基于UNO-2178A的远程自动化水质监测系统

李程达?

摘 要：文中基于嵌入式工业控制机UNO-2178A设计了一款远程自动化水质监测系统。该系统布放于待监测海域，在信息管理平台的指令控制下，可以自动完成海水样品采集、水质参数分析与处理等。同时，系统将监测结果反馈回信息管理平台，可以在线监测温度、盐度、溶解氧、电导率、有色可溶性有机物（CDOM）、叶绿素等多种环境参数。系统基于高效、紧凑的嵌入式平台设计而成，有利于在待研究海域大面积多点布放，保证对海域水质监测的可靠性、准确性和便捷性。

关键词：嵌入式工业控制机;自动化;水质监测;海洋环境;气候变化;温室效应

中图分类号：TP274;TN929.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2019）06-00-03

0 引 言

全球气候变化是当今人类社会可持续发展所面临的最严峻挑战之一。人类活动释放的CO2是导致全球变暖和气候变化加剧的重要原因。海洋占地球面积的71%，能够通过多种方式吸收CO2，缓解全球气候变化[1]。健康的海洋生态系统能够持续良性的产出，为人类社会提供食物、能源和生存环境，更与国家兴衰相连，同时，地球历史上的若干重大地质事件和生物灭绝都与海洋直接相关[2-3]。因此，海洋生态和环境变化相关的科学研究成为了国际关注的热点[4-5]。当前海洋环境水质参数的获取主要依靠科研人员携带仪器到研究海域进行测量，工作繁琐，且不同研究海域所监测的数据时间不同步无法对比，缺乏研究意义。因此一套稳定、低成本、可复制运行的在线监测系统成为当前研究的关键，有利于在待研究海域大面积多点布放，通过统一的信息管理平台实时在线获取数据以及监测设备运行状态，保证对海域水质环境监测的可靠性、准确性和便捷性。

1 整体系统

水质监测整体系统按照功能单元可以分为监测设备、传输网络及信息管理平台。监测设备布放于现场环境，以适用于原位环境观测的浮标、科考船为载体。监测设备包括用于采集海洋现场环境参数的传感器组及相关控制、传输系统。传输网络自适应适配无线传输和有线信号传输，支持目前多种通信制式，适合近海及远洋观测。监测设备将现场采集的数据通过传输网络发送至信息管理平台，同时接收来自信息管理平台的控制命令，进行相应系统动作及数据分析处理业务[6]。水质监测整体系统结构如图1所示。

2 硬件系统

2.1 流路系统

流路系统主要由泵水系统及样品存储罐构成。泵水系统包含过滤器、水泵、阀门、水泵控制器和管路。水泵是泵水系统的主要动力结构，具备耐腐蚀、耐生物附着等特性。过滤器可以滤除水体中的大颗粒杂质，阀门用于控制管路内水体的流速与流体通路。水泵在水泵控制器的作用下将海水样品泵入样品存储罐中，水泵控制器具有控制接口，在控制系统的指令控制下执行泵水动作。

样品存储罐内部放置多参数水质分析仪，同时设置有液位传感器，用于监测罐体内部样品的液位状态。样品存储罐进水口位于罐体底部，出水口位于罐体顶部，当液位到达顶部出水口高度时，罐体内海水样品自然溢流，通过自然溢流的作用完成罐体内部海水样品的循环采集排出。流路系统的整体结构如图2所示，图中虚线为信号控制线，实线为流体通路，箭头指示实际的海水样品流向。

2.2 控制系统

控制系统基于台湾研华科技设计生产的UNO-2178A嵌入式工业电脑，其内含有INTEL ATOM D510处理器，最高主频为1.67 GHz。UNO-2178A采用超紧凑型结构设计，尺寸小且功耗低，具有坚固的外观及散热设计，扩展性能良好且安装方便，适用于有限空间的应用。控制系统整体结构如图3所示，图中实线为信号连接，虚线为电源供应，箭头为数据流向。

存储空间：监测设备具有2 GB的DDR2内存以及一块250 GB的SATA接口的固态硬盘存储器，可以满足系统的运行分析处理以及运算过程中产生的数据存储空间需求。

供电系统：供电系统由太阳能电池板、蓄电池组及电源管理模块构成。太阳能电池板为2块18 V/50 W的单晶硅板，在电源管理模块的控制下向2塊12 V/38 AH的蓄电池组充电，由电源管理模块向监测系统提供12 V的直流电源。

外围接口：UNO-2178A共有8个串行通信接口及2个以太网接口，监测设备通过数字量I/O模块采集液位传感器的液位数据以监测系统的液位状态，同时控制水泵、电磁阀的通断以控制流体通路。显示模块采用液晶面板设计，作为系统的人机交互界面显示状态信息，用于工程调试。

通信模块：MODEM（通信模块）选用合宙通信设计生产的Air720，Air720是最近推出的LTE Cat.4模块，采用LTE 3GPP Rel.9技术，支持最大下行速率150 Mbps和最大上行速率50 Mbps，能够向下兼容现存的EDGE和 GSM/GPRS网络，以确保系统在缺乏3G和4G网络的偏远地区也能正常工作[7]。

多参数水质分析仪：选用美国WET LABS的WQM水质监测仪。WQM水质监测仪可在线监测温度、盐度、溶解氧、电导率、CDOM（有色可溶性有机物）等多种环境参数。

3 软件系统

监测设备软件系统结构如图4所示。图中模块间连线表示模块间的通信接口，箭头表示数据流向，虚线框中的各功能模块表示与软件系统交互的硬件电路单元。

I/O处理模块：该模块与数字量I/O电路单元交互，通信介质为RS 485接口。数字量I/O电路由液位检测单元和继电器控制单元组成。I/O处理模块一方面是以周期轮询的方式通过相关指令查询液位传感器的数据，记录液位状态;另一方面接收业务处理模块发送的执行动作消息，封装指令包下发至数字量I/O电路单元，进行水泵、相关阀门的启动和关闭动作。

AT指令处理模块：该模块与通信模块电路单元交互，通信介质为RS 232接口。AT指令处理模块通过指令与远程服务器建立TCP/IP连接，监测设备工作于TCP CLIENT模式[8]。AT指令[9]处理模块接收信息管理平台下发的指令包，完成指令包的数据完整性分析，提取指令内容并将其发送至业务处理模块。AT指令处理模块读取消息队列获取返回指令，并将读取的指令返回至信息管理平台[10]。