工作的能力，具有较高的可靠性。所设计的海洋环境多参数在线传感系统实现了实时监测海洋环境的功能，有效提高了海洋水质环境的监测效率，丰富了海洋科学研究方法，有很高的实用价值。