海水總磷總氮在線自動監測裝置的軟件技術研究

張 帆，張東滿，魏福祥

（河北科技大學環境科學與工程學院，河北石家莊 050018）

海水總磷總氮在線自動監測裝置的軟件技術研究

張 帆，張東滿，魏福祥

（河北科技大學環境科學與工程學院，河北石家莊 050018）

基于Microsoft Visual C＋＋6.0軟件平臺，設計了海水總磷總氮在線自動監測系統，包括控制界面、設備的驅動程序、數據的處理和顯示以及對歷史監測數據的查詢。該軟件系統主要由設計流程模塊、手動實驗模塊、實時監測模塊、參數配置模塊、串口通信模塊5部分組成。軟件使用窗口圖形、選項卡等技術，具有友好的可視化人機交互界面，運行穩定，滿足實驗要求。

軟件設計；總磷；總氮；在線自動監測裝置

1 軟件設計的目的

1.1 軟件的設計背景

海水總磷總氮自動監測裝置，可實現海水中總磷（TP）、總氮（TN）的實時在線自動監測。該監測系統由樣品在線消解、顯色反應、分光光度測定3部分組成，海水中各種形態的磷和氮被一次性完全消解，消解后的樣品溶液分別與TP和TN顯色劑混合，完成在線顯色反應后順序進入分光光度測定模塊的流通池，分別在不同波長條件下進行TP和TN的測定 運行該監測系統，可實時掌握海洋富營養化的程度，進而預測海洋生態環境變化并及時調整對策，對預防海洋赤潮災害、保護海洋生態環境具有重大意義。

1.2 軟件的功能

在線監測系統軟件的研發任務主要是設計系統的控制界面、設備的驅動程序，實現實驗數據的處理和顯示以及對歷史監測數據的查詢等功能。在線自動監測系統軟件用于控制在線自動監測裝置的運行，包括流程設計、實時監測、數據的處理等，其中數據處理包括將來自采集卡的實時數據進行分析保存，微機終端顯示實時監測狀況，并進行數據的傳輸和串口通信。

該系統采用西門子可編程控制器（PLC）作為核心控制器，控制整個監測流程，可自動完成樣品的消解、顯色、測定、數據處理等過程，對整個監測過程進行在線監控，實現對監測信息的實時處理，得到并記錄最終監測結果［4］。

2 軟件的總體構成

2.1 軟件的設計

系統軟件是基于Microsoft Visual C＋＋6.0軟件平臺開發、設計的，共有14個源文件，15個頭文件。主要由設計流程模塊、手動實驗模塊、實時監測模塊、參數配置模塊、串口通信模塊5部分組成，軟件總體結構見圖1。

海水總磷總氮自動檢測系統采用了模塊化的設計，以具體模塊實現具體功能，不但有利于程序編寫的分工合作，更有利于程序的調試及擴展。軟件設計的總流程：設置串口參數，選擇智能設備，設置協議生成方式及動態數據范圍，設置主控機或智能設備工作方式［5］。軟件工作流程見圖2。

2.2 軟件的開發

1）通信接口標準：選用串行通信RS232作為通信標準。串行通信接口標準經過使用和發展，目前已經有幾種，但都是在RS232標準的基礎上經過改進而形成，RS232是目前最成熟的技術標準，考慮到實驗的實際傳輸距離小于2 m，單次傳輸數據量最長為60 B，因此采用RS232標準進行通信。

2）消息上行下行交互性：軟件需要與上位機（中心控制端）、下位機（消解裝置、線路動力與流路控制裝置）進行通信，如采用單向通信，在實驗發生未知錯誤時不能及時糾正或報警，導致實驗失敗甚至儀器損壞，因此數據交互時各終端之間的實時狀態查詢尤為重要，軟件設計在每次發送數據后都有回送數據，并對回送數據進行數據校驗與命令核對，確保發送接收的準確性。

3）使用全局變量，所有對話框擁有主對話框指針的訪問權限。各對話框類在讀寫全局共享數據時統一通過全局主對話框指針p Expdlg來訪問其內部的對應函數來實現數據的讀寫，統一標準，便于數據管理。

4）基于對操作人員相關知識水平的考慮，軟件設計在操作界面上使用多種控件來實現偽指令，便于操作人員的理解與修改。執行前由特定函數AnalysisCmd翻譯成可被對應下位機識別的指令。由于該軟件所執行的任務比較多，因此新建線程專門用于執行程序流程命令，保證在執行命令時不受其他消息的干擾。使用Wait ForSingleObject和CEvent保證線程間的同步關系與對全局資源的訪問安全性。

5）所有需要操作人員進行修改的參數存儲在配置文件里，當軟件運行時，加載到內存中，并以結構體的形式儲存，方便訪問，將參數變化實時寫入磁盤保存，因此所有參數以最后一次配置為準。此外，為保證與各下位機能夠準確地進行通信，增加了校驗機制，對于單次校驗失敗的消息，重發原消息，2次校驗失敗的消息，作出錯處理。

6）對于數據采用最小二乘線性擬合，最小二乘擬合是一種數學上的近似和優化，利用已知的數據得出一條直線或者曲線，相比于Hermite，Newton，Lagrange等其他插值方法，最小二乘擬合出的曲線在坐標系上與已知數據之間的距離的平方和最小，而不是對應函數的值等于數據點的值。基于具體化學實驗的考慮，該軟件采用了一次線性擬合而不是更高次項的擬合。

圖1 軟件的模塊結構圖Fig.1 Block diagram of the software

圖2 軟件工作流程圖Fig.2 Work flow of the software

7）軟件具有定時功能，本實驗要求執行TM命令時間精度在0.5 s范圍內。在保證計時精度的前提下，在執行命令線程里采用Sleep掛起的方式精度達到0.1 s，在其他類中采用Settimer精度達到0.05 s，均能夠很好滿足實驗要求。

8）軟件初始化時，加載了相關動態鏈接庫，以便軟件能夠對采集卡進行取數據操作。動態鏈接庫的使用使得軟件的項目管理更為方便，并節省了內存消耗，并且在采集卡參數發生較小改變時只需要更換動態鏈接庫文件即可，不必改動.exe可執行文件，更有利于軟件以后的升級。

9）實驗數據的存儲，在實驗進行過程中將實時采集的數據分別在內存和磁盤中各存放一份，既加快了程序的訪問速度，又確保了當程序意外出現錯誤關閉時已采集的數據不丟失，當單次實驗完成后將結果即TP和TN的濃度也一并寫入磁盤中。為確保能夠隨時地對已生成的實驗數據進行查詢再分析，在實驗過程中保留了大量數據，并設計了類History專門針對數據的存儲及查詢管理，為了能夠更直觀地顯示數據，設計類Re HisGraph實現了歷史數據的重繪。

3 軟件的模塊功能

1）設計流程模塊 實驗前，通過設置各個指令設計整個實驗流程，可對設計的流程進行保存和重置，或者加載運行過的現有流程。該模塊可以控制設備中電磁閥的開關、實驗操作步驟之間的間隔、消解池的啟動與關閉、蠕動泵及柱塞泵的轉速和方向以及磷和氮吸光度等數據的采集命令等。軟件界面如圖3所示。

2）手動實驗模塊 該模塊可以顯示實驗及裝置的某些狀態，包括命令的執行情況、當前時間、消解池的溫度、以及當前設備所處狀態（停止、正在實驗、正在清洗、準備就緒），還顯示實驗結果，即樣品中TP和TN的濃度，并將結果自動添加到以實驗當天日期所命名的日志文件中。該模塊可以強制停止實驗過程、實現裝置的自動清洗以及監測數據的檢索功能等。軟件界面如圖4所示。

3）實時監測模塊 主要功能為顯示在實驗進行過程中采集到的吸光度實時變化以及最大與最小吸光度。根據采集卡返回的數據加以計算顯示在右側列表框中并在網格上繪制出相應的描點曲線與對應坐標形成直觀顯示，界面見圖5。

圖3 設計流程模塊界面 Fig.3 Interface of design procedure module

圖4 手動實驗模塊界面 Fig.4 Interface of manual experiment module

4）參數配置模塊 主要功能為在實驗開始執行前，對整個實驗中各部分參數進行正確配置以保證實驗的正確順利進行，包括消解部分相應的參數配置（微波最大功率、溫度輸出曲線始終點、升溫時間以及保溫控制溫度）、磷和氮吸光度的采集參數（采樣間隔、采樣點數以及有效區間）、樣本點設置，該軟件將自動按照所給定的標準溶液樣本點數據，依據最小二乘法繪制關于濃度與吸光度的線性擬合標準曲線，進而自動求出TP和TN的濃度值。見圖6、圖7。

圖5 實時監測模塊界面Fig.5 Interface of real-time monitoring

圖6 參數配置模塊界面Fig.6 Interface of parameter configuration

5）串口通信模塊 主要功能是在后臺進行與采集卡和其他設備的串口通信，包括與采集卡的通信（使用的串口通信配置為RS232，發送的數據采用ASCII碼值為交換碼的字符串形式）、與中心控制端的通信、與消解裝置的通信以及與蠕動泵1、蠕動泵2和注射泵的通信。

4 軟件的優點

1）視窗技術 操作人員可直接通過控件操作實驗軟件的執行命令，該軟件對命令進行了封裝，便于人機交互。

2）操作簡便 采用用戶熟悉的Windows界面，操作簡便快捷，軟件窗口之間的系統設計符合人的認知原理，使操作流暢。

3）實時顯示 對所采集的數據及時處理，并在屏幕上以點或線的形式實時顯示出來，同時形成數據文件并自動存盤。

4）文件處理 系統設計了3種類型的文件，即命令文件（記錄用戶的命令行）、數據文件（記錄實驗實時數據）、日志文件（記錄實驗結果）等，這些文件的建立、執行、訪問和保存過程都是后臺自動執行。

5）操作保護 若用戶不慎設置了錯誤的運行參數或執行了錯誤操作，軟件會自動對操作者發出警告，從而使硬件得到保護，如圖8所示。

圖7 樣本點設置界面Fig.7 Interface of sample point

圖8 實驗警告界面圖Fig.8 Warning interfaces of experiments

5 結 語

以海水TP和TN在線自動監測實驗為主線，分析了實驗軟件系統的功能，建立了軟件系統的模塊結構，并成功設計出了海水TP和TN在線自動監測的實驗軟件。該軟件采用Visual C＋＋6.0開發而成，基于Windows平臺的軟件設計，使用面向對象的技術，具有友好的人機交互界面［6］，容易被掌握和使用，滿足科學實驗的要求，在海水TP和TN監測實驗中已經體現出軟件的價值。

［1］俞 林.水質檢測分析方法標準實務手冊［M］.北京：中國環境科學出版社，2002.

［2］GRASSHOFF K.Methods of Seawater Analysis［M］.New York：Verlag Chemie Weinheim，1976.

［3］鄒常勝.海水營養鹽現場監測［J］.海洋技術（Ocean Technalogy），2001，20（4）：33-37.

［4］李智文.水質總磷總氮在線自動監測軟件系統的設計［D］.廣州：中國科學院廣州地球化學研究所，2007.

［5］孫 鑫，余安萍.VC＋＋深入詳解［M］.第2版.北京：電子工業出版社，2006.

［6］丁文捷.基于Windows的化工原理實驗數據處理軟件的開發設計［J］.實驗室研究與探索（Research and Exploration in Laboratory），2004，23（9）：34-35.

Software design of online automatic monitoring device for total phosphorus and total nitrogen in seawater

ZHANG Fan，ZHANG Dong-man，WEI Fu-xiang
（College of Environmental Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China）

Based on Microsoft Visual C＋＋6.0，software of online automatic monitoring system for total phosphorus and total nitrogen in seawater is developed，including the controlling interface of the on-line monitoring system，the driving programs of device，the processing and display of experimental data and the query of historical monitoring data.The software mainly consists of five parts of design process module，manual experiment module，real-time monitoring module，parameter configuration module and serial communication module.Windows graphical interfaces and option card technologies are adopted in the software system，so that this system has friendly visualized man-machine interface and stable operation，and it meets the requirements of experiments.

software design；total phosphorus；total nitrogen；online automatic monitoringdevice

X853

A

1008-1542（2012）04-0370-05

2012-01-28；

2012-05-14；責任編輯：王海云

國家863計劃項目（2007AA09210109）

張 帆（1986-），女，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事環境監測技術與裝備方面的研究。

魏福祥教授。E-mail：wfxss＠sohu.com