0 引 言

全球氣候變化是當今人類社會可持續(xù)發(fā)展所面臨的最嚴峻挑戰(zhàn)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 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， 為人類社會提供食物、能源和生存環(huán)境， 更與國家興衰相連， 同時， 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 [2-3]。因此，海洋生態(tài)和環(huán)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(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行測量，工作繁瑣，且不同研究海域所監(jiān)測的數(shù)據(jù)時間不同步無法對比，缺乏研究意義。因此一套穩(wěn)定、低成本、可復制運行的在線監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)一的信息管理平臺實時在線獲取數(shù)據(jù)以及監(jiān)測設備運行狀態(tài)，保證對海域水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測的可靠性、準確性和便捷性。

1 整體系統(tǒng)

水質(zhì)監(jiān)測整體系統(tǒng)按照功能單元可以分為監(jiān)測設備、傳輸網(wǎng)絡及信息管理平臺。監(jiān)測設備布放于現(xiàn)場環(huán)境，以適用于原位環(huán)境觀測的浮標、科考船為載體。監(jiān)測設備包括用于采集海洋現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)的傳感器組及相關控制、傳輸系統(tǒng)。傳輸網(wǎng)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(jiān)測設備將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)通過傳輸網(wǎng)絡發(fā)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(tǒng)動作及數(shù)據(jù)分析處理業(yè)務 [6]。水質(zhì)監(jiān)測整體系統(tǒng)結構如圖 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)及樣品存儲罐構成。泵水系統(tǒng)包含過濾器、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(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)行泵水動作。

樣品存儲罐內(nèi)部放置多參數(shù)水質(zhì)分析儀，同時設置有液位傳感器，用于監(jiān)測罐體內(nèi)部樣品的液位狀態(tài)。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(nèi)海水樣品自然溢流，通過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。

圖 2 流路系統(tǒng)結構圖

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)基于臺灣研華科技設計生產(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(tǒng)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(shù)據(jù)流向。

存儲空間 ：監(jiān)測設備具有 2 GB 的 DDR2 內(nèi)存以及一塊250 GB 的 SATA 接口的固態(tài)硬盤存儲器，可以滿足系統(tǒng)的運行分析處理以及運算過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存儲空間需求。

供電系統(tǒng) ：供電系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)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(wǎng)接口，監(jiān)測設備通過數(shù)字量 I/O 模塊采集液位傳感器的液位數(shù)據(jù)以監(jiān)測系統(tǒng)的液位狀態(tài)，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(tǒng)的人機交互界面顯示狀態(tài)信息，用于工程調(diào)試。

通信模塊 ：MODEM（通信模塊）選用合宙通信設計生產(chǎn)的 Air720，Air720 是最近推出的 LTE Cat.4 模塊，采 用 LTE 3GPP Rel.9 技術，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，以確保系統(tǒng)在缺乏 3G 和 4G 網(wǎng)絡的偏遠地區(qū)也能正常工作 [7]。

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

3 軟件系統(tǒng)

監(jiān)測設備軟件系統(tǒng)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(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(shù)據(jù)，記錄液位狀態(tài) ；另一方面接收業(yè)務處理模塊發(fā)送的執(zhí)行動作消息，封裝指令包下發(fā)至數(shù)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(zhì)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(jiān)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(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]。

業(yè)務處理模塊 ：業(yè)務處理模塊為系統(tǒng)核心處理模塊，主要完成信息管理平臺下發(fā)指令包正確性的校驗、指令內(nèi)容的解析與執(zhí)行。指令執(zhí)行主要包括設置查詢類業(yè)務，完成對系統(tǒng)參數(shù)的設置與查詢，此類業(yè)務立即執(zhí)行并向信息管理平臺返回相關參數(shù) ；計劃執(zhí)行類業(yè)務，業(yè)務處理模塊根據(jù)信息管理平臺下發(fā)的測試時間、周期、次數(shù)等測試參數(shù)創(chuàng)建測試任務文件，系統(tǒng)通過讀取測試任務文件進行水質(zhì)參數(shù)的采集與分析。業(yè)務處理模塊通過消息隊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，并將信息進行封裝，組成合法完整的指令包，通過 AT 指令處理模塊上傳至信息管理平臺 [11]。

任務管理模塊 ：主要用于管理測試任務的執(zhí)行。該模塊為每一個測試任務建立一個獨立表結構 [12]，并通過鏈表形式將各測試任務按時間順序連接起來。任務管理模塊周期性掃描測試任務文件，若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)新建任務文件時，任務管理模塊讀取該測試任務的時間信息，并將該信息與任務鏈表中的各任務表的時間進行比較，將新任務表插入正確位置以保證鏈表中的任務表均以時間順序排列。任務管理模塊周期輪詢鏈表中的各任務表，讀取測試任務表中的屬性信息，分析測試任務的執(zhí)行時間是否已到，若對應任務滿足執(zhí)行條件則立刻執(zhí)行查詢動作，并刪除對應的任務表結構。

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)送相應命令，包括設置分析儀參數(shù)、讀取監(jiān)測數(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)務處理模塊。

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

4 信息管理平臺

信息管理平臺包括前端接收機、數(shù)據(jù)中心服務器和 Web服務器。前端接收機接收監(jiān)測設備上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并存入中心服務器 ；數(shù)據(jù)中心服務器提供數(shù)據(jù)請求服務，Web 服務器提供Web和數(shù)據(jù)下載服務，在終端及顯示屏上可視化顯示。

5 結 語

本文設計的遠程自動化在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)部署于待測海域，可完成溫度、鹽度、溶解氧等水質(zhì)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測。與傳統(tǒng)人工測量方式相比，節(jié)省了大量人力物力，確保測試數(shù)據(jù)具備時間尺度的可比性。本文設計的系統(tǒng)造價成本低，有利于在待研究海域大面積多點布放，通過統(tǒng)一的信息管理平臺實時在線獲取數(shù)據(jù)及監(jiān)測設備的運行狀態(tài)，有效提高了海洋水質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測效率，豐富了海洋科學的研究手段。