基于MCGS的海洋生态环境实时监测系统软件设计

王小红 ，马然， 曹煊， 张述伟， 吴宁， 曹璐， 张丽， 张天鹏

(山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266061)

【海洋科技与装备】

基于MCGS的海洋生态环境实时监测系统软件设计

王小红 ，马然， 曹煊， 张述伟， 吴宁， 曹璐， 张丽， 张天鹏

(山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266061)

设计了基于MCGS组态软件的海洋生态环境自动监测系统软件，结合营养盐、多参数、海水总有机碳等传感器的使用，实现了对水质综合参数、营养物质、有机物等多项海洋生态参数的实时自动监测，并通过DTU数据传输终端将数据实时传送至用户数据中心。该软件采用模块化设计，数据结构较稳定，可移植性和可扩展性较强，界面生动清晰，用户操作简单，维护方便。实验结果表明，该软件运行稳定，数据通信可靠，可用于海洋生态环境的实时监测。

MCGS组态软件；海洋生态环境监测；数据传输单元

Abstract∶In this study, a MCGS based software for the real-time monitoring system of the marine ecological environment was developed, and the sensors such as nutrient, multi-parameter, and total organic carbon (TOC) were used together to realize the real-time and automatic monitoring of marine ecological parameters such as integrated water quality parameters，seawater nutrients and organic matters. Through the DTU data transmission terminal, the monitoring data were transmitted to the user data center in real-time. This proposed software was designed based on the imbedded module and featured with stable and flexible data structure, strong portability and extensibility, friendly interface, simple operation, and convenient maintenance. The in-field demonstration results showed that the software worked stably with the reliable data communication, and it could be applied to real-time monitoring of the marine ecological environment.

Key words∶MCGS configuration software; marine eco-environmental monitoring; data transfer unit

当前，我国面临着严峻的海洋环境问题和生态问题，赤潮、绿潮等生态灾害频发，生境退化，生物多样性降低，与民生关系密切的近岸海域尤其如此，因此，取得连续在线的海洋水质综合参数(pH、叶绿素、浊度、温度、盐度等)以及营养物质(硝酸盐、亚硝酸盐、铵盐、磷酸盐、硅酸盐、总氮和总磷等)、有机物(化学耗氧量、生物需氧量、总有机碳、多环芳烃等)、放射性物质、水中溶解气体等海洋生态环境参数，获取海洋生态环境长期综合观测资料，客观分析海洋生态环境的现状及动态变化趋势，是海洋生态环境研究和保护的前提和基础。目前，我国建设的100多个海洋环境监测站多以水文、气象观测为主，没有全面开展海洋生态环境观测，其观测潜能被严重浪费，面对日益严峻的海洋生态环境问题，不能提供足够的数据支持，所使用的的监测设备也严重依赖进口，不能完全适用于中国复杂的海洋环境监测条件[1-3]。如何充分利用现有海洋站的基础设施、观测设备和保障条件，开展海洋站生态环境长期综合观测系统集成技术研究，研制稳定可靠、自动、操作简便、高度集成的海洋站生态环境长期综合观测系统，有效弥补现有海洋环境观测体系在长期连续在线观测方面的不足，对我国海洋环境保护和海洋生态科学研究具有深远的意义。为此，本实验室项目组研发了一套适用于中国海洋环境的实时监测系统。该系统基于通用监控系统 (monitor and control generated system，MCGS)的上位机软件设计开发，能够实现对多种海洋生态参数的实时在线数据监测、显示、保存和网络传输。

1 系统总体设计

1.1系统组成

本项目设计研发的海洋生态环境监测系统，主要由海水采集和分配子系统、监测传感器子系统、数据采集硬件子系统和上位机软件子系统组成。系统集成了温度、盐度、深度、浊度、溶解氧、叶绿素、pH、总有机碳、硅酸盐、氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐、磷酸盐等海水水质常规监测参数，具有可靠性高、操作简单、维护频次低的特点。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构Fig.1 The overall structure of the system

1.1.1 海水采集和分配子系统

海水采集和分配子系统主要由采水模块、水样分配模块和过滤模块组成。采水和水样分配模块负责采集表层海水并将水样分配到监测传感器子系统中，进行各项生态参数的监测；过滤模块主要由采水泵上固定的初级过滤网和口径1 μm的二级营养盐过滤器组成。

1.1.2 监测传感器子系统

监测传感器子系统主要由监测各项生态参数的传感器组成，现阶段主要集成了用于监测温度、盐度、深度、浊度、溶解氧、叶绿素和pH的多参数传感器，用于监测硅酸盐、氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐和磷酸盐的营养盐传感器和用于监测海水总有机碳的TOC传感器，同时系统为后续其他生态参数监测用传感器集成预留了接口，3个传感器均采用12 V供电，RS232通用接口通信，检测范围和准确度均达到国内外先进水平。各监测传感器按照相应的通信协议与上位机软件进行通信，接收上位机软件的指令进行各参数监测，并将监测数据上传到上位机软件，实现对各项海洋生态环境参数的实时监测。

1.1.3硬件主控子系统

数据采集硬件子系统采用模块化架构和总线方式的设计思想，以嵌入式低功耗CPU为核心(主频600 MHz)的高性能嵌入式一体化工控机TPC1561Hi作为核心主控系统，具有10路RS232/485串行接口、2路CAN总线通信接口、RJ45-10/100M Ethernet网络接口、2路USB3.0接口等丰富的系统资源，主要负责系统和各监测传感器的供电和启停、系统中各类泵阀器件的状态控制，通过串口与监测传感器实现交互，采用Mod-bus协议，与上位机软件进行数据传输和通信连接，保证数据稳定可靠。

1.1.4 上位机软件子系统

上位机软件主要由数据采集和处理模块、图形用户显示界面、参数配置模块、流程控制模块、数据保存模块和网络传输模块组成，负责与硬件主控子系统进行数据传输和通信连接，采集、处理、显示、保存和调用各项生态环境参数，并将监测参数传输至用户数据中心。

1.2系统工作原理

根据不同需求，软件可设置系统为自动运行状态和手动运行状态，系统在两种运行状态下的工作原理相同：上位机根据系统流程设置向各个子系统发送泵阀控制指令和数据采集指令，各子系统收到控制指令后按照时序依次运行，分时对各监测传感器进行数据采集，然后把采集到的各传感器数据实时上传至上位机软件，上位机软件接收、处理、显示和保存数据。

2 系统上位机软件设计

2.1软件概述

上位机软件是海洋环境实时监测系统的智能核心，采用基于Windows系统的MCGS为开发平台，MCGS能够通过对现场数据的采集处理，以动画显示、流程控制、报警处理、报表输出等多种方式解决实际工程问题，在自动化控制领域有着广泛应用[4-6]。系统上位机软件采用多线程技术，利用多层架构和功能模块化设计，能够实现对子系统的运行控制,子系统之间的交互通信,数据采集,分析和处理,数据图形化显示,数据库存储和历史数据调用,对外数据通信等功能。系统软件结构设计如图2所示。

图2 海洋生态环境实时监测系统软件设计结构图Fig.2 The structure of marine ecological environment real-time monitoring system software

2.2软件功能设计

2.2.1 软件流程设计

软件采用功能模块化设计，分为TOC分析流程、多参数分析流程、营养盐分析流程和化学清洗流程4个独立流程，其中营养盐分析流程又分为营养盐前处理流程、5个营养盐参数的单独分析流程和营养盐后处理流程，各流程均可实现自动化和手动控制运行。自动运行流程触发采用时间扫描触发方式，用户可在时间设定界面设置每天各分析流程启动时间，当到达某分析流程设定时间即开始该流程；手动控制运行由各流程的触发按钮触发。各分析流程触发程序框图如图3所示。以营养盐分析流程自动化运行为例，其运行流程图如图4所示。

图3 分析流程触发程序框图Fig.3 Block diagram of analysis process triggers

图4 营养盐自动检测分析流程图Fig.4 Flowchart of automatic detection and analysis of nutrients

若系统中的泵阀、传感器或软件程序的任何部件或环节出现异常或故障，当软件在流程运行中检测到之后，会立即执行异常中断流程，将系统中的海水排空后结束流程，并在流程运行状态栏显示异常报警信息，以便用户和开发人员等及时发现系统异常并对系统进行维护。

2.2.2 软件通信设计

上位机软件与用户数据中心通过DTU(Data Transfer unit)实现远程网络通信，DTU是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据，通过GPRS无线通信网络进行传送的无线终端设备，该终端具备无需后台计算机支持，利用GPRS网络接入稳定且速度快、永远在线等特点[7-10]，在气象、地质、水文水利相关工业监控、环境监测等领域有广泛应用。DTU大都将串口数据设计成“透明转换”的方式，即可以将串口上的原始数据转换成TCP/IP数据包进行传送，而不需要改变原有的数据通信内容。因此，DTU可以和各种使用串口通信的用户设备进行连接，而且不需要对用户设备作改动。

系统上位机软件通过RS232串口与DTU终端通信，按照系统设定的数据发送时间，将检测所得海洋生态环境参数根据用户要求的数据格式打包传输至DTU，DTU可以将串口上的原始数据转换成TCP/IP数据包进行传送，不需要改变原有的数据通信内容。因此DTU接收数据后通过GPRS模块将数据封装成TCP/IP格式的数据包，由GPRS网络发送至具有固定公网IP地址或固定域名的用户数据中心，用户数据中心可以直接读取并分析检测数据，实现对海洋生态环境综合参数的远程监测和分析。DTU数据通信系统原理如图5所示。

图5 DTU数据通信原理图Fig.5 DTU data communication schematic

2.2.3 软件界面设计

系统软件界面主要包括主界面、参数设置界面和历史数据界面等。主界面显示各监测参数的实时数据、各泵阀状态、各分析流程的手动触发按钮和流程运行状态，界面设计如图6所示。参数设置界面主要包括各分析流程的手动控制和等间隔运行控制的选择、元器件和各传感器手动操作设置、自动运行状态时流程触发时间设定、系统强制重启和手动结束等待等操作。历史数据界面显示各参数的历史数据曲线和表格，通过设置可显示不同时间段、某个或某些参数的历史数据曲线和表格，也可以手动触发保存，将所需的历史数据另存到用户指定路径，界面设计如图7所示。此软件界面设计简单直观，操作方便，人机界面友好，便于用户使用。

图6 软件主界面图Fig.6 The main interface of the software

图7 软件历史数据界面图Fig.7 The historical data interface of the software

3 实验结果

系统安装在舟山海域潮位站，在2016年3月—8月进行了为期6个月的系统试运行实验。在试运行期间，系统每天24 h连续运行，每月进行一次周期6—9 d的现场比对监测实验，具体实验方法为：每天分多个时段，采集同一时间同一区域的海水，分别使用系统检测和实验室标准方法检测，得到各参数的检测数据。以2016年5月23日—31日为期9 d的比对监测实验为例，图8～10分别为水质综合参数中的盐度、溶解氧和营养物质中的硅酸盐的比对实验结果。比对结果表明，该系统软件能够实时准确地显示、存储和传输各项海洋生态环境参数，有良好的运行稳定性和数据准确度，故障率低，维护简单方便，能够很好地应用于海洋生态环境监测领域。

图8 2016年5月23日—31日盐度比对监测实验结果Fig.8 Site comparison test results of salinity in May 23—31, 2016

图9 2016年5月23日—31日溶解氧比对监测实验结果Fig.9 Site comparison test results of dissolved oxygen in May 23—31, 2016

图10 2016年5月23日—31日硅酸盐比对监测实验结果Fig.10 Site comparison test results of SiO42- in May 23—31, 2016

4 结语

本文设计的海洋生态环境监测系统，采用MCGS组态开发软件，具有数据结构稳定、灵活，通用性、可移植性和可扩展性好，界面生动清晰、用户操作简单等优点。软件数据采集控制灵活，可根据不同用户实际需求进行设置，数据存储和传输效率高，能够实现实时数据的高效存储和每日数据的网络传输。

同时，系统也存在一些不足，如软件操作界面不够美观大方，流程异常中断处理和中断恢复处理不够全面和完善等。因此，在保证和提高系统稳定性的同时，将逐步完善系统现存的不足，提高性能，使系统能更好地应用和服务于海洋生态环境实时监测领域。

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MCGS based software design for the real-time monitoring system of marine ecological environment

WANG Xiao-hong, MA Ran, CAO Xuan, ZHANG Shu-wei, WU Ning, CAO Lu, ZHANG Li, ZHANG Tian-peng

(Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environment Monitoring Technology, Institute of Oceanographic Instrumentation, Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266061, China)

TP311.52

A

1002-4026(2017)05-0001-07

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.05.001

2017-05-03

国家重点研发计划(2016YFC1400804，2016YFC1400803，2016YFC1400801)；国家自然科学基金(41206076)；山东省自然科学基金(ZR2014DM012，ZR2014YL006，ZR2016DM17)；山东省重点研发计划(2015GGX103031)

王小红(1989—)，女，研究实习员，硕士，研究方向为信号与信息处理、软件研发设计。E-mail：wxh16@163.com