污水排放口水样采集与监测系统的设计与实现

杨芹　洪洲　刘金新　王宜鸭　张旺

摘要：在目前传统企业污水采用人工采集数据的情况下，效率非常低，导致监控不尽如人意，对污染源的控制力度较弱。为了解决这一问题，该文研究污水采集的硬件方案设计，对采集之后的数据进行软件处理，实现数据的智能采集、智能监控、智能管理，从而提高数据处理的效率。采集与监测系统通过串口编程实现数采仪的数据采集与存储，运用MVC思想进行监控主系统的分层开发，使用移动应用开发技术开发了手机app程序，实现了数据实时远程监控、报警处理、综合查询分析与系统设置等功能。

关键词：水样采集；远程监控；串口编程；分层开发；移动应用开发

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）13-0199-03

1概述

在目前传统的人工定期采样的状态下，水环境监控的监控效果差强人意，对污染源的控制力度较弱。为了达到最全面的水环境监控，最佳方案是在每个污水排放口安装在线监测设备，但由于资金不足等实际因素，大多数污水排放口都没有安装在线监测设备。自动水质监控设备国外产品较多，有的国外产品也可以实现无线通讯功能，无需铺设电缆，但都具有严格的通讯范围，作用有限，因此没有在我国得到大量应用。

本文提出使用GPRS无线网络技术使一套主系统同时监控多套现场子系统，实现了在低投入的情况下及时准确采样和水质在线监控的功能。现场子系统具有较好的便捷性和广泛的现场适应能力，可在大多数场所实现取样和水质监控任务，因此可以有效的提高水质监控效率，加强对污染源的控制力度。

2系统总体结构与设计原理

2.1系统整体架构

污水排放口的处理现场监测仪表的数据（COD、流量、PH等设备）由数据采集仪采集处理，并通过GPRS模块以无线上网的方式，发回内部监控中心的接收服务器，监控中心软件把接收到的数据，根据通信协议解析后，存储于数据库服务器，工作终端与数据库服务器相连以实现监控中心对数据的同步监控、记录、处理等，并将采集到的异常信息通过智能手机的APP提醒用户，并可根据对数据报警量的设置，实现对多路信号的自动监视，减少对人员的依赖，如图1所示。

监控中心可以通过系统软件发出控制信号给各个污染源现场的数据采集仪，数据采集仪将接收到的控制信号分别进行识别处理后，就可以将监控室的控制信号送到所设定的控制仪表和设备，从而完成各控制动作和仪表的运行状态等。

2.2硬件选型与方案设计

2.2.1数据采集器

水样数据采集器的外壳中装有时钟控制电路、模拟信号采样模块、数字信息处理模块、脉冲生成器、通信接口、电源电路、显示电路等，所述的外壳上具有显示屏，显示电路与显示屏连接。如图2所示。

2.2.2GPRS无线控制器

数据采样完成后，通过GPRS无线控制器将数据进行传输存储。GPRS控件采用的是RS-232的通信接口，实现对数据的监控与处理，其主要的属性有：TP地址、端口号和接收到的数据长度。GPRS控件将数字信号处理过的数据存储到数据库的工作流程如下：

用户创建一个程序时，它必须获取IP地址和远程计算机的端口号，初始化GPRS服务，然后调用使连接请求的方法连接用户。

在建立连接之后，客户机和服务器都可以收发数据。当进行发送数据到数据库的操作时，调用SendDataGPRS的方法；当进行数据接收时，调用DataArrival事件内的GetData

方法将数据从缓存区中读出来。

当用户需要关闭服务时，先关闭所有控件的连接，然后调用StopServer（）方法来停止GPRS服务。

3软件分析与设计

3.1需求及用例划分

就目前排污企业现场排放口水样采集与监测系统来说，最主要的系统功能需求包括：管

理员对该系统的基本设置与维护、报表的统计查询、调出历史数据、查看报警数据、能够实时监控等等。在此需求之上，采用用例图，根据需求建立用例模型，将基本功能呈现如图3所示。

3.2系统设计

系统设计是基于系统需求分析进行的，根据需求和用例图，再进行具体的系统设计，制定出合理的系统结构、数据库结构。本系统采用的是B/S架构，用户上网，就可以通过WebServer同数据库进行数据交互。

3.2.1系统功能结构设计

排污企业现场排放口水样采集与监测系统实现了水样数据的实时监控、数据综合查询、用户管理与系统设置等功能，具体功能描述如图4所示。

1）实时监控模块主要实现对水样各指标的实时监控，用户或者管理员可以任意监测点的污水，然后查看当前水样PH值、流量等情況，一旦发现数据异常，则报警，并将数据存储到数据异常表中。

2）数据综合模块主要实现日报数据、查询参数曲线绘制、历史数据查询、历史报警查询。对于管理员和用户来说，查看太多的数据不利于进行正确的数据处理分析，所以通过日报显示曲线绘制，使得数据信息一目了然。

3）用户管理模块主要实现管理员对用户信息的维护权限维护以及对用户的密码进行修改。这一模块对于管理员和用户的权限是不一样的。管理员可以对用户信息进行管理，而普通用户只能拥有修改密码的权限，这样大大提高了整个系统信息的保密性与安全性。

4）系统管理模块主要实现管理员可以进行省、市、区域管理、排污口管理、设备管理以及对参数的设置。

3.2.2数据库设计

数据库设计是软件设计的一个重要组成部分，一个合理的数据库表结构，直接影响到排污企业现场排放口水样中各指标数据采集与处理系统的运行效率，一个完美的数据库设计能够使得系统具有很高的可扩展性，便于日后新的系统功能地加人，对于数据库的维护会更加的容易，也便于数据库的备份与恢复，确保数据的准确性和安全性。

在数据库设计中，通常首先采用E-R图模拟现实中的实体之间的关系画出概念模型，然后通过概念模型再进行数据库表结构的设计。本系统的全局E-R图如下图5所示：

4软件具体实施

4.1数采仪的数據采集与存储

数采仪通过数字通道、模拟通道、开关量通道采集监测仪表的监测数据、状态等信息，然后通过传输网络将数据、状态传输至接收服务器；服务器通过传输网络发送控制命令，数据采集传输仪根据命令控制监测仪表工作。

以采集PH为例，PH仪放入待测水样中，获取水样的PH值，数采仪获取PH仪的数值，PC端配置好端口号（COMl）和波特率（38400），然后获取所得数据中我们需要的数据字段，截取下来，通过代码写入数据库中，核心代码如下：

4.2Web端系统的设计

本系统采用浏览器/Web应用服务器/数据库服务器体系，即B/S结构。使用Visual Studio C#作为前台开发工具，SQLServer作为后台服务器数据库管理系统。

传统的Visual StudioC#技术设计是基于Web实例的，在页面中同时显示流程控制和业务逻辑，这样的设计有不足之处就是它们相互之间影响着，一旦发生改变，则需要调整整个程序的代码，修改起来费时费力。因此，本系统运用了MVC思想进行了分层开发，利用了面向对象的开发技术，将整个程序模式分为三层：数据模型层、业务控制层、界面视图层。

1）数据模型层（Model层）：定义并封装各种类库，实现Web端与数据库之间进行数据的调用与存储。

2）业务控制层（Controller层）：又被称为“业务逻辑层”，是整个Web程序的核心部分，应用程序的功能实现都在业务层，与系统有关的实现功能需求的代码，都在业务层编写。

3）界面视图层（View层）：又称为“UI层”，用于将业务层的数据显示给用户，实现与用户的交互。它将连接业务层和外界输入的纽带，界面层设计的好坏直接影响用户对于整个系统的印象。为了使系统的所有界面统一且美观，本项目的设计采用DIV+CSS布局并融入JS以及Jquery技术，其中CSS样式表，有两种不同的定义方式，本系统主要采用的是级联式样式表中的链接式，即根据不同的网页，链接到不同的样式形式，这种链接方式实现了样式与网页的彻底分离，符合了系统分层开发的原理。图6是监测系统中针对某一个具体的排放口的COD数据的日报折线图。

4.3Android客户端的设计

1）实现客户端与远程服务器连接以及数据请求：编写服务器端应用程序，其目的是连接数据库，开启监听线程接收用户的请求，以及数据的主动反馈，其细节包括封装数据库访问的操作、DataInputStream和DataOutputStream封装数据传输流、编写服务器线程、封装服务器与客户端的连接以及封装数据格式处理。

2）实现用户操作以及对数据的图形处理：在开发环境Eclipse中调用图形类，对数据进行识别编号。

3）客户端发送数据请求并建立数据连接：运用Java Socket编程，让服务器主动向指定的IP地址的客户端发送数据。

5结束语

为了满足信息时代对于污水采集与监测智能化需求，本文运用Visual Studio的分层开发技术和移动应用开发技术，结合了SQL Server数据库的后台数据处理与存储技术，设计出了较为完整的系统。所开发的工作界面Web网页以及Android客户端，界面美观、使用方便，处理异常准确且及时，整个开发编程工作与排放口水样采集与监测的实际操作过程紧密结合，使用开发出来的软件完全符合用户的要求且使用效果良好。