李程達(dá)?

摘 要：文中基于嵌入式工業(yè)控制機(jī)UNO-2178A設(shè)計(jì)了一款遠(yuǎn)程自動(dòng)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)布放于待監(jiān)測(cè)海域，在信息管理平臺(tái)的指令控制下，可以自動(dòng)完成海水樣品采集、水質(zhì)參數(shù)分析與處理等。同時(shí)，系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋回信息管理平臺(tái)，可以在線監(jiān)測(cè)溫度、鹽度、溶解氧、電導(dǎo)率、有色可溶性有機(jī)物（CDOM）、葉綠素等多種環(huán)境參數(shù)。系統(tǒng)基于高效、緊湊的嵌入式平臺(tái)設(shè)計(jì)而成，有利于在待研究海域大面積多點(diǎn)布放，保證對(duì)海域水質(zhì)監(jiān)測(cè)的可靠性、準(zhǔn)確性和便捷性。

關(guān)鍵詞：嵌入式工業(yè)控制機(jī);自動(dòng)化;水質(zhì)監(jiān)測(cè);海洋環(huán)境;氣候變化;溫室效應(yīng)

中圖分類號(hào)：TP274;TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2019）06-00-03

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CO2，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。

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。控制系統(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]。