基于4G-DTU水質監測系統的設計

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(西安工業大學電子信息工程學院，陜西 西安 710021)

0 引言

物聯網通信的不斷進步，推動著智能監測技術的高速發展。同時，水環境是如今十分重要的問題，大量工業廢水和生活污水未經處理就被排入河流、湖泊和海洋之中，嚴重破壞水質，對人畜的健康造成嚴重威脅。因此，水質監測的必要性越來越受到人們的重視[1]。通過4G-DTU網絡通訊模塊提高數據傳輸的穩定性和高效性，實現固定水域的無人自動檢測、數據上傳。設計監測軟件實現對水質的在線監測，根據《地表水環境質量標準》設計高效的數據庫設計[2]，對河流類型、斷面類型、以及氨氮、pH值、溫度等相關信息進行儲存和管理，方便工作人員進行水質趨勢分析，具有重大經濟和社會效益。

1 系統總體結構

水質監測系統的總體結構如圖1所示。本監測系統由現場檢測層、遠程傳輸層、遠程監測層組成。現場檢測層負責檢測某一流域的不同斷面站點的水質氨氮相關數據信息。同時將下位機檢測的數據通過串口總線傳給4G-DTU，4G-DTU通過配套的“透傳云”服務器，將數據發送給開發好的遠程監測中心，可以實現實時監測，數據管理，參數配置等功能。

圖1 系統總體結構

2 遠程通信設計

2.1 系統組網方式

本監測系統中的4G-DTU集成了TCP/IP協議[3]，支持網絡透傳模式，支持TCP連接和UDP連接，支持各運營商的4G網絡。用戶通過使用SIM卡直接連上4G網絡，提高了水質信息傳輸的高效性和組網的靈活性。同時，DTU支持設置網絡心跳包，在網絡透傳模式下，本監測系統讓DTU發送心跳包與服務器保持連接，支持斷線重連功能，保證了水質監測信息的完整性和穩定性[4]。

在遠程網絡傳輸中，DTU模塊只能和處于公網IP數據中心服務器進行通信。而監測中心處于局域網中，需要使用端口映射，域名綁定的技術實現連接。這樣的實現方式比較麻煩，本系統采用了4G-DTU配套的“透傳云”，透傳云可以實現2個DTU終端的連接，也可以通過配套的虛擬串口軟件實現終端和PC的跨網絡遠程連接。本系統使用上位機借助虛擬串口軟件實現網絡數據轉換為串口數據，并可以連接透傳云。在使用透傳云實現網絡傳輸的時候需要在透傳云網站上為2個終端分配“設備編號”和“通訊密碼”。DTU和虛擬串口都通過給定的IP地址和目標端口，并結合設置好的設備編號和通訊密碼實現水質檢測終端和遠程監測中心的連接通訊。監測中心可以通過上位機實現與水質檢測終端的數據交互。系統組網方式如圖2所示。

圖2 系統組網方式

2.2 通訊協議設計

本系統中，遠程監測中心和DTU之間形成點對點連接。主控芯片通過各類水質傳感器采集信息。經過DTU將串口數據轉換成IP數據通過4G網絡發送出去。在監測中心，虛擬串口將IP數據轉換成串口數據發送給遠程監測中心。遠程監測中心和主控芯片進行交互的時候需要遵循安全高效的通信協議。水質監測系統的傳輸幀格式有下發指令幀和回應執行幀2個部分。回應執行幀的幀格式與下發指令幀的幀格式是相互對應的。回應執行幀是由檢測終端發送至監測中心的，源地址就是水質檢測終端下位機的編號，而幀協議中的目的地址是遠程監測中心上位機，只有保證回應執行響應幀來源清楚，執行動作正確的話，接下來的數據響應實現才會準確，同時響應幀也作為水質監測任務完成狀況的檢測標準。響應幀格式如表1所示。

表1 響應幀格式

監控中心可以發送配置命令、執行命令和讀數命令。配置命令可以改變水質檢測站硬件的配置參數，而執行命令使水質監測站硬件狀態發生對應的改變，監測中心通過讀數命令獲取水質檢測站硬件作業狀態。水質檢測終端下位機都擁有不同的編號，編號對應著命令幀中的目的地址，需要執行功能則來自于功能信息，檢測終端下位機通過判斷目的地址與功能信息完成測量任務，具體幀格式如表2所示。

表2 命令幀格式

3 監測軟件設計

3.1 上位機設計

3.1.1 人機交互界面設計

監測中心所要完成服務工作包括水質監測、數據管理以及參數配置。這些功能的實現都是基于良好又高效的人機交互界面。所以良好的人機交互界面是本監測系統中重要的基礎部分。通過人機交互界面，可以將水質檢測終端檢測到的水質信息實時顯示在監測上位機中的屏幕上。本系統采用VC++軟件編寫監測上位機。完成位圖編程、多線程編程、MFC ODBC數據庫編程相關系統功能[8]。

監測界面由以下幾個部分組成，其各部分控件具體功能如下所述：

a.啟動測量部分，當監控中心點擊啟動按鈕，在位圖的左上角可以顯示連接工作情況,并且向現場檢測站發送命令數據，執行檢測功能。

b.停止測量部分，當監控中心點擊中斷按鈕，并且向檢測終端站發送命令數據，執行停止功能。

c.定時檢測部分，當監控中心點擊中斷按鈕，配置定時參數，實現定時監測，并且向檢測終端站發送命令數據，執行檢測功能。

d.數據庫管理部分，實現遠程監控中心對水質等相關數據的管理、分析、顯示。

e.通信配置部分，完成串口通信服務設置，可以設置串口號、波特率、源地址、目的地址、停止位、奇偶位、校驗位等相關信息。

f.曲線顯示部分，為了幫助工作人員更方便地分析水質信息，在監測軟件設計中還增加了各參數數據的曲線顯示，直觀地顯示水質變化趨勢。

3.1.2 MFC ODBC數據庫設計

監測軟件在對數據庫進行查詢管理分析的時候，需要對已經創建好的數據庫進行訪問處理。在此，采用ODBC數據庫訪問技術，實現在監測軟件中打開、顯示、操作、更新數據庫的功能。VC++在其基礎類庫(MFC)里對ODBC API進行了封裝，實現了一個面向對象的數據庫編程接口，使VC++的數據庫變得更加容易。MFC對ODBC的封裝主要是CDatabase類和CRrcordSet類[9]。數據庫儲存過程主要分為3部分：使用Open()函數打開相應數據庫；通過SQL語言查詢到相應的主鍵實現數據的儲存；儲存結束后關閉數據庫。數據庫儲存程序流程如圖3所示。

使用MFC所供的ODBC類：CDatabase(數據庫類)，CRecordSet(記錄集類)和CRecordView(可視記錄集類)。

CDatabase類可以實現對水質監測信息的數據源進行連接，從而對水質信息數據源進行操作。

CRecordView類可以用來顯示本系統中水質信息數據庫的記錄，該視圖可以直接連接到1個CRecordSet對象的表單視圖。

圖3 數據庫儲存流程

CRecordSet類可以實現用戶對水質信息數據庫進行數據查詢、數據刪除和數據修改，并能直接為水質信息數據源中的表映射1個CRecordSet類對象，CRecordSet類對象提供了從數據源中提取出表的記錄集[10]，并提供了2種操作形式：動態記錄集(Dynasets)和快照記錄集(Snapshots)。

3.2 系統數據庫設計

水質監測可以將水質數據進行采集顯示，為了合理高效地治理水污染，需要對水質進行分析，分析建立在大量數據的基礎上，所以建立水質信息數據庫對于水資源管理十分必要。遠程水質監測系統的目標是對某一流域中某一斷面的水質情況進行監測和分析，使監測站的管理工作更加規范化、制度化、程序化、提高信息處理的準確性，保證數據處理的時效性和完整性，充分發揮監測數據的效用，提高水質監測和治理工作的效率，提高環保管理的決策水平[11]。本系統中的水質信息數據管理系統為監測站提供監測信息管理工作[12]。系統功能模塊結構如圖4所示。

圖4 系統數據庫功能

3.2.1 數據庫功能要求

數據庫主要有以下功能：

a.完成監測信息的隨機查詢。

b.完成一定要求的統計分析。

c.完成監測系統的更新、刪除、修改。

d.完成報表打印輸出。

e.保證信息的安全性。

3.2.2 邏輯結構設計

本系統采用Access數據庫對水域河流的水質氨信息進行分析。Access采用模塊化設計，基本上不需要復雜的編程操作，因此對非數據庫專業人員比較友好，可以在短時間內自學掌握屬性數據庫的開發。并且Access數據庫的的優化調整十分方便，便于對數據庫的修正和刪改，開發周期也短，維護方便[13]。經過對《地表水環境質量標準》分析研究，對相關水環境：河流的位置、斷面的位置、以及pH值、溫度信息進行統計分析。本系統水質監測信息如表3所示。

表3 水質監測數據信息

3.2.3 物理結構設計

本系統數據庫由于存儲的是實時監測的水質數據，這些數據是對檢測水域的真實反映，同時，工作人員需要對水質數據進行后續的管理分析預測等工作。所以本系統數據庫的設計需要堅持以下的設計原則：

a.對數據庫里的數據進行合理管理，根據數據的種類進行有效的歸類和劃分，對數據進行有效描述。

b.安全性是數據庫中十分重要的特征，通過對數據庫里面的數據進行冗余處理，不過需要考慮到數據維護難度的提高。本系統根據實際水質情況對數據庫的數據進行合理取舍，保證了數據的安全性穩定性。

c.在數據庫設計的時候需要考慮存儲結構的優化和管理。這是數據庫高效工作的前提。

4 結束語

通過高速、穩定、靈活的組網方式實現對水質氨氮、pH、溶解氧等多參數水質數據的穩定上傳。設計合理的數據庫儲存上傳的數據信息，監測人員通過高效友好的上位機實現對固定水域中的斷面水質情況進行監測,為環保部門提供了有效的水環境監測方案，具有一定的社會效益和發展前景。

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