0 引 言

全球氣候變化是當(dāng)今人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展所面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一。人類活動(dòng)釋放的 CO2 是導(dǎo)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(guò)多種方式吸收 CO，緩解全球氣候變化 [1]。健康的海洋生態(tài)系統(tǒng)能夠持續(xù)良性的產(chǎn)出， 為人類社會(huì)提供食物、能源和生存環(huán)境， 更與國(guó)家興衰相連， 同時(shí)， 地球歷史上的若干重大地質(zhì)事件和生物滅絕都與海洋直接相關(guān) [2-3]。因此，海洋生態(tài)和環(huán)境變化相關(guān)的科學(xué)研究成為了國(guó)際關(guān)注的熱點(diǎn) [4-5]。當(dāng)前海洋環(huán)境水質(zhì)參數(shù)的獲取主要依靠科研人員攜帶儀器到研究海域進(jìn)行測(cè)量，工作繁瑣，且不同研究海域所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)時(shí)間不同步無(wú)法對(duì)比，缺乏研究意義。因此一套穩(wěn)定、低成本、可復(fù)制運(yùn)行的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為當(dāng)前研究的關(guān)鍵，有利于在待研究海域大面積多點(diǎn)布放，通過(guò)統(tǒng)一的信息管理平臺(tái)實(shí)時(shí)在線獲取數(shù)據(jù)以及監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，保證對(duì)海域水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的可靠性、準(zhǔn)確性和便捷性。

1 整體系統(tǒng)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)整體系統(tǒng)按照功能單元可以分為監(jiān)測(cè)設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)及信息管理平臺(tái)。監(jiān)測(cè)設(shè)備布放于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，以適用于原位環(huán)境觀測(cè)的浮標(biāo)、科考船為載體。監(jiān)測(cè)設(shè)備包括用于采集海洋現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)的傳感器組及相關(guān)控制、傳輸系統(tǒng)。傳輸網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)適配無(wú)線傳輸和有線信號(hào)傳輸，支持目前多種通信制式，適合近海及遠(yuǎn)洋觀測(cè)。監(jiān)測(cè)設(shè)備將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至信息管理平臺(tái)，同時(shí)接收來(lái)自信息管理平臺(tái)的控制命令，進(jìn)行相應(yīng)系統(tǒng)動(dòng)作及數(shù)據(jù)分析處理業(yè)務(wù) [6]。水質(zhì)監(jiān)測(cè)整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

2 硬件系統(tǒng)

2.1 流路系統(tǒng)

流路系統(tǒng)主要由泵水系統(tǒng)及樣品存儲(chǔ)罐構(gòu)成。泵水系統(tǒng)包含過(guò)濾器、水泵、閥門、水泵控制器和管路。水泵是泵水系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿Y(jié)構(gòu)，具備耐腐蝕、耐生物附著等特性。過(guò)濾器可以濾除水體中的大顆粒雜質(zhì)，閥門用于控制管路內(nèi)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(chǔ)罐中，水泵控制器具有控制接口，在控制系統(tǒng)的指令控制下執(zhí)行泵水動(dòng)作。

樣品存儲(chǔ)罐內(nèi)部放置多參數(shù)水質(zhì)分析儀，同時(shí)設(shè)置有液位傳感器，用于監(jiān)測(cè)罐體內(nèi)部樣品的液位狀態(tài)。樣品存儲(chǔ)罐進(jìn)水口位于罐體底部，出水口位于罐體頂部，當(dāng)液位到達(dá)頂部出水口高度時(shí)，罐體內(nèi)海水樣品自然溢流，通過(guò)自然溢流的作用完成罐體內(nèi)部海水樣品的循環(huán)采集排出。流路系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，圖中虛線為信號(hào)控制線，實(shí)線為流體通路，箭頭指示實(shí)際的海水樣品流向。

圖 2 流路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)基于臺(tái)灣研華科技設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 UNO-2178A 嵌入式工業(yè)電腦，其內(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尺寸小且功耗低，具有堅(jiān)固的外觀及散熱設(shè)計(jì)，擴(kuò)展性能良好且安裝方便，適用于有限空間的應(yīng)用?？刂葡到y(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，圖中實(shí)線為信號(hào)連接，虛線為電源供應(yīng)，箭頭為數(shù)據(jù)流向。

存儲(chǔ)空間 ：監(jiān)測(cè)設(shè)備具有 2 GB 的 DDR2 內(nèi)存以及一塊250 GB 的 SATA 接口的固態(tài)硬盤存儲(chǔ)器，可以滿足系統(tǒng)的運(yùn)行分析處理以及運(yùn)算過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間需求。

供電系統(tǒng) ：供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、蓄電池組及電源管理模塊構(gòu)成。太陽(yáng)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供 12 V 的直流電源。

外圍接口 ：UNO-2178A 共有 8 個(gè)串行通信接口及 2 個(gè)以太網(wǎng)接口，監(jiān)測(cè)設(shè)備通過(guò)數(shù)字量 I/O 模塊采集液位傳感器的液位數(shù)據(jù)以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的液位狀態(tài)，同時(shí)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(shè)計(jì)，作為系統(tǒng)的人機(jī)交互界面顯示狀態(tài)信息，用于工程調(diào)試。

通信模塊 ：MODEM（通信模塊）選用合宙通信設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 Air720，Air720 是最近推出的 LTE Cat.4 模塊，采 用 LTE 3GPP Rel.9 技術(shù)，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(xiàn)存的 EDGE 和 GSM/GPRS 網(wǎng)絡(luò)，以確保系統(tǒng)在缺乏 3G 和 4G 網(wǎng)絡(luò)的偏遠(yuǎn)地區(qū)也能正常工作 [7]。

多參數(shù)水質(zhì)分析儀 ：選用美國(guó) WET LABS 的 WQM 水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀。WQM 水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀可在線監(jiān)測(cè)溫度、鹽度、溶解氧、電導(dǎo)率、CDOM（有色可溶性有機(jī)物）等多種環(huán)境參數(shù)。

3 軟件系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)設(shè)備軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)流向，虛線框中的各功能模塊表示與軟件系統(tǒng)交互的硬件電路單元。

I/O 處理模塊 ：該模塊與數(shù)字量 I/O 電路單元交互，通信介質(zhì)為 RS 485 接口。數(shù)字量 I/O 電路由液位檢測(cè)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(guò)相關(guān)指令查詢液位傳感器的數(shù)據(jù)，記錄液位狀態(tài) ；另一方面接收業(yè)務(wù)處理模塊發(fā)送的執(zhí)行動(dòng)作消息，封裝指令包下發(fā)至數(shù)字量 I/O 電路單元，進(jìn)行水泵、相關(guān)閥門的啟動(dòng)和關(guān)閉動(dòng)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(zhì)為 RS 232 接口。AT 指令處理模塊通過(guò)指令與遠(yuǎn)程服務(wù)器建立 TCP/IP 連接，監(jiān)測(cè)設(shè)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(tái)下發(fā)的指令包，完成指令包的數(shù)據(jù)完整性分析，提取指令內(nèi)容并將其發(fā)送至業(yè)務(wù)處理模塊。AT 指令處理模塊讀取消息隊(duì)列獲取返回指令，并將讀取的指令返回至信息管理平臺(tái) [10]。

業(yè)務(wù)處理模塊 ：業(yè)務(wù)處理模塊為系統(tǒng)核心處理模塊，主要完成信息管理平臺(tái)下發(fā)指令包正確性的校驗(yàn)、指令內(nèi)容的解析與執(zhí)行。指令執(zhí)行主要包括設(shè)置查詢類業(yè)務(wù)，完成對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置與查詢，此類業(yè)務(wù)立即執(zhí)行并向信息管理平臺(tái)返回相關(guān)參數(shù) ；計(jì)劃執(zhí)行類業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)處理模塊根據(jù)信息管理平臺(tái)下發(fā)的測(cè)試時(shí)間、周期、次數(shù)等測(cè)試參數(shù)創(chuàng)建測(cè)試任務(wù)文件，系統(tǒng)通過(guò)讀取測(cè)試任務(wù)文件進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)的采集與分析。業(yè)務(wù)處理模塊通過(guò)消息隊(duì)列讀取其他功能模塊發(fā)送的消息，如告警模塊發(fā)送的業(yè)務(wù)告警信息、傳感器指令處理模塊獲得的水質(zhì)參數(shù)信息等，并將信息進(jìn)行封裝，組成合法完整的指令包，通過(guò) AT 指令處理模塊上傳至信息管理平臺(tái) [11]。

任務(wù)管理模塊 ：主要用于管理測(cè)試任務(wù)的執(zhí)行。該模塊為每一個(gè)測(cè)試任務(wù)建立一個(gè)獨(dú)立表結(jié)構(gòu) [12]，并通過(guò)鏈表形式將各測(cè)試任務(wù)按時(shí)間順序連接起來(lái)。任務(wù)管理模塊周期性掃描測(cè)試任務(wù)文件，若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)新建任務(wù)文件時(shí)，任務(wù)管理模塊讀取該測(cè)試任務(wù)的時(shí)間信息，并將該信息與任務(wù)鏈表中的各任務(wù)表的時(shí)間進(jìn)行比較，將新任務(wù)表插入正確位置以保證鏈表中的任務(wù)表均以時(shí)間順序排列。任務(wù)管理模塊周期輪詢鏈表中的各任務(wù)表，讀取測(cè)試任務(wù)表中的屬性信息，分析測(cè)試任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間是否已到，若對(duì)應(yīng)任務(wù)滿足執(zhí)行條件則立刻執(zhí)行查詢動(dòng)作，并刪除對(duì)應(yīng)的任務(wù)表結(jié)構(gòu)。

傳感器指令處理模塊 ：傳感器指令處理模塊與多參數(shù)水質(zhì)分析儀交互，通信接口為 RS 232[13]。傳感器指令處理模塊根據(jù)業(yè)務(wù)處理模塊發(fā)送的消息向多參數(shù)水質(zhì)分析儀發(fā)送相應(yīng)命令，包括設(shè)置分析儀參數(shù)、讀取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，并將多參數(shù)水質(zhì)分析儀返回的數(shù)據(jù)以消息形式發(fā)送至業(yè)務(wù)處理模塊。

定時(shí)器管理模塊 ：主要用于管理系統(tǒng)各功能模塊運(yùn)行過(guò)程中所需的軟件定時(shí)器，如通信交互中的數(shù)據(jù)接收延時(shí)保護(hù)，周期輪詢動(dòng)作的周期性定時(shí)以及系統(tǒng)的心跳包產(chǎn)生等。模塊通過(guò)鏈表形式管理所創(chuàng)建的定時(shí)器，各功能單元通過(guò)向定時(shí)器所屬的消息隊(duì)列發(fā)送消息創(chuàng)建定時(shí)器并注冊(cè)回調(diào)函數(shù)，定時(shí)器管理模塊周期輪詢所創(chuàng)建的定時(shí)器鏈表，當(dāng)發(fā)現(xiàn)鏈表中定時(shí)器時(shí)間到時(shí)，調(diào)用相應(yīng)回調(diào)函數(shù)執(zhí)行任務(wù) [14]。

4 信息管理平臺(tái)

信息管理平臺(tái)包括前端接收機(jī)、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和 Web服務(wù)器。前端接收機(jī)接收監(jiān)測(cè)設(shè)備上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并存入中心服務(wù)器 ；數(shù)據(jù)中心服務(wù)器提供數(shù)據(jù)請(qǐng)求服務(wù)，Web 服務(wù)器提供Web和數(shù)據(jù)下載服務(wù)，在終端及顯示屏上可視化顯示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署于待測(cè)海域，可完成溫度、鹽度、溶解氧等水質(zhì)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)。與傳統(tǒng)人工測(cè)量方式相比，節(jié)省了大量人力物力，確保測(cè)試數(shù)據(jù)具備時(shí)間尺度的可比性。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)造價(jià)成本低，有利于在待研究海域大面積多點(diǎn)布放，通過(guò)統(tǒng)一的信息管理平臺(tái)實(shí)時(shí)在線獲取數(shù)據(jù)及監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，有效提高了海洋水質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)效率，豐富了海洋科學(xué)的研究手段。