（通信与信息系统专业论文）环境空气质量现场站监测系统的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着社会经济的持续增长和城市化的深入发展，城市环境空气污染及质量 问题己引起了广泛的关注。研究主要空气污染物的检测方法，建立高质量的环 境空气质量现场站监测系统，对环境空气保护和治理有着重要的理论价值和现 实意义。 本文对环境空气主要污染物的检测方法和环境空气质量监测系统现场站进 行了研究和设计，并开发出了一种环境空气质量现场站监测的系统软件。主要 的研究和工作包括以下几个方面： ( 1 ) 数据采集系统的设计与实现。空气质量测量仪器的数字信号通过多功 能串口卡采集进入数据采集器，气象设备的模拟信号是通过数据采集卡a d 转 化后进入数据采集器。 ( 2 ) 数据统计和报表系统的设计与实现。对采集的实时数据进行求和或求 均值操作，形成小时、日、月、年报表。 ( 3 ) 远程仪器监控系统的设计与实现。通过i n t e m e t 远程监控现场站仪器， 主要包括对仪器进行远程实时数据参看、报警信息查看、手动校准和诊断等。 ( 4 ) 用户权限管理系统的设计与实现。不同的用户具有不同的权限，根据 需求，将用户分为c r e a t e o r 、a d m i n i s t r a t o r 、u s e r 。 ( 5 ) 与中心站通信系统的设计与实现。中心站和现场站之间可以通过调制 解调器、a d s l 、g p r s 、c d m a 或以太网等多种方式进行通信，数据传输协议 和数据格式符合污染源在线自动监控( 监测) 系统数据传输标准，同时保证 了网络数据传输的有效性、可靠性及安全性。 ( 6 ) 系统的设计还充分考虑用户的需求，针对不同层次用户的工作流程和 需求相应地做出了不同的设计，并且在界面的友好性方面做了大量的工作。 该系统在准确性、功能性、可靠性等方面都具有较高的水平，在浙江省多 个县市投入应用以来，系统在安全性、易用性和效率等方面均受到了各级用户 的好评，并通过了使用单位组织的验收。 关键词：环境空气质量；监测系统；串口通信；r m i ；j n i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n du r b a n i z a t i o ni nc h i n a , a i rp o l l u t i o ni n c i t i e si sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s t h i ss i t u a t i o nh a sc a l l e do u tg r e a ta t t e n t i o n i ti so fg r e a tv a l u ee i t h e ri nt h e o r yo ri nr e a l i t yt or e s e a r c ht h ed e t e c t i o nm e t h o d so f a i r p o l l u t a n t sa n de s t a b l i s ht o p - l e v e la i rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e m s a f t e rd e t e c t i o nm e t h o d so ft h ea i rp o l l u t a n t sa n dt h eb r a n c hp a r to fa i rq u a l i t y m o n i t o r i n gs y s t e ma 托r e s e a r c h e d a i rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mo fb r a n c hs t a t i o ni s d e s i g n e da n dd e v e l o p e di nt h i st h e s i s t h em a i nr e s e a r c hi sd e s c r i b e da sf o l l o w s ： ( 1 ) d e s i g na n di m p l e m e n td a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m a i rq u a l i t ym e a s u r i n g i n s t r u m e n t sc o n n e c tt h e d a t a l o g g e rb y am u l t i f u n c t i o n a ls e r i a lc a r dw h i l e m e t e o r o l o g i c a le q u i p m e n t sd ot h ed a t a l o g g e ra f t e rt h ep r o c e s so f 刖dc o n v e r s i o n ( 2 ) d e s i g na n di m p l e m e n td a t as t a t i s t i c a la n dr e p o r ts y s t e m u s es u m m go r a v e r a g i n gm e t h o dt om a k eh o u r0 1 d a yo rm o n t ho ry e a rr e p o r tf o r m s ( 3 ) d e s i g na n di m p l e m e n tn e t w o r km o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m m o n i t o ra n d c o n t r o lr e m o t e l yi n s t r u m e n t s ，i n v o l v i n gt h ev i e wo fi n s t a n td a t aa n dw a r n i n g i n f o m a t i o n , c a l i b r a t i o na n dd i a g n o s t i c so f i n s t n n u e n t s ( 4 ) d e s i g na n di m p l e m e n tp r i v i l e g em a n a g e m e n ts y s t e m d i f f e r e n t 嗍sh a v e d i f f e r e mp r i v i l e g ea n dt h e s eu s e r s 舭c l a s s i f i e da sc r e a t e o r , a d m i n i s t r a t o ra n du s e r ( 5 ) d e s i g na n di m p l e m e n tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h en e t w o r ko ft h es y s t e m c a ni r a n s f e rd a t ab ym a n yw a y ss u c ha se t h e r n e t , m o d e m ，r a d i o - e n m m n n i c a t i o ne t c c o m m u n i c a t i o np r o t o c o le n m p l y sw i t hd a t at r a n s m i s s i o np r o t o c o lo fz h e j i a n g e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e ma n dt h ev a l i d i t y , r e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fd a t a t r a n s f e ra r eg u a r a n t e d ( 6 ) i no r d e rt oi l l f l , k et h em a n i p u l a t i o nm o r ec o n v e n i e n t , t h eh u m a n - m a c h i n e - i n t e r f a c ei ns p e c i f i cw a y sf o rd i f f e r e n tu s e r si sd e s i g n e d t h es y s t e mh a ss u c c e s s f u l l yi m p l e m e n t e dt h ei n i t i a lr e q u i r e m e ma n ds h o w n g r e a ta d v a n t a g e si nv a l i d i t y , r e l i a b i l i t y , s e c u r i t ya n de f f i c i e n c y i th a sb e e ni nu s ei n m a n yc i t i e sa n dt o w n si nz h e j i a n gp r o v i n c e t h ea i rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mh a s r e c e i v e dg o o dc o m m e n t sf r o mm a n ya s p e c t sa n dp a s s e dt h ec h e c k - a n d - a c c e p to ft h e u s e 搭 k e yw o r d s ：a i rq u a l i t y ；m o n i t o r i n gs y s t e m ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；r m i ；j n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 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己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：司鲤墨日期：珥s 碰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：翻i 理墨导师签名：j 墟 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章将简要介绍环境空气质量自动监测系统的历史，展望未来技术的发展 趋势，提出本文的主要研究任务和意义，同时给出本文的主要内容及组织结构。 1 1 背景与现状 环境空气质量自动监测系统是一套自动监测仪器为核心的自动“测一控” 系统，空气质量的自动监测系统一般采用湿法和干法两种方式【l i 。湿法的测量原 理是库仑法和电导法等，需要大量试剂，存在试剂调整和废液处理等问题，操 作繁琐，故障率高，维护量大。该法以日本为主，但自1 9 9 6 年起，日本在法定 的测量方法中增加了干式测量原理，湿法现已处于淘汰阶段。干法基于物理光 学测量原理，使样品始终保持在气体状态，没有试剂的损耗，维护量较小。干 法以欧美国家为主，代表了目前的发展趋势。近年来，国内外还在致力于发展 监测灵敏度更高的长光程吸收光谱仪( d o a s - - d i f f e r e n t i a lo p t i c a la b s o r p t i o n s p e c t r o s c o p y ) 1 2 1 ，它主要是利用大气中的痕量污染气体成分对紫外及可见光波 段的吸收特征来确定气体分子的种类和获取它的浓度，利用差分吸收光谱技术 消除大气和系统光源的扰动，可实现s 0 2 、n o x 、0 3 、苯、醛等十多种污染气 体组分的在线实时自动监测。长光程差分吸收光谱仪空气质量连续自动监测系 统被国际上认为是环境空气质量监测技术水平最为先进的设备，是目前环境空 气质量检测仪器所采用的最主要监测系统【3 1 4 1 。 1 1 1 现状和发展趋势 ( 1 ) 环境空气质量现场站监测系统的发展现状 7 0 年代后期，北分、沈分等厂家推出了一批库仑式湿法仪器；8 0 年代中期， 北分引进了美国m o n i t o r 公司的8 8 系列干法仪器的生产技术，随着该系列仪 器的过时和淘汰，目前已无厂家生产d j 。2 0 0 0 年，沈阳东宇公司引进美国d a s i b i 公司的生产技术，开始组装基于干法的空气质量自动监测系统；河北先河公司 则自主研制成功基于干法的空气质量自动监测系统；2 0 0 2 年，中科院安徽光机 所研制的长光程差分吸收光谱仪通过了国家环境保护总局“重点城市空气质量 武汉理工大学硕士学位论文 设备”的验收1 目前，我国正在运行的空气质量自动监测系统主要为以干法 仪器为主，主要是一台设备测量一个或最多两个参数的引进设备。安装形式主 要有两类：固定站房式和车载式。主要供货商包括：( 1 ) 美国热电子公司( t h e r m o e l e c t r o n 公司) ：( 2 ) 美国a p i 公司( a p i 公司) ；( 3 ) 美国m o n i t o r 公司；( 4 ) 美国d a s i b i 公司；( 5 ) 美国e s c 公司；( 6 ) 法国e s a 公司( 如：重庆市) 和 法国s e r e s 公司；( 7 ) 个别城市( 如：贵阳市) 采用日本d d k 公司、h o r i b a 公司、岛津公司的产品。 ( 2 ) 环境空气质量自动监测系统的发展趋势 近年来，国外还在致力于发展基于激光光源的监测灵敏度更高的长光程吸 收光谱仪，目前还出于试验阶段。在大气污染探测激光雷达方面，近年来倾向 于发展探测灵敏度很高的差分吸收激光雷达f 7 j ，用于城市大气环境和城市污染 源的高时空分辨率探测。德国、美国、意大利和瑞典等国已分别研制成功车载 式差分吸收激光雷达样机，并正在进行实用性试验。考虑到差分吸收激光雷达 的技术复杂、造价昂贵，可靠性差，对操作和维护人员的技术素质要求太高， 估计近期内推广使用有困难。因此世界各国也在发展拉曼激光雷达技术。拉曼 激光雷达虽然探测灵敏度较差，但其结构简单、造价较低、性能可靠，使用维 护方便，使之很适合用于对城市大气污染源的流动监测，正好弥补了常规光学 监测手段对污染源监测能力的不足。 1 1 2 存在的问题 目前，全国各地市已经陆续地建立了现代化的大气自动监测站，这些站点 的建成对环境保护工作起了巨大的推动作用，已经成为政府加强环保工作的一 项重要措施。 但也面临一些问题，监测站点仪器类型多样化，数据采集设备繁多，不具 备通用性，且相互间兼容性差，又没有统一的格式标准，这就造成在现场站监 测同时有多套软件并存，管理十分不便。通讯手段落后，功能单一，导致监测 网络管理水平低下。 1 2 主要任务与意义 针对以上存在的问题，本文主要采用当前比较流行的b s 软件架构、大型 2 武汉理工大学硕士学位论文 关系数据库、网络通信、自动控制技术等前端技术，以服务于环境空气质量监 测运行管理业务为主要目的，通过对环境空气质量的监控，建立一个分布于环 境保护局各管理部门，为环境空气质量管理运营与决策提供服务，具有国际先 进水平的环境空气质量现场站监测系统。该系统将建立在实时运行数据和设施 地理空间数据基础上，成为日常管理必须的工作平台，具有自动化信息采集、 传输与控制功能，强大的信息管理、信息综合分析和信息提取功能，以及图形、 图像等显示输出功能。系统将支持环境空气质量监测管理业务的全过程，通过 系统建设，全面实现环境空气质量管理业务的信息化和自动化。主要包括以下 内容： 开发建设现场站检测设备数据的采集； 开发建设现场站检测设备数据的处理； 开发建设现场站检测设备数据的存储与管理； 开发建设现场站检测设备数据的应用； 开发建设现场站检测设备的控制； 开发建设中心站与现场站之间的数据通信； 本系统的投入使用不仅可以满足用户对整个环境空气质量自动监测网络进 行科学有效的管理的需要，而且可以降低站房的成本，发挥最大的社会综合效 益，并且具备以下的功能： ( 1 ) 现场站可以方便地增添新仪器而不用购买其他的数据采集软件，这样 就避免了多套软件并存的现象； ( 2 ) 现场站地数据通信完全遵循国家环保总局发布污染源在线自动监控 ( 监测) 系统数据传输标准1 8 1 ，与其他的软件具有良好的兼容性； ( 3 ) 可以通过调制解调器、a d s l 、g p r s 、c d m a 或以太网等多种上网方 式将数据传输给中心站，也可方便地备份数据。 1 3 本文的主要内容和组织结构 本文在分析和总结环境空气质量检测仪器的功能和实际需求的基础上，采 用专门的数据采集设备与数据接口软件按浙江省最新颁布的数据格式标准要求 对各类环境监测设备的数据进行采集与记录，同时在网上实现远程实时数据和 报警查看、远程校准和诊断、数据统计以及报表生成等多项功能。并利用最新 的网络技术与成果，将各监测站点与监测的中心通过i n t e r n e t 实现远程联网， 武汉理工大学硕士学位论文 通过网络将数据实时传输至监测中心，同时在网上实现远程监测、远程监控现 场站等多项功能。本文主要从以下四个方面重点介绍环境空气质量现场站监测 系统： 数据采集系统； 远程控制与系统维护； 数据统计和报表生成系统； 用户权限管理系统。 另外，本文对现场站与中心站的数据通信部分也做了一定的介绍，特别地， 对中心站监控现场站做了比较详尽的介绍。 论文总共分为6 章，结构安排如下： 第1 章绪论部分，主要介绍环境空气检测系统的现状和发展趋势，并针对 存在的问题，提出本文的主要任务和研究意义； 第2 章简介环境空气质量检测仪器的原理，在此基础上进行了功能性需求 分析和非功能性需求分析； 第3 章本章在需求分析的基础上，首先提出了现场站系统的总体结构和整 体框架，接着分析了现场站的硬件设计和软件设计，最后介绍了数据库设计。 第4 章本章比较详尽的叙述系统实现过程中所用到的关键技术，包括出于 数据库安全考虑，在数据库服务器和w e b 服务器中用到的r m i 技术；在数据采 集系统中用到的j n i 技术；在报表生成系统中用到的数据库技术；在仪器的校准 和诊断功能实现过程中用到的自动完成功能；在用户权限管理系统中用到的权 限管理技术等等。 第5 章本章概述了本系统软件的测试方案和过程。 第6 章回顾和总结了论文的研究工作，并对今后的研究方向进行了展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章测量仪器的原理及应用 本章首先介绍了常用的“长光程差分吸收光谱仪”和v o c s 仪器的基本原 理，接着分析了系统在应用中的功能性需求和非功能性需求。 2 1 污染物自动分析仪的基本原理 环境空气质量在线监测系统是一套自动监测仪器为核心的自动“测控”系 统，空气质量的自动监测系统一般采用湿法和干法两种方式。以下是常用的。长 光程差分吸收光谱仪”的基本原理： s 0 2 自动分析仪”1 ：基于s 0 2 分子接收紫外线( 2 1 4r i m ) 能量成为激发态 分子，在返回基态时，发出特征荧光，由光电倍增管将荧光强度信号转换成电 信号，通过电压频率转换成数字信号送给c p u 进行数据处理。当s 0 2 浓度较 低，激发光程较短且背景为空气时，荧光强度与s 0 2 浓度成正比。采用空气除 烃器可消除多环芳烃( p a h s ) 对测量的干扰。 n o x 自动分析仪”：n o 与0 3 发生反应生成激发态的n 0 2 * ，在返回基态 时发射特征光，发光强度与n o 浓度成正比。n 0 2 不与0 3 发生反应，可通过钼 催化还原反应( 3 1 5 ) 将n 0 2 转换成n o 后进行测量。如果样气通过钼转换器 进入反应管，则测量的是n o x ，n o x 与n o 浓度之差即为n 0 2 。 0 3 自动分析仪”：利用0 3 分子吸收射入中空玻璃管的2 5 4n i e t 的紫外光， 测量样气的出射光强。通过电磁阀的切换，测量涤除0 3 后的标气的出射光强。 二者之比遵循比尔朗伯公式，据此可得到0 3 浓度值。 p m l 0 自动分析仪( s 射线法) ”“：仪器利用恒流抽气泵进行采样，大气中 的悬浮颗粒被吸附在1 3 源和盖革计数器之间的滤纸表面，抽气前后盖革计数器 计数值的改变反映了滤纸上吸附灰尘的质量，由此可以得到单位体积空气中悬 浮颗粒的浓度。 v o c s 仪器：挥发性有机化合物是指沸点在5 0 2 0 0 0 c 之间、室温下饱和蒸 汽压强超过1 3 3 3 2 p a 的易挥发性化合物。其主要成分为烃类、氧烃类、含卤烃 类、氮烃及硫烃类等，是空气中普遍存在且组成复杂的一类有机污染物。v o c 武汉理工大学硕士学位论文 的种类很多它们能够对人体的呼吸系统、心血管系统及神经系统产生较大的影 响，甚至有些还会致癌”通常用于分析v o c s 的方法有气相色谱法( o c ) 、高 效液相色谱法( h p l c ) 、气相色谱一质谱法( g c m s ) 、荧光一分光光度法、膜 导入质谱法，其中最常用的是气相色谱法和气相色谱一质谱法。下面将主要介 绍气相色谱法原理”“。 使混合物中各组分在两相间进行分配，其中一相是固定不动的，我们把它 叫做固定相；另一相则不断流过固定相，我们把它叫做流动相。色谱法的分离 原理就是利用待分离的各种物质在两相中的分配系数、吸附能力等亲和能力的 不同来进行分离的。使用外力使含有样品的流动相( 气体、液体) 通过一固定 于柱中或平板上、与流动相互不相溶的固定相表面。当流动相中携带的混合物 流经固定相时，混合物中的各组分与固定相发生相互作用。由于混合物中各组 分在性质和结构上的差异，与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，随 着流动相的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固 定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中先后流出。与适当的柱后检 测方法结合，实现混合物中各组分的分离与检测。 对自动分析仪的自动校准通过动态自动校准系统完成，该系统包括动态自 动校准仪、零气发生器、标准气源。 2 2 环境空气质量现场站监测系统需求分析 本节分别介绍了系统在应用中的功能性需求和非功能性需求叫1 2 2 1 功能性需求分析 ( 1 ) 基本功能需求 环境空气质量自动监测的软件功能需求可划分为现场站自动监测软件功能 需求、中心站远程软件功能需求、网络数据传输软件功能需求等三个主要部分。 现场自动监测软件应具备以下功能：自动监测、实时监测、报警判断事 件记录、数据查询分析、参数设置和报表生成等。 网络数据传输软件应具有以下功能：完成数据在现场站与现场站之间的 传输，基于b r o w s e r s e r v e r 模式，现场站做客户端，中心站做服务端。 客户端向服务端发送命令，服务端接收、解释、执行命令，将执行结果 6 武汉理工大学硕士学位论文 返回给客户端。需具备的功能包括：实时监测信息传递、历史数据传递、参数远 程设置，即时控制信息传递、数据文件f t p 定时上传等。 ( 2 ) 其他功能需求 数据存储需求： 小时数据、日志数据、报警数据能存储3 万条以上记录( 一年) ： 五分钟数据保存一周，能同时容纳l o 个以上客户端的查询需求； 数据库要有自动备份功能，防止数据丢失。 专门需求： 可以方便地修改仪器通讯端口： 可以对模拟量在传输过程中的损失进行补偿； 可以选择生成报表的监测参数； 可以在p s d n ，a d s l ，c d m a ，g p r s 四种通讯方式中选择一种； 可以选择向多个f t p 传输数据； 可以选择需要传输的监测参数。 2 2 2 非功畿性需求分析 ( 1 ) 可移植性 在开发时要充分考虑了软件的可移植性，软件采用b s 架构，客户端无需 安装任何软件即可使用系统自带的m 浏览器登陆本系统。 ( 2 ) 可靠性 平均无故障时间大于3 0 0 0 小时； 正确执行的操作占全部操作的比例高于9 5 ； 中心站连接现场站成功概率高于9 5 ，远程操作成功率高于9 5 ： 与仪器的通信成功率高于9 0 9 6 。 ( 3 ) 性能( 效率) 运行环境：c p u ：p 39 3 3 以上：内存：5 1 2 m 以上；硬盘：8 0 g 以上：显示 器：v g a 2 5 6 色以上；通讯设备：m o d e m ，p s d n ，a d s l ，c d m a g p r s 之一；操作系 统：r e d h a tl i n u xa s2 1 ；数据库：o r a c l e8 1 7 ：办公软件：o f f i c ex p 。 在标准配置下( p 39 3 3 c p u ，5 1 2 m 内存，1i n u x 操作系统) 系统运行峰值 时内存占用2 8 0 m ，c p u 占用率2 5 ，峰值时延0 5 s 。 系统最多可同时为1 5 0 个中心站提供数据服务。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 易用性 采用大家熟悉的i e 浏览器作为客户端，人机界面友好、使用舒适、容易理 解和修改。新用户学习本系统的操作，3 0 m i n 培训能够正确掌握9 5 的操作。 ( 5 ) 可重用性和扩展性 充分考虑模块的重用性，各个模块要做到结构化、参数化，然后存档，以 供本系统其他部分或以后的软件开发使用。当现场站根据需要增加仪器时，软 件可以方便的添加仪器串口驱动。 ( 6 ) 安全性 防止非法访问系统，控制、设置操作要求用户登陆后方可进行。 防止数据丢失，数据在网络传输过程中要加密，远程访问系统命令要有 固定格式、用户名，密码、端口等。 防止病毒入侵，对网络开放特定端口，访问要有用户名和密码。 防止私人数据进入系统，客户端和服务端均需有i p 识别功能。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章环境空气质量现场站监测系统的设计 本章在需求分析的基础上，首先提出了现场站系统的总体结构和整体框架 ，接着分析了现场站的硬件设计和软件设计，最后介绍了数据库设计。 3 1 总体结构 整个环境空气质量监测系统的拓扑结构图如3 1 所示。 一套较完整的环境空气质量现场站监测系统应包括“”：采样系统，长光程 测量系统，标气校准系统，分析系统( p m l 0 、s 0 2 、n 0 2 、c o 、0 3 等) ，气象 参数测量系统( 风速、风向、气压、室内温度、室外温度、室内湿度、室外湿 度、光辐射和雨量等) ，钢瓶减压器及控制阀组，现场站计算机系统。现场计算 机系统主要由工控机、数据采集卡和多功能串口卡组成。现场站系统的拓扑结 构图如图3 - 2 所示”。 图3 - 1 整个系统的拓扑结构图 9 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 整体框架 图3 - 2 现场站系统的拓扑结构图 现场站系统整体上采用b s 结构，通过r m i j n i 来实现对环境空气测量仪 器的串口控制，通过r m i j d b c 来实现系统对o r a c l e 数据库的操作，它们都属 于r m i 的服务器端，而w e b 服务器属于i l m i 的客户端。现场站整体架构如图 3 3 所示。通过多功能串口卡驱动，工控机一方面在固定时间间隔内从仪器串口 读取实时数据和报警数据，并保存到o r a c l e 数据库中；另一方面周期性对仪器进 行序列校准。w e b 服务器通过r m i 接口访问数据库和仪器串口，来实现统计、报 表功能和仪器远程控制功能，诸如仪器实时数据显示、报警信息显示、仪器手 动校准、仪器诊断等。 i o 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 硬件组成 图3 - 3 现场站系统架构图 千法监测现场站主要由样品采集、空气自动分析仪、气象参数传感器、动 态自动校准系统、数据采集和传输系统以及条件保证系统等组成。图3 - 4 为数据 采集器与法国e s a 公司空气质量分析仪及气象设备连接示意图。空气质量分析 仪与数据采集器是通过r s 2 3 2 接口相连的，按照“先进现出”原从仪器则取数。 气象设备的模拟信号是通过数据采集卡a d 转化后进入数据采集器的。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 _ 4 系统连接示意图 硬件部分出于成本和系统可扩展性考虑，选用单片机( 如图3 5 所示) 或 p c 机型数据采集器。 主机：可根据需要选择嵌入式工控机或组装式工控机( 如图3 - 6 所示) ，配 置按需而定，一般含2 5 6 m 内存，8 0 g 硬盘，u s b 接口，串口等。 功能板卡： 1 6 通道a d 转换卡 r s 2 3 2 扩展卡：4 口、8 口 1 0 1 0 0 m 网卡 图3 - 5 单片机r a b b i tb l 2 1 0 0 图3 6 研华6 1 0 型工控机 3 4 软件设计 整个环境空气质量检测系统现场站部分可以划分为七个主要的模块：数据 采集模块、仪器报警模块、仪器校准和诊断控制模块、数据处理和统计模块、 武汉理工大学硕士学位论文 报表产生模块、用户权限管理模块、通信模块等。具体如图3 7 所示。 3 4 1 数据采集模块 图3 7 模块示意图 功能描述：根据不同仪器厂商提供的串口协议，按照f i f o 原则来实时的从 各个仪器串口取数据，然后将所采集的数据与阀值进行比较，把实时数据和比 较结果保存到数据库中，以供显示或其他数据处理所用。 数据采集流程图如图3 8 所示。 y n 限丽南碉 墨鲨查i 哩 图3 - 8 数据采集流程图 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 2 仪器报警模块 功能描述：环境空气质量参数数据在一定的范围内波动。当有效数据在上 下报警限之间时，系统认为数据正常。当有效数据在报警限和奇异限之间时， 系统认为数据正确且空气质量超标。当有效数据在奇异限以外时，系统认为出 现数据出现错误，当作无效数据处理。出现奇异数据的可能情况是数据通信失 败或仪器受到干扰。为了降低误报警率，我们设定连续的5 次检测都触发报警， 才认为是一次有效的报警事件。得到报警信息后，通过串口发送到短信猫上。 本系统中，主要是向管理者发送报警短信信息，一般步骤如下： ( 1 ) 使用a t + c r e g ? 查询，如果返回l 或者5 表示正常； ( 2 ) a ：r + c m g f = l 设置短消息格式为t e x t ； ( 3 ) 设置传送回报：a t + c s m p = 3 3 ，a 1 瑚- 2 。l 。，l ； ( 4 ) 发送短信：a t + c m g s = ”管理员手机号码” 报警内容+ 0 x l a ： 仪器报警流程图如图3 1 0 所示。 表3 - 9 常用的a t 指令 a t 指令功能 a 眦m g c s e n dms m sc o m m a n d ( 发出一条短消息命令) 争忑c 嗨g 口d e l e t es m sm e s s a g e ( 删除s i m 卡内存的短消息) a t h c m g f s e l e c ts m sm e s s a g e f o r m a t e ( 选择短消息信息格式：0 - p d u ；i 文本) l i s ts m sm e s s a g ef r o m p r e f e r r e ds t o r e ( 列出s i m 卡中的短消息 a 1 w m g lp d u t e x t ：0 “r e cu n r e a d ”一未读，1 “r e cr e a d ”已读，2 ， “s t ou n s e n t ”- 待发，3 “s t os e n t ”已发，4 “a l l ”全部的) a t 屺m g rr e a ds m s m e s s a g e ( 读短消息) 抵书。螂s e n ds m s m e s s a g e ( 发送短消息) 矗七c 妯g 聃 w d t es m sm e s s a g et om e m o r y ( 向s i m 内存中写入待发的短消 息) a t h c m s ss e n ds m sm e s s a g ef r o m s t o r a g e ( 从s i n f m 内存中发送短消息) a t 删m in e ws m s m e s s a g ei n d i c a t i o n s ( 显示新收到的短消息) a n p m sp r e f e r r e ds m s m e s s a g es t o r a g e ( 选择短消息内存) a t + c s c as m ss e r v i c ec e n t e ra d d r e s s ( 短消息中心地址) a 眦s c bs e l e c tc e l lb r o a d c a s t m e s s a g e s ( 选择蜂窝广播消息) a 1 + c s 呼s e ts m st e x tm o d e p a r a m e t e r s ( 设置短消息文本模式参数) a n c s m ss e l e c t m e s s a g es e r v i c e ( 选择短消息服务) 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 y 图3 1 0 报警处理流程图 3 4 3 仪器校准和诊断模块 功能描述：用户可以自定义仪器校准序列，模块根据设定，可以实现仪器 的自动校准和手动校准。仪器校准可分为零点校准和满度校准，一般情况下， 自动校准只进行校准检查，如果发现仪器零点或满度点发生漂移，则需要手动 校准，进行校准后数据的保存，即对校准曲线进行校准。 3 4 4 数据处理和统计模块 功能描述：在实际仪器工作过程中，由于仪器刚刚启动或者周围环境干扰， 仪器测量的数据出现比较大的波动，会出现出现奇异值。这些数值不属于有效 数据，不参加数据均值统计和报表生成。数据处理模块的功能正是基于此。数 据统计主要是利用o r a c l e 的视图功能和内置函数对实时数据进行求和或求均值 计算。 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 5 报表产生模块 功能描述：可生成小时报表、日报表、月报表、年报表等七种报表，提供 预览和打印功能，可根据用户的选择生成a p i 报表、报警报表和仪器校准报表， 可选择保存为w o r d 文档或e x c e l 表格。 3 4 6 用户权限管理模块 功能描述：用户权限管理模块由以下三部分构成瞄1 ：1 创造权限；2 分配权 限：3 使用权限。创造权限：由c r e a t o r 创造；分配权限：由a d m i n i s t r a t o r 分配； 使用权限：普通的u s e r 使用。 3 4 7 数据通信模块 功能描述：通信模块是遵循浙江环境检测数据传输规约而设计的。此规约 是浙江省环境监测系统各监测站点之间数据交换应遵循的通信协议，它规定了 数据传输的如下内容：物理连接方式、命令响应方式、数据上传方式、可靠性、 安全等。 ( 1 ) 物理连接方式 中心站和现场站之间网络的物理连接方式有调制解调器、a d s l 、g p r s 、 c d m a 或以太网等多种，各站点根据实际情况可选择其中的一种或几种进行连 接。从软件角度考虑，网络的连接可划分为两种方式：互联网和拨号v p n ( 虚拟专 用网) 。现场站一般都是安装宽带，具有固定的口地址。现场站则根据自身情况 可选择a d s l 宽带、c d m a 拨号或1 6 3 拨号等几种方式之一来接入互联网。拨 号v p n 连接用于中心站访问1 6 3 拨号的现场站，由1 6 3 拨号不是2 4 小时在线， 故现场站不在互联网上时，中心站就要通过拨号与现场站建立v p n 连接来传输 数据。 网络连接选定后，需确定在网络上保证中心站和现场站如何相互识别身份。 对于a d s l 宽带上网的站点，其口地址为服务提供商动态分配，而非固定 值，这种情况我们采用了动态域名解析的方式，每个现场站申请一动态域名， 用户只要访问站点对应的动态域名即可。 对于c d m a 拨号，服务商提供了固定的i p ，中心站访问现场站可直接根据 i p 来访问。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 对于1 6 3 拨号接入方式，中心站要根据现场站的电话号码实现访问，此时我 们采用拨号v p n 访问方式，拨号时给双方分配固定的i p 地址，这样只要工 作人员把双方的p 分配写入配置文件则中心站和现场站可以通过网络传输 软件实现相互识别、访问。 ( 2 ) 通讯及数据上传方式 网络数据传输软件支持全双工的命令响应方式。数据的通讯支持三种方 式：t c p i p 方式，u d p i p 方式，f t p i p 方式。具体方式的采用根据所实现的功 能要求来确定。采用t c p i p 方式通讯( s o c k e t 通讯) 方式实现的功能主要有各种 远程设置命令、查询命令、数据备份命令等。对于此通讯方式我们采用较为成 熟的c l i e n t s e r v e r 模式来工作，现场站为c l i e n t 端，中心站为s e r v e r 端。s e r v e r 端负责向c l i e n t 发送操作命令，c l i e n t 端响应客户端远程命令。 设置命令，包括报警参数设置、系统参数设置、仪器参数设置等。s e r v e r 端 接收到此命令后，将参数数据写入数据库，然后通知现场监测系统及时修改 参数设置。等系统将参数更新成功后，c l i e n t 端将修改成功命令，返回给 s e r v e r 端。 查询命令，主要为参数查询，接收到此命令后，c l i e n t 会将数据库中相应的 参数返回给s e r v e r 。 读实时数据命令，c l i e n t 端接收到此命令后，每隔1 分钟向s e r v e r 固定端口 以固定格式上传最近的5 s 实时数据一组，直到接收到s e r v e r 的中断传输命 令或网络传输连续失败而停止。 数据备份命令，s e r v e r 将所要备份的数据名称，数据时间段，发给c l i e n t ， c l i e n t 根据要求将数据库备份。 ( 3 ) 可靠性及安全性 为实现文件传输的可靠性，在t c p i p 通信方式中，我们采用了如下措施1 4 1 1 ： 数据c r c 校验：数据包采用c r c 校验来确保数据传输的完整性和正确性。 命令确认：完整的命令由请求方发起和响应方应答组成。 超时和重发机制：请求方发出请求后，若在约定时间内得不到响应方的应答， 则要求请求方重新发送请求。 3 5 数据库设计 商用的数据库软件种类繁多，经过比较我们选择了功能强大的o r a c l e 。之所 武汉理工大学硕士学位论文 以选择o r a c l e ，一方面是因为o r a c l e 是当前商用最优秀的数据库软件之一；另一 方面是o r a c l e 与l i n u x 的良好兼容性。数据库可以称作本软件设计的基石，因为 系统的参数信息，配置信息，所采集的数据、事件日志等均记录在数据库中， 查询和报表部分更是直接利用数据库视图产生的，程序的各个部分或多或少均 与数据库存在联系。要想完成一套成功的软件，数据库的成功设计是前提。 3 5 1 数据库表的设计 通过对系统功能、数据格式及软件需求等充分的分析，本系统建立四类表： 基本信息表、字典表、仪器功能表、数据统计表，详见表3 - 1 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 表3 1 1 系统表总汇 分类名 表名 表说明 s t a t i n o n i n f o现场站信息表 基 i n s t r u i n f o 现场站在用的仪器信息表 本 信i n s t r u _ p a r a现场站在用的仪器参数信息表 息 表 u s c ri n f o用户信息表 i n s t r u _ c y i n d e r现场站气瓶信息表 d i c i n s t r u i n f o仪器信息字典表 d i c _ i n s t r um o d e l仪器类型字典表 字 d i c p a r a i n f o 仪器参数字典表 典 表 d i e _ p r o d u e e r s仪器生产厂商字典表 d i cu i l i t 参数单位字典表 d i c _ w a m i n g _ i n f o仪器报警字典表 d a t ai n f o 实时数据表 仪 c a l ii n f o 仪器校准数据表 器 功c a l id a t a 仪器校准信息表( 仪器校准序列配置表) 能 表 d i a g _ i n f o仪器诊断信息表 i n s t r uw a r n i n g 仪器报警信息表 e l a b _ a v g均值统计数据表( 临时表) e l a bs u m求和统计数据表( 临时表) e l a b m e t h o d 统计方法信息表 数 e l a bp a r a仪器参数的统计方法信息表 据 统 r e p o r t报表数据表( 临时表) 计 表 h o u r 、枷i d 小时数据有效性信息表 d a vv a l i d 日数据有效性信息表 m o nv m i d 月数据有效性信息表 y j 盯v 甜i d 年数据有效性信息表 3 5 2 数据库访问接口 数据库的操作采用o b d c ( 开放数据源链接) 的方式进行。o d b c ( o p e n d a t a b a s ec o n n e c t i b v i t y ) 是被人们广泛接受的用于数据库访问的应用程序编程接 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 口a 对于数据