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Journal of Tropical Oceanography >

2018 , Vol. 37 >Issue 5: 1 - 6

DOI: https://doi.org/10.11978/2018003

Orginal Article

Design and application of data collecting system and data receiving system for water quality monitoring buoy

  • CAO Wenxi , 1 ,
  • SUN Zhaohua 2 ,
  • LI Cai 1 ,
  • ZOU Guowang 1
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  • 1. State Key Laboratory of Tropical Oceanography (South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences), Guangzhou, 510301, China
  • 2. CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China;
Corresponding author: CAO Wenxi. E-mail:

Received date: 2018-01-04

  Request revised date: 2018-03-19

  Online published: 2018-10-13

Supported by

National Key Research and Development Plan (2017YFC0506305)

Welfare Project of the Oceanic Administration (201305019)

National Natural Science Foundation of China (41406205)

Science and Technology Planning Project of Guangzhou City China (201504010034)

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热带海洋学报编辑部
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Abstract

To obtain stable time series observations at low power consumption, a data acquisition system for water quality monitoring buoy was designed. It includes CPU module, control/protection module, communication positioning module, and interface expansion module. In this data acquisition system, a CF2 mainboard was used as the CPU module, with the assistant of a multi-functional board, which uses a single chip microcomputer as a control unit. All the following functions, such as collecting data, saving data and communication, and expanding the modules to realize counting, I/O control, AD (Analog to Digital) conversion, timing, and other functions can be accomplished. A double “watchdog” was designed for the control/protection module to achieve the entire process of independent work unattended in all-weather conditions. The water quality monitoring data system was designed for the purposes of remote receiving, storing and displaying of water quality monitoring data. It includes four key components: data acquisition module, data processing module, systematic early warning module, and data display module, which have the following advantage characters: easy operation, high degree of automation, and graphical display intuitively easy to read.

Key words： water quality monitoring buoy; data collection; data receiving; Pearl River estuary

Cite this article

CAO Wenxi , SUN Zhaohua , LI Cai , ZOU Guowang . Design and application of data collecting system and data receiving system for water quality monitoring buoy[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2018 , 37(5) : 1 -6 . DOI: 10.11978/2018003

近年来随着近海海洋水质污染的日趋严重, 用于水环境监控的海洋水质监测浮标也在逐年增加(Lasgow et al, 2004; 杜立彬 等, 2011; 刘松堂 等, 2013; Mukhopadhyay et al, 2013; 戴洪磊 等, 2014)。海洋水质浮标作为一种无人条件下的自动海洋水质观测站, 能够抵抗恶劣海况环境, 按照预定要求在海上开展长期、连续、全天候水质监测工作, 并定时将原位实测数据远程传回岸站接收终端, 具有运营成本低、监测数据实时、准确等优势。
水质监测浮标总体上主要由浮标体、水质监测传感器、浮标数据采集及控制系统以及用于接收浮标实时采集数据的远程数据接收终端等几大部分构成。浮标数据采集系统设计的关键是保证数据实时采集的可靠性。浮标数据采集系统设计所涉及的关键技术有两点: 数据采集及控制的安全性和数据采集及控制的低功耗。由于海上工作环境恶劣、维护困难, 数据实时采集的可靠性不仅体现在控制整套浮标系统按需、按时运行, 满足数据采集的基本功能需求, 还要求当系统出现意外故障时能够自动恢复正常运行, 以免程序跑飞或陷入“死循环”(杨跃忠 等, 2009), 造成数据信息的丢失或者能源的无限耗损。在确保可靠性的前提下, 低功耗也是数据采集系统设计需要重点关注的设计要点。海洋水质监测浮标通常由蓄电池或燃料电池辅助太阳能或风能构成供电系统, 其电能有限, 且浮标需要在作业环境恶劣的海面上长期无人值守工作, 电源系统维护(蓄电池充电或燃料电池补充燃料等)相对困难, 为延长浮标在海上的使用寿命, 必须对其中关键元器件及设备进行低功耗筛选, 对其结构和供电方式进行合理优化, 确保数据采集系统整体低功耗。在数据接收系统方面, 除了要有基本的数据接收和存储功能外, 还要有优良的浮标数据采集关键参数远程配置功能以及良好的用户界面。
对于珠江口水质监测浮标而言, 其搭载的水质、水文传感器种类较多, 不同类传感器其采样频率、数据格式、信息模式、通讯方式等大不相同, 给数据采集系统的设计带来一定难度, 远程数据接收终端功能要求相对复杂。本文针对珠江口水质监测浮标的上述问题, 讨论了数据采集系统和数据接收系统的设计方案, 研发了一套水质监测浮标用数据采集和接收系统, 实现了水质多参数信息的实时采集、远程传输和实时处理, 为近海水质监测浮标的应用提供了可靠的技术支撑。

1 数据采集和接收系统功能需求

对于浮标数据采集系统的设计, 根据监测需求, 珠江口水质浮标作为一个综合性的水质、水文及气象长时间序列监测平台, 其搭载的传感器有温、盐、深、流速流向等水文传感器, 风速、风向等气象传感器, 氮磷等营养盐、叶绿素、浊度等水质传感器以及配套上述传感器使用的防污染装置等各类传感器和装置。传感器的采样频率从几毫秒到几十分钟, 通讯方式包括串口RS232、I2C、SPI及用于状态位读取和位控命令发送的I/O口, 信息模式包括数据量和模拟量等。各部分运行时状态监控、数据传输及电源监控等系统监控复杂, 给数据采集系统的设计带来一定难度。在数据接收系统方面, 要求拥有数据采集系统的工作参数如时间间隔、采样方式等的远程配置、接收数据控制、日志记录操作、数据显示画面切换、地图加载、程序退出、预警等等多种功能, 并且要求用户界面简洁友好。

2 数据采集硬件系统设计

安装在浮标体上的数据采集系统是整个水质浮标在线监测系统的核心部分, 负责完成数据采集、存储、处理、收发、系统运行状态监控、电源管理等核心功能。从硬件模块来考虑, 数据采集系统包括CPU模块、控保模块、通讯定位模块以及通讯接口扩展模块, 其硬件设计框架图如图1所示。
Fig. 1 Hardware structure of the data acquisition and control system for water quality monitoring buoy. CYCLEPO4: phosphate sensor; SEAFET: pH sensor; LISA: chemical oxygen demand sensor; SUNA: nitrate sensor; ADCP: acoustic doppler current profiler sensor; MICROLAB2: ammonium sensor; WQM: water quality sensor

图1 水质浮标在线监测系统数据采集及控制硬件设计框图
CYCLEPO4: 磷酸盐传感器; SEAFET: pH传感器; LISA: 化学耗氧量传感器; SUNA: 硝酸盐传感器; ADCP: 声学多普勒传感器; MICROLAB2: 铵盐传感器; WQM,水质传感器

选择CF2主板(http://www.persistor.com)为CPU模块, 其主要特点为功耗低、体积小, 性能稳定可靠。CF2主板采用摩托罗拉68332处理器芯片, 并使用CF卡作为存储介质, 这种存储方式安装结构牢固, 可靠性高, 避免了在野外工作时由于浮标晃动等原因造成的接口连接不稳定的问题。主板采用总线方式与其他扩展功能板卡对接, 形成了统一的对外接口。
控保模块以超低功耗16位单片机MSP430F149作为主控芯片, 搭载两路时钟芯片作为计数器, 保证系统的正常启动; 两路计数器对系统工作状态进行并行监控, 避免突发事件导致系统崩溃, 在系统中起到两路“看门狗”的作用。控保模块功能具体包括以下三个方面: 1) 值班功能: 当数据采集系统空闲, 为节约电源电量关闭电源时, 控保模块低功耗值班运行, 监控系统状态, 并依据程序设定在指定的时间节点唤醒系统。2) 稳压功能: 在系统唤醒后为CPU板提供稳定的电源供给。3) 双“看门狗”功能: 冗余监控数据采集系统工作运行状态, 当系统意外死机和程序跑飞时, 重启系统。
接口扩展模块主要用于主控模块与外部设备进行电气连接, 将所有传感器和供电系统的接口转接到主控模块上, 并提供相应的接口驱动给主控模块, 使主控能够与传感器阵列和供电系统进行通讯。针对所采用的在线监测传感器和供电系统, 接口扩展模块主要包括RS232串口扩展板、AD(Analog to Digital)采集板以及I/O扩展板三种, 如图1 所示。浮标在线监测系统搭载的传感器阵列中, 所有传感器的数字信号通讯接口为标准的RS232串行接口, 为满足所需的RS232串口数量, 在硬件设计上通过多种方式对其进行扩展, 具体如图1所示,主要包括通过TPU(Tensor Processing Unit)模拟实现的T7串口扩展模块、通过总线方式扩展的U4串口扩展模块以及通过已有串口扩展的M4串口扩展模块; AD采集板主要用于检测外部供电系统的电源电量; I/O扩展模块采用总线扩展, 主要用作控制外部传感器阵列供电过程, 主控模块通过控制I/O引脚电平实现对相应传感器供电过程的控制。
通讯定位模块的主要功能是传输远程数据信息, 除传输水质水文实测信息外, 还传输浮标所处状态, 如: 其所处GPS定位位置是否发生偏移、浮标平台工作是否正常等状态信息, 以便远程终端工作人员第一时间了解浮标工作及安全状态, 做出相应的应急预案。为了保证远程数据传输的稳定性, 基于目前通讯资源的性价比, 选取了2种通讯方式, 即GPRS无线通讯和CDMA无线通讯。两种通讯方式分别采用GPRS-F2114、CDMA-F2214作为通讯模块, 上述两种无线通讯模块均设计有“看门狗”, 保证系统稳定。采用完备的防掉线机制确保通讯永远在线; 内置反相保护和过压保护, 可提供标准RS232和RS485(或RS422)接口。为确保数据传输的高效性, 两种通讯方式的波特率都设置为57600。通过长期运行监控发现, 系统运行功耗为0.12A/3.3V, 待机功耗为0.01A/3.3V, 系统运行状态良好, 达到了低功耗、高稳定性数据采集及系统监控的目的。

3 数据采集软件设计

浮标在线监测系统需完成复杂的数据采集、交互控制的功能, 除了提供一套稳定的硬件平台外, 还需要设计一套软件配合硬件来完成上述功能。数据采集系统软件设计基于主控板CF2, 在CodeWarrior开发环境下用C语言编程完成, 固化在主控模块内, 主要包括传感器接口驱动程序、安全检测程序、用户响应服务程序以及完成常规数据采集流程的控制程序等。图2所示为浮标在线监测系统的软件工作控制流程。
Fig. 2 Software flow diagram of data acquisition system for water quality monitoring buoy

图2 水质浮标数据采集系统软件流程图

传感器接口驱动程序是底层程序, 主要由各种硬件接口的驱动程序和各种传感器协议耦合而成, 其中包括AD接口的电源检测、RS232串口以及I/O接口的控制驱动程序。考虑到浮标在线监测系统是在无人值守、野外的恶劣环境下工作的, 系统的安全保障尤为重要, 为此配合接口驱动程序, 设计了安全检测程序, 主要用于监控系统运行的状态、维护运行信息以及系统预警。
用户响应服务程序是用户与数据采集系统交互的模块, 当软件系统启动时自动判断是否进入用户响应服务程序, 进入该程序模块后, 用户可以根据需要进行配置文件读取、写入, 关闭和开启传感器以及数据回收等。
采集流程控制程序是核心功能程序, 控制数据采集的方式和过程, 具体包括发送采集命令给传感器阵列、读取并处理数据、数据存储和回发。

4 数据接收软件系统设计

数据接收软件的特征在于可自动实时查询获取远程无线传输数据信息并进行处理, 将处理结果可视化为图表或预警信息。水质在线监测系统数据接收软件包括数据接收模块、数据处理模块、系统预警模块和数据显示模块等四个部分。可实现系统参数设置、数据接收、数据处理和存储、数据查询、数据绘图、日志查询、预警预告等功能。接收软件基于Microsoft.NET Framework 4.0开发, 主要用于接收浮标远程实时采集数据并对其进行存储、显示及管理, 同时对浮标所处位置进行实时监控。
1) 数据接收模块主要用于接收水质浮标现场实时监测数据及浮标和仪器的状态信息并储存; 2) 数据处理模块则是根据用户需求将实时接收到的原始数据处理成用户需求的数据信息并分用户储存, 如面向科研人员的信息数据记录和面向政府职能部门的预警数据信息等; 3) 预警模块主要记录浮标在线监测系统的关键运行参数, 如经纬度、浮体倾角、方位角、电池电量、舱门打开报警等, 实时监控浮标运行状态, 侦测人为及非人为的浮标破坏信号, 及时预警; 4) 数据显示模块是面向用户展示最直观的水质预警信息, 主要用于根据接收到的数据信息实时作图显示现场水质水文参数随时间变化趋势、水质环境预警、浮标所处经纬度变化跟踪图以及其他预警参数信息等。
数据接收中心界面截图如图3所示。主要包括工具栏、状态栏等功能界面 (详见表1)。此软件具有操作简便、自动化程度高、图形显示直观简洁易读等特点。
Fig. 3 The interface of data receiving system for water quality monitoring buoy

图3 水质浮标数据接收中心界面

Tab. 1 The functions of the data receiving software for water quality monitoring buoy

表1 水质浮标数据接收软件功能表

序号 名称 描述
1 工具栏 工具栏按钮包括接收数据控制、日志记录操作、数据显示画面切换、地图加载、程序退出
2 状态栏 包括浮标、岸基站的电压以及时间显示、数据接收中心状态
3 传感器列表 传感器列表包含该项目的所有集成仪器, 单击可以看到该个传感器的数据显示, 如序号5
4 地图 地图加载、定位显示
5 单个传感器显示 图表显示单个传感器数据
6 状态框 显示数据接收中心系统时间、最新日志记录、预警信息
7 项目信息 显示项目现场图、地理信息图、项目信息
8 日志记录 显示系统全部的运行信息
9 显示日期设置 选择需要显示的日期和接收方式
10 数据路径选择 选择传感器数据、日志记录、错误日志保存路径
11 全屏显示界面 显示整个项目的传感器数据、项目信息
12 接收参数设置 设置接收的参数
13 系统配置 配置数据采集系统的采集参数
14 握手设置 选择握手方式

5 应用实例

水质监测浮标于2015年6月布放于珠江口海域, 实时监控获取了大量的珠江口水质水文数据。其中数据采集和数据接收系统一直处于正常运行状态, 数据采集成功率达到100%, 远程数据传输成功率达到95%, 为浮标监测系统的应用奠定了良好的技术基础。
作为一个应用实例, 本文给出了2015年10月的浮标监测数据, 如图4所示。从中可见, 浮标所在海域溶解氧波动较大, 大部分时间可以满足海水二类水质标准(>5mg·L-1); pH均在7.2以下, 满足海水三、四类水质标准; COD变化较小, 日均值均在120mg·L-1左右, 远远超出四类水质标准(5mg·L-1); 硝酸盐较高, 均在0.5mg·L-1以上, 日均值最高达到2.3mg·L-1, 故无机氮不能达到海水四类水质标准(≤0.5mg·L-1); 活性磷酸盐较高, 月均值为0.06mg·L-1, 日均值大部分高于0.05mg·L-1, 最高达到将近0.1mg·L-1, 远超出海水四类水质标准(≤0.045 mg·L-1)。
Fig. 4 Examples of the diurnal variation of water quality data obtained by the monitoring buoy

图4 浮标所在海域水温、盐度、pH、溶解氧、叶绿素日均值变化

水温、盐度波动均较大, 水温从29.5℃缓慢降低至25.5℃左右; 盐度日均值最低接近0‰, 最高为15‰以上; 叶绿素大部分时间较低。

6 结束语

针对珠江口水质监测浮标数据采集的需要, 设计了水质浮标数据采集系统。数据采集系统包括CPU模块、控保模块、通讯定位模块以及接口扩展模块, 采用CF2主板为CPU主控模块, 低功耗单片机辅助配合设计多功能板组合, 完成采集数据、保存数据、通讯等工作, 设计有双“看门狗”, 实现了无人值守、全天候、全过程自动工作。针对水质监测数据远程接收、存储、显示和预警需求, 设计了水质监测数据远程接收可视化软件系统, 该系统主要包括数据采集模块、数据处理模块、系统预警模块和数据显示模块等四个部分, 具有操作简便、自动化程度高、图形显示直观简洁易读等特点, 实现了数据接收、存储、显示等功能。珠江口海域的长达一年的海上试验应用验证了系统的可靠性。

The authors have declared that no competing interests exist.

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