（机械电子工程专业论文）基于GPRS的近海赤潮监测实验系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 赤潮是我国近海主要的多发性海洋生态灾害，加强赤潮监测技术研究及相关 设备研制，对于赤潮预报与治理工作具有重要的现实意义。基于g p r s 的近海赤 潮监测实验系统是采用现代科技对近与赤潮发生相关的海海水参数进行实时采集、 传输和处理的集成自动化系统，它综合电化学传感器、通信和计算机等多学科某 些新近成果，用于解决赤潮预报相关的海洋环境监测问题，它的出现将大大地改 变过去只靠人工采样测量海水环境参数的落后状态，保证监测的及时性，极大地 提高了预报的精度。它动态实时地监测海水中溶解氧、p h 值和盐度等环境参数， 对赤潮预警起到了重要作用。 本文首先以赤潮监测的需求和发展趋势为依托，确定了系统的设计目标，并 在此基础上设计了基于g p r s 的近海赤潮监测实验系统的整体架构。然后，以该框 架为依托，详细介绍了海洋环境参数的数据采集子系统和无线通信子系统的软硬 件设计。 在本系统的设计过程中，海洋环境参数的数据采集子系统的微处理器选用的 是t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 低功耗单片机，对溶解氧、p h 值、盐度和温度传感器信号 进行数据采集及处理。单片机数据采集主要负责两个方面的工作：l 、将被测量信 号经a d 转换成合适的数字信号送入单片机；2 、利用串口通信与无线通信模块相连， 发送所采集的数据到监测中心。 根据赤潮监测的要求，无线通信子系统的远程通信方式选用的是成熟的g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 通用分组无线业务) 无线数据传输业务，它是一种 高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少 量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。随着新一代g p r s 移动通信业务的 产生和全面投入使用，无线移动数据通信的应用越来越广泛。高速的数据传输和 永远在线特点，配合按流量收费的资费方式，使g p r s 通信业务在环境保护、道路 交通、商务金融、移动办公等行业中具有无可比拟的性价比优势。本论文中g p r s 的主要应用是利用g p r s 方式解决赤潮自动监测中的数据传输问题，达到无人值守 和无线传送的目的。重点介绍了系统组成中所使用的g p r s 数据传输的实现方法。 给出t g p r s 通信在赤潮监测系统中的使用方案，并对方案的实现作了详细的介绍。 在硬件电路和软件编程完成后，进行了整机调试与测试。测试结果表明：该 系统能够满足项目要求，达到了预期目的。 关键词赤潮传感器低功耗m s p 4 3 0 单片机无线通信g p r s 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e d - t i d ei st h em a i ne c o l o g i c a ld i s a s t e ro ft h ec o a s t a le n v i r o n m e n to fo u rc o u n t r y ； w em u s tr e s e a r c ht h et e c h n i q u eo fr e d t i d ed e t e c t i o ni nad e e p - g o i n gw a y ，b e c a u s ei t s v e r ys i g n i f i c a n tf o rr e d t i d ef o r e c a s t i n ga n db r i n g i n gi tu n d e r c o n t r 0 1 t h em o n i t o r i n g s y s t e mi sa na u t o m a t i cs y s t e mw h i c ha d o p t sm o d e r r lt e c h n i q u e so f r e a l t i m ec o l l e c t i o n ， t r a n s m i s s i o na n da n a l y s i s i ti n t e g r a t e se l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r s ，t e l e c o m m u n i c a t i o n ， c o m p u t e ra n d t h ef r e s h l yp r o g e n yo fm a n yo t h e rs u b j e c t sf o rr e s o l v i n gc o r r e l a t i v e p r o b l e m sa b o u tt h em o n i t o r i n go f c o a s t a le n v i r o n m e n t i t sa p p e a r a n c ec h a n g e st h e d r a g g l e ds t a t eo fm e a s u r i n g t h ew a t e rs a m p l e sm e r e l yb ym a n p o w e ri nt h ef o r e t i m e i t i m p r o v eb o t ht h em o n i t o r i n gs p e e da n dt h ef o r e c a s t i n gp r e c i s i o n i t sa b l et o d y n a m i c a l l yr e a l t i m ei n s p e c tc o r r e l a t i v ee n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r ss u c h a sd i s s o l v e d o x y g e n ，p h ，s a l i n i t ya n d s oo nw h i c ha r ev e r yi m p o r t a n tt or e d t i d ep r e v e n t i o n i nt h i sp a p e r ，t h ew h o l ef r a m e w o r ko fr e d - t i d em o n i t o r i n gs y s t e mi sd e s i g n e d b a s e do nt h en e e da n dt h et e c h n i q u ed e v e l o p i n gt r e n do fr e d - t i d ed i s a s t e rp r e d i e t i n g u n d e rt h i sf r a m e w o r k ，w ed e s i g nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fm a r i n ee n v i r o n m e n t a l d a t ac o l l e c t i n gs u b s y s t e ma n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns u b s y s t e m d u r i n gt h ec o u r s eo fd e s i g n , t h em a r i n ee n v i r o n m e n t a ld a t ac o l l e c t i n gs u b s y s t e m u s e st h et ic o r p o r a t i o n s u l t r al o wp o w e rm c u m s p 4 3 0 f14 9a st h em a i n c o n t r o l l e r t h em a s t e rc o n t r o l l e ri sr e s p o n s i b l ef o rt h ed a t ac o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n go f t h ed i s s o l v e do x y g e ns e n s o r ，p hs e n s o r ，s a l i n i t ys e n s o ra n dt e m p e r a t u r es e n s o lt h e r e s p o n s i b i l i t i e so fs i n g l e c h i pm a c h i n e d a t ac o l l e c t i n g u n i ti n c l u d et w op a r t s ：1 ) c o n v e r t i n gt h em e a s u r e dv o l t a g e t ot h ef i x e dd i g i t a ls i g n a lb ya dc o n v e r t o r ，a n dt h e n s e n d i n gi tt ot h es i n g l e c h i pm a c h i n e 2 ) c o n n e c t i n g t ot h et h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n u n i tt h r o u g hs e r i a lc o m m u n i c a t i o na n dt h e ns e n d i n gt h es a m p l ed a t at ot h ew i r e l e s s c o m m u n i c m i o nu n i t a n dt h e nt ot h ec e n t o r c o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m e n to fe n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ，r e m o t ec o m m u n i c a t i o n c h o o s et h em a t u r eg p r s i t sah i g he f f i c i e n c y , l o wc o s tg e n e r a lp o c k e tr a d i o s e r v i c e w h i c hi ss u i t a b l ef o rb o t hd i s c o n t i n u o u s ，a c c i d e n t a l ，f r e q u e n t ，l o wd a t a t r a n s m i s s i o na n dl a r g eq u a n t i t yd a t as o m e t i m e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fg p r s ， a p p l i c a t i o n so fg p r sw i d e l ya p p e a r i th a st w os p e c i a l t i e s ：o n ei sh i g h s p e e d t h eo t h e r i s p e r m a n e n to n l i n e ，a n di t se x p e n s e i sc h a r g e d a c c o r d i n gt ot h ef l u xo f d a t a s og p r s c o m m u n i c a t i o ns e r v i c eh a sh i g hc a p a b i l i t ya n d l o wp r i c e ，i tc a nb ew i d e l yu s e di n 浙江大学硕士学位论文 e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，c o m m u n i c a t i o n ，b u s i n e s sa n df i n a n c e ，m o b i l eo f f i c e ，e t c o t h e r w i s e ，t l l ep a p e rm a i n l yd e s c r i b e sh o w t ou s eg p r st e c h n o l o g yt os o l v et h e p r o b l e mo fd a t at r a n s p o r t i n g i no r d e r t oa c h i e v et h ep u r p o s eo fw i r e l e s st r a n s p o r t i n g a n du n m a n n e dm o n i t o r i n g i ti n s t r u c t st h er e a l i s t i cm e t h o do fg p r sd a t at r a n s m i s s i o n i t a l s od e s c r i b e st h es c h e m eo fu s i n gg p r sc o m m u n i c a t i o ni nt h er e d t i d em o n i t o r i n g s y s t e ma n da tt h es a m et i m e g i v e sad e t a i l e d l yi n s t r u c t i n go f t h es c h e m e a f t e rt h ew o r ko fh a r d w a r ed e s i g na n ds o , w a r ep r o g r a m m i n g ，t h ee n t i r es y s t e m d e b u g g i n ga n dt e s tw e r ec a r r i e do n n et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e s i g nh a ss a t i s f i e d t h er e q u e s t so f t h es y s t e ma n da c h i e v e st h ea n t i c i p a t e dg o a l s k e yw o r d s ：r e d t i d e ，s e n s o r ，l o wp o w e r , m s p 4 3 0m c u ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 浙江大学硕士学位论文 学号2 q 鱼q 塞! 12 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸婆盘堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 虢1 奇五他 签字日期：1 。g 年6 月j7 e t 浙江大学硕十学位论文 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿态堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权逝江盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 辛彳r 陟导师签名：松口厶二 l l 签字日期：训踔b 月i j 日 签字日期：乒们定年月，7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀了匕 1 1 课题来源及研究意义 赤潮，国际通称为有害藻，是一种由于海洋中浮游微藻、原生动物或细菌在 一定环境条件下爆发性增殖或聚集，引起水体变色，导致海洋生态系统破坏的灾 害性海洋生态现象。赤潮是一个历史沿用名，它并不一定都是红色，实际上是许 多赤潮的统称。赤潮发生的原因、种类、和数量的不同，水体会呈现不同的颜色， 有红颜色或砖红颜色、绿色、黄色、棕色等。值得指出的是，某些赤潮生物( 如 膝沟藻、裸甲藻、梨甲藻等) 引起赤潮有时并不引起海水呈现任何特别的颜色【1 】【2 j 【3 1 。 由于能形成赤潮的浮游生物种类繁多，他们爆发性生长所需的条件各异，因 此赤潮形成的原因非常复杂。但有一个共识，即赤潮生物的存在和水体污染( 富 营养化) 是形成赤潮的主要原因【4 l 【”。海区的地理位置、地形特征、水文、气象、 海流、海况等，是形成赤潮的自然因子。在海水交换较差的内湾，较封闭海湾的 交汇面、峰面及排污口附近沿岸，海水有上升流的海域等，均可成为赤潮形成的 条件。但总体而言，赤潮的频发与图1 1 中几个因素密切相关1 6 1 1 7 1 。 固 图卜i 海洋环境与赤潮的成因关系 国内外研究表明，赤潮的危害表现在多个方面【帅l il i l 0 】：如：大规模爆发赤 潮能严重破坏正常的海洋生态系统，有害赤潮通过破坏正常的食物链，导致海洋 生态平衡遭到破坏，其原有结构、功能发生紊乱；危害渔业资源和海产养殖业， 并造成巨大的经济损失；威胁人类的健康和生命安全，某些赤潮生物分泌的毒 3 浙江大学硕十学位论文 素可直接或间接通过人类食物毒害人类，严重的甚至造成死亡。我国现已成为世 界上赤潮频发的国家和地区之一。 近年来我国的近海养殖业得到迅猛发展，成为我国重要的经济产业，但是每 年赤潮的发生都会给我国近海养殖业带来重大的损失【l l 】【1 2 】【1 ”。如何有效的对赤潮 的发生进行预警，减少养殖户的损失变得极为重要。但目前我国由于没有可靠的 赤潮预警传感器系统，因此无法建立完善的赤潮预警机制。现在只能依靠卫星遥 感技术和人工采集和分析水样来了解赤潮的产生。前者通过海水颜色的变化来了 解赤潮的产生和移动情况，但这往往要等到赤潮发生以后才能有所察觉，而对于 一些小范围的赤潮，卫星遥感技术更是无能为力：而后者不但需要消耗大量人力 和物力，而且往往无法取得满意的效果，更是无法实时的长期的监测。在此背景 之下，研制与开发一套赤潮自动监测系统具有重大的社会意义。 本课题来源于浙江省重大自然灾害预警和应急处置技术专项。其目的在于研 制赤潮实时预警系统，实现对近海领域进行全天候全时段的表层海水化学成份检 测和长期原位的监控，并能实时的通过无线通信技术传送监测数据，对赤潮的产 生进行预警。另外，可以结合现在所建立的遥感监控等海洋监测手段，对赤潮发 生前后的海水相关化学成份进行分析，得到整个赤潮周期海水相关环境参数的变 化情况，建立相应的赤潮预警机制。 1 2 赤潮监测的国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 世界先进海洋国家从2 0 世纪7 0 年代就开始发展海洋自动观测系统，美国、 欧盟、俄罗斯、加拿大等发达海洋强国及集团不断强化更新本国管辖海域以及世 界各国共有海域海洋环境和资源的监测调查手段，且不断推出海洋监测高科技产 品。经过持续多年的投入和发展，这些国家的海洋监测技术已走在世界前列。 美国在其两侧的海洋中，投入了大量的人力、物力进行赤潮预防控制治理研 究。除了采用卫星遥感和人工采集水样分析处理外，还运用了投放浮标、释放a u v 等方法，对海水质量进行监控。卫星遥感技术源于上世纪7 0 年代末，通过分析图 象中海面的颜色，可以获取赤潮的信息。图1 3 为美国佛罗里达州沿海赤潮卫星遥 感图。但是卫星遥感技术只能获取赤潮发生的面积及其移动方向等信息，无法获 取赤潮发生的原因等。随着a u v 技术的成熟，科学家将一些传感器通过a u v 带 入海中，对海水的环境进行监测。通过回收a u v ，获取相关的数据，并对此进行 分析1 1 5 1 【1 6 】1 1 7 1 。图1 4 为用于赤潮监测的a u v 。但是a u v 结构复杂，制造和使用 维护成本高，并不适用对全海域的不间断连续监测。 4 ! ! 坠奎茎：圭兰兰兰三 日前美国已通过丁e c o l o g ya n d o c e a n o g r a p h yo f h a r m f u l a l g a l b l o o m s ( f c o i a b ) 计划，希望建立一种对赤潮长期原位的监测模式。通过将物理、化学、 牛物等传感器通过浮标放置在海中，进行连续的长期观测如图l 一5 。所扶取的采样 数据町以通过浮标r 的卫星系统将信息化输到岸上，进行分析。现在，各个研究 小组正存展，f 各种原位传感器的研制和开发。 图l - 3 美国佛罗里达州沿海赤潮卫星遥感图图l 一4 赤潮监测a u v 图15 水质监测浮标系统 2 0 世纪8 0 年代木，德国的m e r m a d 海洋环境自动监测系统中戍用了2 7 个 传感搽，其中污染和生态环境监测传感器或仪器监测的海洋要素舱测的海洋要素 有溶解氧、叶绿素a 、颗粒沐度和粒径、营养盐、荧光、重金属、微吊有机污染物 等。 挪威的s e a w a f c h 海洋自动监删系统采用模块化和标准化结构对海洋环境 罐素进行综合临测，实州估输。该系统枰困际市场上取得良好绎济效益。欧洲、 印度、东南业等地区许多国家都有广泛的使用。 浙江大学硕士学位论文 日本仍然采用比较传统的方法进行赤潮及海洋环境监测。日本从调查和监测 两个方面入手，以巨额投资开展相关工作。沿海各个府县每月开展相关调查，摸 清水域各种环境要素的特征和变化，掌握浮游生物分类以及各种环境要素同浮游 生物的年和月变化趋势。在每年5 月 - - 9 月赤潮的多发期，每周进行1 2 次的同 步调查，主要掌握赤潮发生前期、旺盛期、消亡期的变化规律。在赤潮多发区域， 建立相应的监测站，不定期对海水进行采样分析。此外，还安排船舶和飞机对赤 潮海域进行高频率、全过程的监视监测。日本建立了三种赤潮预测模式：长期预 测、中期预测和短期预测。根据监测结果发布长、中和短期预报。1 1 4 1 2 2 国内研究现状 我国在海洋监测领域的研究起步较晚，技术比较落后，海洋科学与技术的总 体实力与海洋强国之间还存在很大差距。我国传统的环境监测方法多是人工操作， 主要是在某些断面或监测点定时定点瞬时取样，然后将样品带回实验室分析或者 野外进行现场测定。由于人力和物力的限制，监测工作仅限于几个断面和点，监 测频率也是每月数次，不能保证所测数据的准确性和时效性，难以实现对环境要 素全时段、全方位的动态监测。 近2 0 年来，随着经济的飞速发展，面对环境保护的严峻形式，我国的海洋环 境监测也相继经历了被动监测、主动监测和自动( 在线) 监测三个阶段。我国在8 0 年代初开始通过引进和消化吸收，首先在北京、上海、青岛等1 5 个重点城市建立 空气质量自动监测系统，在黄浦江、天津引滦入漳河段以及吉林化工、宝钢等大 型排污企业的排水系统建立了水质自动监测系统。1 9 9 9 年起，国家环保总局在淮 河、长江、黄河、松花江和太湖流域开始建设水质自动监测站，监测的数据通过 卫星通信直接传输到国家环保总局中心控制室，并实现全国的联网。迄今为止， 我国已经基本建立全国重点流域水质在线监测系统。 与此同时，经过几十年来的努力，特别是“九五期间的海洋监测高技术研 究，已取得了一批成果，开发了一批产品，实现了跨越式发展，显著缩短了与发 达国家在海洋监测技术方面的差距。国家在“十五”计划中持续加强对发展海洋 监测技术的支持力度，目标是在g o o s ( 全球海洋监测系统) 框架下，建设中国近海 海洋立体监测系统，加强对近海环境的调查和监测，提高数据处理和数据产品服 务能力，促进人口、资源、环境的协调发展，支持海洋强国的建设。在海洋监测 设备技术提高的基础上，我国逐步建立起海洋监测台站、浮标、调查船、卫星遥 感及航空遥感等组成的海洋环境立体监测网络。 但从全国来看，我国大部分省市开展的在线监测水平不一，而且在线监测部 分联网的系统存在的问题也较多，主要表现在现有系统运行不稳定，故障率高， 无法满足高性能、稳定性的要求。数据传输方式落后( 多采用电话线拨号的方式) ， 6 浙江大学硕士学位论文 成本较高，在监测数据采集与监控模式、广域接入远程通信、系统容错、系统长 期稳定性、数据分析处理与管理等方面还存在诸多缺陷和不足。 1 3 远程监测系统中的无线通信技术的比较 ( 1 ) 无线电台 无线电台利用对讲机和小型无线电台的通话功能来传递信息，是早期采用的 通信方式。使用的频率需要向国家有关部门申请，由于其频率固定，容易被干扰 和泄密，可靠性较差。它最大的缺陷是点对点通信，系统和每个目标之间的通信 包括呼叫、接通、信息传递和断开等过程，完成一个目标的监测起码需几十秒甚 至几分钟，实时性不强。 ( 2 ) 集群通信系统 集群通信系统是各种专用通信系统发展的高级阶段，它将基站和控制中心统 一配置，集中管理，由多用户群共用一组无线信道，并动态地使用这些信道。它 能将所有的话务量分配到所有可能使用的话音信道上，保证所有信道都以同等的 概率使用，最大限度地降低入网的平均等待时间，消除了用户等候使用信道而同 时其它信道空闲的情况。其主要特点是共用频率、按需分配信道、共享覆盖区、 共享时间，缺点是需要建设基站，技术复杂，投资较大。 ( 3 ) 微波通信 微波通信工作在3 0 0 m h z 3 0 0 g h z 频段，是利用分米波、厘米波和毫米波作 为载波传输信号的通信方式。可分为模拟微波通信和数字微波通信两种，由于数 字微波通信有诸多优点，近年来得到了快速发展。微波通信的容量较大，传输速 率一般为6 2 0 m b p s ，最高可达1 0 g b p s 。由于微波频率很高，方向性强，所以信号 的传输主要是利用微波在视线距离内的直线传播，其传输特性受地形、地貌和大 气层的影响。在大气层中，微波通信视距的一般传输距离大约是5 0 千米，因此微 波通信必须采用中继接力的方式传输。 ( 4 ) g s m g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，全球移动通信系统) 号称“全 球通”，是世界上最大的通信网络，用户数量非常庞大。g s m 网络的通信方式是 时分多址，即每个话音信道分为8 个时间片，能够同时通8 路话音，提高了频率 利用率。短消息则是在控制信道里传输的，当g s m 网络比较空闲时，短消息的实 时性很好，一般在几秒内即可到达。但如果g s m 网络繁忙，短消息的延时就会达 到几小时甚至几十小时，实时性很差。因此，短消息这种通信方式不是实时监控 系统理想的通信方式。 ( 5 ) c d m a c d m a ( c o d e - - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，全称码分多址) ，c d m a 因采用以 7 浙江大学硕十学位论文 拓频通信为基础的一种调制和多址通讯方式，其容量比模拟技术高1 0 倍，比 g s m 网络高约3 5 倍：并且可以实现模拟网和g s m 网均不能做到的提供图像、 视频和多媒体业务。同时c d m a 码址是伪随机码，共有4 4 万亿种可能的排列， 因此，要破解密码或窃听通话内容是十分困难的。 ( 6 ) g p r s g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无线业务) 是建立在g s m 网 络之上，为用户提供高速分组数据业务的新的网络。它使用与g s m 相同的无线接 口，但传输的是网络协议数据报。 它使移动设备和笔记本电脑能够无线接入互联网，实现网页浏览、收发电子 邮件、f t p 下载等各种网络应用。g p r s 采用分组交换方式传输数据，可以灵活分 配网络资源，仅在数据传送时才使用无线信道，这样多个用户可以共享一条无线 信道，大大提高资源利用率。g p r s 技术是当今g s m 向3 g 过渡的关键技术，与 g s m 相比具有许多新的特点和优点： 传输速率高 理论最高达1 7 0 k b p s ，实际使用中g p r s 的传输速率一般为几十k b p s ，大大超 过g s m 9 6 k b p s 的速率。 接入时间短 g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量数 据的传输。能在o 5 1 秒之内恢复数据的重新传输。 支持i p 协议和x 2 5 协议 g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用，可以和l p 网、x 2 5 网互联互通。 g s m 网络覆盖面广，使g p r s 能提供i n t e r a c t 和其它分组网络的全球性无线接入。 网络安全性高 g p r s 网络内部传输数据采用隧道技术。隧道协议将其它协议的数据报重新封 装后通过隧道传输到特定地址，从而屏蔽私有网络地址。 1 4 课题的主要研究内容及论文结构 本课题目的是建立起一套基于g p r s 的近海赤潮监测实验系统。该系统主要 由现场的多点海洋环境参数( 包括：溶解氧、盐度、p h 值和温度等) 的检测装置 及g p r s 无线通信模块和远端的赤潮监测中心组成。利用低功耗、高性能的 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机通过传感器对海洋环境参数进行数据采集及处理，并通过单片 机串口控制g p r s 模块，经由g p r s 网络和i n t e r n e t 组成的链路将与赤潮相关的海 水水质数据传输到远端的赤潮监测中心。赤潮监测中心的数据监听、接收通过建 立s o c k e t 完成，并将其与数据库进行连接，将数据保存到a c c e s s 数据库中，利用 v i s u a lb a s i c 实现对数据库的开发，增强对数据库管理的有效性。完成了赤潮监测 8 浙江大学硕士学位论文 中心对海洋水质参数的接收、保存及管理功能。论文共分为六章，对上述内容的 理论、原理、系统实现及测试过程进行了详细阐述。 第一章为绪论。介绍本课题的研究意义及国内外发展现状。 第二章为系统的总体方案设计。包括监测参数的初步确定，系统总体设计思 想，p h 值、溶解氧及温度传感器的测量机理研究、g p r s 无线通信技术的研究， 赤潮监测中心的设计思想。 第三章为系统的硬件电路设计。包括p h 值、溶解氧及温度数据采集模块硬件 电路设计及此过程中的元器件选择。 第四章为系统的软件设计。包括p h 值、溶解氧及温度检测装置模块软件设计， g p r s 网络通信程序及监测中心远程网络数据接收显示。 第五章为系统测试结果。演示了测试过程及测试本系统得到的结果。 第六章为全文总结。简述了本文的工作及下一步需要继续完善的问题。 1 5 本章小结 本章首先阐述了赤潮给人类的生产生活所带来的巨大灾害，从而引出了开发 基于g p r s 的近海赤潮监测实验系统的重要意义和必要性。从赤潮预警的国内外 研究现状及远程监测系统中无线通信方式的应用现状出发，确定课题的研究方向 是开发出对海洋赤潮进行原位监测的浮标监测系统及其传感器系统。本章简单介 绍了论文的基本结构，详细内容将在后续章节中阐述。 9 浙江大学硕十学位论文 第二章基于g p r s 的近海赤潮监测实验系统 的监测方法分析研究 2 。1 引言 根据赤潮自动监测技术的发展及项目的要求，我们要建立基于g p r s 的近海 赤潮监测实验系统。它是按照智能化、模块化、网络化的原则，以实现实时监测、 数据采集与数据处理等功能为目的，设计并构造一个端到端的赤潮灾害在线监测 预报系统。该系统由传感器实时或准实时地进行数据采集，它能够长期地、连续 地、准确地完成监测区域数据的采集、处理、存储、通信及数据库管理。基于g p r s 的赤潮自动监测系统采用了传感器技术，通信技术，网络技术及数据库技术等， 实现赤潮监测中心的管理人员对与赤潮相关的海水水质信息的科学组织及有效管 理。本章将对基于g p r s 的近海赤潮监测实验系统设计原理和测量机理及其关键 技术进行研究。 2 2 近海赤潮监测实验系统监测参数的初步确定 赤潮的成因是相当复杂的，其机制仍在探索中。越来越多的研究表明，沿岸 海域的海水自净能力已达饱和状况，当气候条件略有变化，就有可能发生赤潮。 国家海洋局第二海洋研究所在研究浙江沿岸海域赤潮生物的化学环境时，探讨了 化学因素氨、磷、铁和锰等微量金属元素、维生素b 1 2 和有关有机物对海洋原甲 藻增殖的效应，同时也研究了物理因素如温度、盐度、光照强度和酸碱度对海洋 原甲藻增殖的效应。研究表明了温度、盐度和p h 值对海洋赤潮藻类繁殖的重大影 响，这为研究赤潮的预报和防治、保护海洋环境提供了科学依据。 7 0 1 ( 1 ) 温度效应 采用改良的h 培养介质，在盐度为3 0 2 、p h 为8 和光照强度为3 0 0 0 1 x 条件 下，测定不同温度( 1 0 3 2 。c ) 对海洋原甲藻增殖的效应。结果表明，在1 0 ( 2 条件 下，海洋原甲藻增殖缓慢，接近零：在1 8 。c 条件下，海洋原甲藻增殖最大速率为 o 2 7 d ，培养第9 天的细胞密度为1 8 9 1 0 4 个m l 。在2 0 一2 8 条件下，海洋 原甲藻增殖明显，培养第4 天的增殖速率分别为o 3 8 d ( 2 0 。c ) 、0 4 3 d ( 2 5 。c ) 和 0 4 2 d ( 2 8 。c ) 。而当温度高达3 2 * ( 2 时，海洋原甲藻增殖速率较低，培养第9 天只 有极少量藻细胞存活。 ( 2 ) 盐度效应 采用改良的h 。培养介质，通过改变主要成分的总量而不改变这些成分的比例 1 0 浙江大学硕士学位论文 获得不同盐度的培养介质。在温度为2 5 和光照强度为3 5 0 0 1 x 条件下，测定海洋 原甲藻在不同盐度培养介质中的增殖速率。结果表明在盐度为2 卜4 2 范围内，海 洋原甲藻培养第9 天后到达相同量级的细胞密度。其中，在盐度为3 4 培养介质中， 达到最大细胞密度而增殖速率则在盐度为2 5 和3 4 培养介质中基本相同，在盐度 为3 l 中稍高，为0 4 2 d 。 ( 3 ) p h 效应 采用改良的h 。培养介质，在温度为( 2 5 1 ) 、盐度为3 0 2 和光照强度为 3 5 0 0 1 x 条件下，通过添加稀盐酸或稀氢氧化钠改变培养介质的酸度，在p h 为7 5 8 7 范围内测定酸度对海洋原甲藻增殖的效应。结果表明，当酸度大于p h 为8 4 ， 培养介质出现白色絮状物。结果表明，在p h 为7 5 8 3 范围内，培养第4 天的 海洋原甲藻增殖速率和细胞密度无明显差异 除此之外，在赤潮发生时由于海洋生物大量繁殖，大量消耗水中的溶解氧， 使得海水中溶解氧的含量急剧下降。 综合以上原因，在基于g p r s 的近海赤潮监测实验系统中我们初步选定溶解 氧、温度、盐度和p h 值作为采集的主要参数。由于盐度部分由一本科同学负责， 所以这部分工作在本文中未加详细论述。 2 3 基于g p r s 的近海赤潮监测实验系统的总体方案规划 赤潮监测不同于工业生产环境的监测，为了保证监测结果的科学性准确性， 通常需要对大面积海域进行多点监测，且监测要素及监测点数量大，分布广。因 此基于g p r s 的赤潮自动监测系统应该是一个跨越地域较广的网络监测系统。依 据系统中各设备的功能特点，分为三级架构，见图2 1 。图中设备共分为三个层次。 底层为直接获取海洋环境参数的传感器、数据采集设备等。这些传感器主要包括 溶解氧、p h 值、盐度和温度等的传感器。中间层设备为海洋浮标，海洋浮标管理 连接多个监测设备，通常采用r s 2 3 2 4 8 5 ，g p r s 网络及以太网等连接。海洋浮标 和传感器等监测设备位于海洋环境中，定时采集各种海洋环境数，它们构成了数 据采集模块。顶层为海洋台站设备即赤潮监测中心，它位于近海海岸，以无 ( g s m g p r s ) 的方式与多个海洋浮标连接，监视并控制海洋浮标的工作状接收海洋 浮标定时传来的监测数据。赤潮监测中心上的数据库可以集成管理大量的海洋监 测数据。赤潮监测中心对外提供标准的数据接口，即数据监测系统和数据管理之 间的数据接口。通过该接口，赤潮监测中心软件可以连接管理多个海洋监测浮标。 整个监控子系统内，各层设备自上向下实现分级管理，这种分布式架使得各层设 备分工明确，使得系统搭建灵活，维护便利。 浙江大学硕士学位论文 雪 由浮标承载 蒜潮簦测中l b 图2 1 赤潮自动监测系统框图 由传感器构成的海洋环境参数数据采集检测装置能实时检测被监测点的溶解 氧、p h 值、盐度和温度等参数信息，对检测的参数进行数据采集和处理，并将处 理后的数据通过单片机的串口控制g p r s 模块经由g p r s 网络和i n t e m e t 组成的链 路传输到远端的赤潮监测中心。赤潮监测中心软件首先建立s o c k e t 并将其设置为 “监听”模式，等待g p r s 端的连接请求，当两端建立通信以后，s o c k e t 就可以 通过网络接收来自采集端所发送的数据信息并建立其与a c c e s s 数据库的连接，将 接收的数据保存到数据库中，实现对数据的长期保存，并设计了对数据库的管理， 因此，监测中心的管理人员通过查询保存到数据库中的数据信息就可以了解被监 测点的海水参数情况。通过分析监测的溶解氧、p h 值、盐度和温度等信息表明有 赤潮发生的迹象时，立即向赤潮灾害防御部门发出警报，并向其报告历史数据及 由此分析出的赤潮发展的趋势和可能产生的规模。 另外，据资料报道国内发生的规模最大的赤潮范围达到六千多平方公里，距 海岸最大距离为十多海里，约为不到二十公里；普通规模的赤潮一般发生在距海 岸一公里以内。而g p r s 网络覆盖范围可以达到距海岸6 0 - - - 1 0 0 公里。所以采用 g p r s 无线通信方式进行赤潮监测数据的远程传输具有可行性。通过多点布放监测 设备可以实现大范围内的监测。由于赤潮发生往往是大规模的，所以大规模的大 范围的监测具有十分重要的意义。 1 2 浙江大学硕+ 学位论文 2 4 溶解氧的测量机理研究 2 4 1 溶解氧电极的机理研究 溶解氧顾名思义是指溶解于水中的氧。根据氧的理化性质，氧微溶于水，在 常压下，溶解氧的最大值约为1 4 6 m g l 。溶解氧在水中的含量虽然不高，但在水 产养殖，环境保护及水文分析等方面，对溶解氧的测量都是一项重要的工作。同 时由于氧在海洋生物和地质化学的过程中起着重要作用，所以对于溶解氧的测量 是海洋分析中最重要的工作之一。 溶解氧传感器的作用是把溶解氧浓度转变为电流。这种传感器从原理上看实 际就是一个电化学电池。当把两个导体插入适当的电解液重就构成了一个电化学 电池，这两个导体叫电极。在电化学电池工作时，电解液中的离子与电极材料或 吸附于其上的其它物质发生氧化还原反应，也即发生电子转移过程，从而在与电 极相连的外电路中形成电流，两个电极上的反应可用下面的式子( 2 - 1 ) 和( 2 - 2 ) 描 述： o x l + n e 一= r e d l ( 2 1 ) r e d 2 = o x 2 + n e 一 ( 2 2 ) 式中o x 和r e d 分别表示氧化型物质和还原型物质，按照电化学中的规定， 把发生氧化反应的电极叫做阳极；把发生还原反应的电极叫做阴极。因此( 2 1 ) 式代 表阴极上的还原过程( 2 2 ) 式代表阳极上的氧化过程。 不论是哪种过程，都在各自的电极上形成氧化还原电对。这个氧化还原电对 决定了该电极的电极电位。电极电位的大小可用能斯特方程式( 2 3 ) 描述： e = e 。+ 半l g 器( 2 - 3 ) 式中e 0 表示该电极的克式量电位，只要氧化一还原体系确定了，它就是定值， 可以查表得到，n 表示反应过程中电子的得失数【o x 】和 r e d 分别表示氧化型物质 和还原型物质在水溶液中的浓度。如果这些物质是液体或固体，浓度就是常数， 一般取为l ；如果是气体，则用分压表示。从式( 2 - 3 ) 可以看出，对于一定的氧化一 还原体系( e o 一定) ，电极电位决定于电极表而氧化型物质与还原型物质的浓度之比。 溶解氧电极属于电化学电池中的电解池。它的的氧化还原反应不能自发进行。 如果要使反应进行，必须在两个电极之间加一定的极化电压。在电解池中，反应 进行的方向由外加电压的极性决定，当外电压的极性和大小确定后，反应电流就 决定于溶液中氧化型物质或还原型物质的浓度。因而通过检测电流的变化，就可 测得溶液中氧化型物质或还原型物质的浓度变化。这种方法叫极谱法。溶解氧电 极原理如图2 2 所示。 1 3 浙大学硎+ 学位论立 l 醍化电压 附疆 电解澶 绝缘傩 矾楹 气体源透膜 捋液 囤2 - 2 溶解氧测量原理图 在静止溶液中，电极上进行的氧化还原过程将耗尽某一组分，如o x ，然后产 生另种组分如r e d ，所以须依靠挣散作用把o x 从本体溶液运送到电极表面 把r e d 运离电极表面，扩散的动力是本体溶液t ，电极表面的浓度之差。随着时间 的增长，浓度的分布轮廓逐渐变缓，见图2 _ 3 所示， 毖 图2 - 3 浓度与某点到电极的距离及时问的关系 冈j 比浓度c o x 是溶液中某点至屯极的距离x 和时间t 的函数。c 6 v 为本体溶液 r | 1 的浓度，c 为电极表面的浓度。根据f i c k 定律可得到电流浓度的戈系，如式 ( 2 4 ) ： j - n f a ( 粤) 1 2 ( c 函一c 8 x ) ( 2 4 ) 上式( 24 ) 中n 为反应过程中电子得失数。f 为法拉第常数，等r9 6 4 8 0 库仑 摩尔；a 为电极表面积；d o x 为扩散系数，单位是厘米2 ，秒