（电工理论与新技术专业论文）基于水质监测系统的数据处理方法.pdf

a b s t r a c t a i o n gw i t ht h et e c h n o i o g yd e v e l o p i n ga n dt h es o c i a ip f l o g r e s s i n g ，t h e s t a t e m e n to fw a t e re n v i n m e n tg e t sm o 怕a n dm o 怕a t t e n t o na n d 怜c 0 9 n i t j o n 。t h ew a t e rq u a i 耐m o n t 0r i n gi n f o n l l a t i o ni st h eb a s i co f s t a t i s t i c i n ga n dr e i e a s i n gt h ew a t e rq u a l i t y n d i t i o n t h ew a t e rm o n i t o n n g m e t h o di sc h a n g i n gf r o mt h e e c t i n g ，m a n a g i n g ，a n a i y z i n g ，t 陷n s f e r n n ga 怕i yo nm a n u a lw o 水t oa u t o m a t i z a t i o n m o 怕a n dm o 怕a d v a n c e dd a t a c o e c t i n gt e c h n o i o g ya r eu s e di nt h ep r 0 c e s so ft h ew a t e rq u a i i t yi n s p e c t i n g h o w e v e r ，p e o p i ei o d g e sh i g h e r 陀q u i 怕m e n tf o rw a t e rm o n t or i n gw i t ht h e d e v e i o p m e n to fn e t w o 水i nv e 吖f a s ts p e e d w eh o p ew ec a ng e tt h ew a t e r q u a i 时i n f 0 丌1 1 a t i o nm o 陀c o n v e n i e n ta n dm o 他i n t u m o n i s t i c ， a n dc a np r o c e s s d a t aj nt j m ea n dm o 怕e x a c t h o w e v e r ，t h e s ed a t ap r o c e s s l n ga n di n f o n l l a t o n p r o c e s s i n gc a nn o tr e a i i z ei nt h ew a t e rm o n t o n n gs y s t e mi ne x i s t e n c e i no r d e rt 0 l v et h ep r o b i e mo fw a t e rq u a t yi n f o n l l a t i o n ，t h i sp a p e rs e t a b o u td i s c u s s i n gf mt h 怕ea s p e c t s ：t h ep r o c e s s i n gm e t h o do fw a t e r q u a t y i n f o r m a t l o nb a s e do nw e b ：t h ee v a l u a t i n gm e t h o do fw a t e r q u a i i t yi n f o 九1 1 a t i o n ： t h ei n f i 引r m a t l o nm a n a g i n ge x h i b i t e do nw a p p i a t f o r r n t h i sp a p e ri sa t t r i b u t e d i nt h e f o i i o w i n gt h r e ea s p e c t s t h i sp a p e re x p o u n d st h ew a t e r q u a t ym o n i t o n n gs y s t e mc o n s t r u c t i n g a n df u n c t i o nr e a z i n gm e t h o db a s e do nw e b p i a t f o r r n f o u n d e do na n a i y z i n g t h ew a yo fw a t e rq u a t yp r o c e s s i n g ，t h i sp r o j e c ti m p i e m e n t st h ew a t e r m o n - t o r i n gd a t ap r o c e s s j n gi nt e ) ( t ，i m a g ea n d 陀p o r tf o r r t l s ，w h j c hm a k e su s e r s s e ee v e 吖m o n i t o r i n gp a r a m e t e r sa c t u a i l yl nai n t u i t l o n i s t i cw a y a t t h es a m e t i m e ，t h i sp r o j e c tl m p l e m e n t sl o n g d i s t a n c ec o n t r o lo nd a t ac 0 e c t i n g e q u i p m e n t s i ti si n d i c a t e dt h a tt h i sw a y i sm u c hm o 陀p 陷c t i c a i nu s e t h e n ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ear i t h m e t i cp 门o b i e mo fw a t e rq u a i i t y i n f o r m a t i o ne v a i u a t i o n i nf a c t ，e v a l u a t i n gw a t e r q u a t ys t u a t i o ni ns t a n d a r d w a t e rq u a i t ya n a l y s i sar i t h m e t i c ，t h eo u t c o m ei si m p e 怜o n a t y h 0 w e v er r e s u i t so ft h i sm e t h o de x i s tf | u c t u a t e r od e a lw i t ht h i sp r o b i e m ，t h j sp a p e r i i i o d g e sw a t e rq u a t ye v a l u a t i o nm e t h o du s i n ga s hc l u s t e r i n ga l g o n t h m i c a ti a s t ，b a s e do nr e s e a r c h i n gt e c h n o l g yo fw a pp i a 怕n n ，t h l st h e s i s b r i n g sf o m 旧r dt h et m 豁m o d e lo fw a t e rq u a i 时i n f o m l a t o nm o n t or i n gs y s t e m o nw a pr e a i i z e st h et r u s so nw a pi nt h es l m u i a t es 随u a t i o n ，a n dd i s c u s s e st h e d a t ap r o c e s s i n gm e t h o do nw a p k e yw o r d s ：t h ew a t e rq u a t ym o n i t or i n gs y s t e m ，w e b ，e v a i u a t i o no f w a t e rq u a t yln f o r n l a t i o n 。w a p i i i 原创性声明 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。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名： 日期：盈出：三：至 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一獬：警 i i 上海大学机自学院研究生学位论文 第一章绪论 1 1 课题的背景及用户需求 1 1 1 课题背景 水，是人类赖以生存的重要资源。随着科技的发展、文明的进步，水资源的 合理利用、水环境的保护，成为社会不断发展过程中人类面临的重大问题之一。 一方面，随着世界人口的增长，人类对水资源的需求量越来越大，水资源却越来 越匮乏；另一方面，由于环保意识淡薄，水环境的污染情况也越来越严重。严峻 的水形势引起人们对水污染控制的高度重视，世界各国都加大、加快了水污染的 治理力度和速度。 上海地处长江入海口，水资源非常丰富，但是水环境污染对城市建设、经济 发展的影响也日益加重。作为上海的北大门，青浦区是上海市水面积最大的地区。 青浦区水面积占全市水面积的1 5 3 0 9 6 ，河湖面积占全市河湖面积的1 7 0 2 ，全 上海市2 1 个湖泊均分布在青浦区内。上海青浦淀山湖水区，是上海最大的淡水 湖，也是上海水环境监测和治理的重点。 多年来，青浦区水环境管理工作一直采用人工采集样本，分析数据，手工汇 总制表等工作手段，由于采样间隔时间长，数据分析汇总慢，而难以及时、有效、 准确的反映水环境的状况。解决各级环保部门传统的环境监控手段与日益发展的 环境监理需求之间的矛盾是促进建设水环境自动监控系统的一个重要原因。水环 境自动监控系统的建设可有效地、准确地、及时地了解环境状况，以满足环保部 门决策上的需要。 上海市青浦区政府，为了改善对淀山湖水域的管理状况，投资够买了美国 y s i 公司多参数水质监测仪，用于监测溶解氧、水温、水位、酸碱度( p h ) 、电 导率、浊度、氧化还原电位( 0 r p ) 、叶绿素等常规的水质项目。氨氮、总氮和总 磷选用德国布朗卢比公司的相关产品，对氨氮，总磷，总氮，c o d 这些测量方法 相对固定的参数进行监测。实现了全自动水质数据采集。但是由于远离市区，位 置偏远，无法将实时采集信息实时地传送到相关的决策部门，使得采集到的有效 数据仍旧无法有效地应用到决策分析中去，而造成实时数据有效性的损失；同时， 第l 页 上海大学机自学院研究生学位论文 决策部门的相关决策，也需要逐级下达，对区域水质信息的监控也相对滞后。 1 1 2 用户需求 为了最终实现水质监测的网络化、信息化，在数据采集自动化的基础上，青 浦区政府提出了构建水质监测系统的需求。水质监测管理信息系统建设不是一个 短期就能够一蹴而就的项目，而是需要分阶段逐步实施，长期坚持，持续发展、 完善的。因而，本系统采用开放式结构，在软硬件方面，保证具有良好的扩展性， 以便今后系统不断地升级完善。 水质监测系统的构建的两项原则： 1 标准化原则 系统的数据库开发、代码编码、计算方法、分析评价、系统集成等采用标准 化方法。有国家、行业标准或规范的，都应严格执行。没有标准或规范的，则采 用通用做法。 2 简易性原则 系统最终是为用户服务的。系统开发应考虑不同层次的用户的需求，设计友 好的系统界面，使其操作直观、简便，达到易学、易用、易维护的目的。 为了实现对水质信息的监测、对水质监测设备的遥控、即时的水质信息处理 等功能，在和当地水质监测和监管部门多次讨论之后，对水质监测系统的功能基 本达成一致。水质监测系统的设计需要实现以下主要功能： a 自动控制系统需运行稳定可靠，并可在现场及远程进行人工参与控制。 b 系统需具备有自动分类报警，当系统出现报警时可自动触发报警输出，式 通知远程维护人员，由维护人员及时作出反应，进行应急控制处理。 c 控制中心能够对各数据进行权限设置。 d 软件系统采用网络化设计，实现管理中心对系统的使用和数据的共享。 e 根据状态参数或故障报警信号能自动对分析结果的有效性进行判断，并可 根据状态参数等对测量数据进行人工有效性识别，无效数据应根据种类标注不同 的状态标识符。 f 具有对监控水质的预警功能。 g 数据采集系统具备有自动巡检功能，可根据设定采集时间自动巡检。 第2 页 上海大学机自学院研究生学位论文 h 控制中心采用w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 操作系统和s q l2 0 0 0 关系数据库， 软件具有良好的可扩展性，便于维护和升级，系统软件具有数据保护功能。 i 能对历史数据进行报表统计和数据曲线分析，数据导入、导出方便，并有 数据备份和数据恢复功能；能根据有效数据自动生成日报、周报、月报、季报、 年报等各种报表、图表，并能动态定制各种报表；能判断水质类别、首要污染物 和各指标的超标情况；能根据用户要求进行数据处理，可以进行数据对比等。 j 数据查询功能，按需要进行单、多站之间，及其它灵活方式的数据查询。 k 在各监控点、各托管站和市环境监测中心实现操作、管理远程控制，实现 水质监测站数据传输、现场工作状态、安全和参数超标报警等远程监控。 l 子站断电后数据能自动保存，能储存一年以上的原始数据，子站数据具有 自动备份功能，同时保存相应时期发生的有关校准、断电及其它状态事件记录。 m 系统安全防护功能，需有数据加密功能，并采用金字塔式权限约束，在进 入系统时需确认身份，使其可使用相应的操作。 n 软件系统可扩展性强，能方便地增减和修改站点点数、每个站点内的被测 参数和被控参数，均无数量及种类的限制。 o 对水质监测数据环境，结合监测点水功能区划要求，进行评价。 为了尽可能的满足水质监测系统的需求，系统采用b s 模式构建。基于b s 模式的系统具有信息共享程度高、维护简单、易于进行二次开发、对数据提供更 好的保护的特点。不论是水质监测单位、水力监管部门，还是普通的用户，只要 通过浏览器，就可以查询水质信息，了解实时的和历史的水质信息记录，通过报 表和图形直观地获得所监测地域的水环境情况，并能够获得水质情况报告。 在完成构建基于b s 模式的基础之上，为了能够适应时代的发展，使得水质 监测系统能够适应后p c 时代的发展，在完成构建基于b s 模式的基础之上，讨 论并在实验平台上构建了基于w a p 平台的水质监测系统。能够满足用户随时随地 登录系统，掌握数据，了解水质情况，对设备进行遥控的需求。 1 2 国内外水质监测系统的现状 水质监测是水资源管理与保护的基本手段，同时也是非常重要的手段。水质 监测所提供的水质信息是政府控制水污染，实施监督管理的依据n 1 。此外，水资 第3 页 上海大学机自学院研究生学位论文 源的综合规划、水功能区划以及水资源保护规划，都需要水质监测提供准确及时 的水质信息。目前水利系统已经建成由水利部、流域、省和市( 或地) 水环境监 测中心、分中心，共几百个监测机构组成的多级水质监测体系，基本覆盖了全国 的主要江、河、湖泊与水库，实现了对全国区域水质信息的有效监测。 水质监测自动化是一门包含了多学科综合技术，其中涉及到化学分析技术、 计算机技术、通信技术、自动控制技术和检测技术等等。通过水质自动监测系统， 对于定点水域的水样采集，多种水质参数的测定，数据的处理和传送、统计和展 示，对采集设备的控制都可以自动的进行。 随着计算机的普及和现代信息技术的发展，利用先进的科技手段对环境状况 进行实时监控和优化配置是当今世界发达国家环境管理的新思潮。这些国家不惜 投入巨资建设这样的系统。如澳大利亚的许多州都建设了流域( 区域) 的水资源 实时监控系统，通过对各种水资源数据信息的自动监测、采集、传输、预警预报、 决策支持、工程自动控制等，以实现流域( 区域) 水资源的优化配置和实时调度。 同时还与收费系统相结合，做到自动收费。美国、法国、德国、加拿大、以色列 以及俄罗斯等国家在防洪预警系统、供水系统、污水处理系统、跨流域调水管理 系统、灌区优化配水管理系统等方面均有一系列典型的实时监控和自动调度方面 的例子。 我国自八、九十年代以来，陆续采用了电话、微波、超短波和卫星通讯以及 计算机技术等进行环境信息采集、传输和存储、加工处理等。目前，我国局部地 区也建立了一些基于c s 模式的环境信息采集、传输、信息管理等系统，为环境 管理工作提供了及时、可靠的技术支持，收到了显著的社会效益和经济效益。 在我国，水质监测工作是水资源管理与保护的一项重要的基础性工作。它在 水资源的管理、开发方面发挥了重大的作用。由于投资庞大，因此主要由政府兴 建，用于重点水域的监测和管理，或者在大型的水利工程中作为配套系统进行建 设。中国环境监测总站根据国家环保总局的要求，在松花江、辽河、海河、淮河、 黄河、长江、珠江、太湖、巢湖和滇池等主要江河流域、湖泊建成了7 3 个水质 自动监测站。这些监测站主要对水温、p h 值和浊度等八项指标实施监测，并提 供水质自动监测周报。 近些年，上海地区的水环境监测系统也有了长足的进步。比如，宝山鱼塘水 第4 页 上海大学机自学院研究生学位论文 质循环监测系统；浦东张家浜水质氯离子自动监测采集系统；浦东三甲港七参数 水质自动监测采集系统：张家港市环保局监测控制中心综合管理系统及下属1 8 家企业的工业废水自动监测系统；上海市重点环保监管企业安装水污染源在线监 测设备，其中2 0 0 1 年第一批试点的l o 家企业；2 0 0 2 年第二批试点的4 家企业： 宝山地区1 4 家企业废水排放监测系统；为f l 赛车场配套的安亭水质净化厂二套 水质排放在线监测系统、全套自动化仪表、液位计、水泵的安装调试。 但总体来看，我国对建设水质实时监控系统的认识、技术水平、投入力度等 方面与发达国家相比还有差距，系统实时性、可靠性、稳定性不够理想，很难满 足实际需求，这与新时代的水环境管理现代化建设的要求不相适应。 1 3 系统研究的目的与方法 基于b s 模式的信息管理系统是结合了数据采集、通信、数据统计、数据分 析、远程控制等多方面技术的综合性系统，不仅可以提高网络信息传输的效率， 而且还能够对数据进行整理；按照一定的算法，对数据进行分析，得出水质评价 结果。这些数据，为淀山湖水环境的安全等级评价和规划建设提供基础信息。 水质监测数据处理平台的开发，是在整理和分析现有资料的基础上，综合运 用计算机、水质监测等多方面技术，将基础信息的管理、图形显示等融为一体。 目的是更有效地实现基本信息查询和维护、水环境评价、水质报表输出等功能， 以实现水质监测日常事务处理和专业管理的自动化和科学化。为了更好地实现水 资源信息管理系统的预定目标和功能，需建成一个适用、先进、高效、可靠的水 质监测信息系统。 水质监测系统需要结合水质信息采集、数据传输的特点，运用现代数据管理 思想和信息技术，来实现水质信息管理的组织化、标准化、网络化、人性化，从 而全面实现水质在线监测系统的信息化。 建立系统安全体系，通过网络安全、用户验证、登录记录、权限控制、数据 备份等方式建立一套适用本系统的安全体系。 在完成水质监测系统构建的基础上，为了适应后p c 时代的需求，对水质检 测在w a p 平台上的拓展进行了研究，分析了w e b 平台与w a p 平台在构架上的共性 和特性，阐述了h t m l 与w m l 、j a v a s c r i p t 与w m l s c r i p t 的功能和方法上的共同 第5 页 上海大学机自学院研究生学位论文 点和不同点，并在数据库同构的基础之上构建了基于w a p 平台的水质监测系统， 同时结合水质分析评价算法，并对水质信息进行评估。 1 4 本文的工作和组织结构 1 4 1 主要完成的工作 1 确定用户需求 与水质监测工作者、水质信息管理人员进行沟通，明确各个不同用户对信息 监测系统的具体要求，根据已有的数据采集系统和通信系统，结合原始数据的具 体形式，进行归纳总结，权衡各方面因素，给出具体的功能设计方案。然后根据 得到的方案，再次与用户进行交流，直到双方达成一致为止。 2 设计采集、传输、处理的系统框架 完成需求分析后，对原始数据进行进一步的整理，对各种需求进行归并，确 立系统数据采集、数据传输、数据处理模块。在此基础上，确定各个模块的具体 功能( 实时监测功能、控制功能、评价功能) ，列出数据字典。进一步分析各个 功能、各个模块之间的联系，确定系统的b s 框架。 3 建立完善的数据库 以数据字典为依据，设计数据库的结构，建立e r 图，确认需求信息的正确 性和完整性。在此基础上，将e r 图转换为多张表，进行逻辑设计，并应用数据 库设计的三大范式进行审核，选择具体数据库进行物理实现。2 1 4 建立功能模型和水质信息评价模型 根据系统框架与数据库系统，从技术上实现各个模块的功能，实现对水质信 息的实时监测与远程控制。在此基础上，利用水质评价标准算法，建立数据分析 模型，对水质数据进行分析，给出水质信息评价结论。 5 建立客户端界面，在模拟平台实现w a p 访问功能 通过p c 端w a p 浏览器和嵌入式终端手机模拟器，能够通过w a p 方式，直接 进入监测系统，获取实时数据，监控数据采集系统的工作状态等。 第6 页 上海大学机自学院研究生学位论文 1 4 2 论文的主要贡献 1 构建了基于1 r e b 水质监测系统，以数据库为数据转存核心，结合通信技术 与服务器技术，实现了w 朗平台下对水质监测设备的远程控制功能； 2 研究了水质标识指数评价算法的原理，实现了对水质信息的实时评价，针 对标识指数法评价结果偏差较大的问题，提出了灰度聚类法，减小失真、失效等 情况的影响，改善了评价结果的准确性； 3 对w a p 平台技术进行研究，分析了w e b 与w a p 在协议与应用中的不同，实 现了w a p 模拟平台上水质监测系统的构建。 1 4 3 论文结构 本文主要由三部分组成： 第一部分，包括第一章、第二章，主要分析了系统要求，介绍了系统的硬件 结构。第一章主要介绍本课题的由来、项目的客户需求、项目的实现目标；第二 章主要结合现场数据采集、无线数据传输，数据库存储技术，阐述了水质监测系 统的硬件结构和物理分布。 第二部分，包括第三章、第四章、第五章，主要阐述了对采集的水质数据的 处理和分析的方法。第三章，根据用户需求，构建了基于b s 模式的系统框架， 建立了数据库结构，介绍了本系统所采用的核心技术，阐述系统功能及其实现， 阐明从功能角度出发数据处理的方法；第四章，阐述了水质标识指数评价算法及 其实现，并使用灰色聚类进行水质评价，阐明从分析角度出发数据处理的方法； 第五章，结合w a p 技术，阐述水质监测系统在w a p 平台上的拓展，阐明从平台设 计角度出发数据处理的方法。 第三部分，包括第六章，阐述了系统在安全方面采取的措施，对系统进行整 体的评价，讨论水质监测系统的发展方向和以后可以开展的工作。 第7 页 上海大学机自学院研究生学位论文 第二章数据采集系统 本章介绍了系统采用的数据采集、网络传输、数据存储技术，并在此基础上， 讨论了水质监测系统中数据采集系统的结构和物理分布。 2 1 数据采集 2 1 1 水质信息采集方法概述 目前，采集水质信息的方法主要有三种：物理电极法、化学法、生物法。 物理电极法是根据被测液体内部不同物质的导电参数( 如电阻率、电容率) 的不同，通过对液体表面电流、电压的施加、测量来获知液体内部导电参数的分 布，从而得到待测液体相对电导率的变化范围。不同的物质具有不同的电导率， 清洁的水和污染的水具有的电导率也是不同的。根据水环境的不同，水质会呈现 出不同的电特性，可以检测水槽中水所含有的化学物质的存在，并且可以根据与 纯净水电导率相比的变化大小反映出化学物质的特性和量化程度。 化学法用化学方式对待测水样进行复杂的前处理，然后根据某一分析方法进 行分析得到具体的成分及含量数据，常用的分析方法主要有气相色谱一质谱( g c 叫s ) 联用法、液相色谱一质谱( l c _ m s ) 联用法、红外光谱法。3 1 其中，红外光 谱法是有机化合物最主要的定性分析方法之一，其主要原理是每一种化合物都有 特征的红外吸收光谱，其谱带的数目、位置、形态及强度均随化合物及物理形态 的不同而不同，因而可以根据化合物的光谱确定该化合物或其官能团是否存在。 红外光谱技术目前已发展成为环境监测中微量污染物定性和定量分析的重要工 具，也是近年来发展最快的水质监测方法之一。 生物监测是系统地利用生物反应来评价环境的变化，并将其信息应用于环境 质量控制程序中的一门科学。“1 生物监测的目的是希望在有害物质还未达到受纳 系统之前，在工厂或现场就以最快的速度把它检测出来，以免破坏受纳系统的生 态平衡；或是能侦察出潜在的毒性，以免造成更大的损害。 生物监测主要有以下几种方式： 利用指示生物在水体中的出现或消失、数量的多少来监测水质。 利用水生生物群落结构的变化来监测水质。 第8 页 上海大学机自学院研究生学位论文 利用水生生物受到污染物质的毒害所产生的生理机能的变化，测试水质污 染状况。 2 1 2 水质采集方法的比较与选取 物理电极法具有低成本、高清晰度、设备体积小、运行速度快等优点，但是 对微量元素和有机物的监测效果不好；化学法，适用范围广，能有效监测微量和 有机化合物，但是化学法花费的时间长，耗资也较大，而且需要一定的工作环境， 无法进行实时、快速的检测；有些水生生物对污染物很敏感，有些连精密仪器都 测不出的微量元素的浓度，却能通过“生物放大 作用在生物体内的积累而被测 出“1 ，但是生物法，采样周期比较长，不能反映采样前后的状况。三种方法应用 不同的情况，根据本系统中的参数要求和功能要求，选用电极法和化学法进行采 样。 2 2 无线数据传输 g p r s ( g e n e r a lp a c k e rr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，含义为 整合封包无线服务，它是利用“分封交换( p a c k e t s w i t c h e d ) 的概念所发展出 的一套无线传输方式，是在现有的g s m 系统上发展出来的一种新的分组数据承载 业务，被称为2 5 代移动通信技术，它将无线通信与i n t e r n e t 紧密结合“1 。g p r s 是g s m 的一个更高层次。分封交换是将数据分装成许多独立的封包，再将这些封 包一个一个传送出去，采用分封交换的好处是只有在有数据需要传送时才会占用 频宽，而且可以以传输的数据量计费，这对用户来说是较合理的计费方式。 g p r s 作为一种先进的、全新的无线网络承载手段，具有独特优势：( 1 ) g p r s 引入分组交换的传输方式，使用者只有在发送或接收数据期间才占用资源，按实 际通信的数据流量为计费标准，是一种面向使用的计费，计费方式更加科学合理， 大幅降低使用成本 1 。( 2 ) g p r s 可提供1 1 5 k b i t s 传输速率( 最高值为 1 7 1 z k b i t s ) ，明显高于其它方式。( 3 ) g p r s 提供快速及时的联接，接入时间 短，大幅提高数据收集及监控效率。而且激活g p r s 应用后，将永远保持在线， 类似于一种无线专线网络。用户只在发送信息时才申请无线资源，其他时间保持 激活状态，发送信息的时候无需重新连接。i p 数据包通过分组交换技术被分成 第9 页 上海大学机自学院研究生学位论文 若干片段，通过不同的路由以存储转发的方式传送到目的端，再组成完整的数据。 根据移动的网络状况，每数据包传输时间在l s 左右，并可连续发送，从而保证 实时传输的可靠性。( 4 ) g p r s 支持i n t e r n e t 上最广泛使用的i p 协议和x 2 5 协 议，提供了一个完备的基于t c p i p 协议的通讯解决方案，能提供i n t e r n e t 和其 它网络的随时随地全球性无线接入。 从g p r s 技术的特点可以看出，它具有网络覆盖范围广，数据带宽，适应性 强的优点，可以大大地提高远程数据采集的效率和可靠性。目前一般远程数据采 集系统易受外界干扰、通信速率低、误码率高、数据传送量不大、信号覆盖范围 小等不足，且需申请占用频率资源，这在许多地区难以做到。而g p r s 网络经过 电信部门的多年建设，覆盖范围不断扩大，已成为成熟、稳定、可靠的通信网络， 为本方案远程数据采集提供了快速、廉价的最佳数据传输解决方案。 当然，g p r s 技术同样也有它的缺点：( 1 ) g p r s 会发生包丢失现象。( 2 ) 实际速 率比理论值低。( 3 ) 终端不支持无线终止功能。( 4 ) 调制方式不是最优。( 5 ) 存在 转接时延。 和蓝牙、z i g b e e 等其它无线通信技术相比，g p r s 在覆盖范围、性价比上的 优越性还是比较明显的。 2 3 数据存储 数据的定义是描述事物的符号记录，包括文字、图形、图象和声音。数据和 其语义是不可分隔的。人们在收集并抽取出一个应用所需要的大量数据之后，应 将其保存起来以供进一步加工处理，进一步抽取有用信息。人们在总结信息资源 的开发、管理和服务的各种手段时，认为最有效的是数据库技术。 数据库( d a t a b a s e ，简称d b ) 是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大 量数据集合。数据库起源于2 0 世纪5 0 年代，经历了从人工管理、文件系统、数 据库系统三个发展阶段8 1 。数据库领域最常用的结构数据模型有四种层次数据模 型、网状数据模型、关系数据模型和面向对象数据模型，其中基于关系模型的数 据库管理系统是目前最流行的。在水质监测系统中，采用的也是基于关系模型的 数据库。 关系模型的优点主要表现在以下几个： 第1 0 页 上海大学机自学院研究生学位论文 ( 1 ) 关系模型的基本理论分别为“关系运算理论和“关系模式设计理论 ， 它们均建立在严格数学理论的基础之上，从而使得基于关系模型数据库技术的发 展与深化具有广阔的天地与坚实的支撑。 ( 2 ) 关系模型的概念清晰单一，实体，实体间的联系以及数据查询的最终结 果都用关系表示，数据结构简洁明晰，用户易懂易学。 ( 3 ) 存取路径面向用户，公开透明，提高了数据的独立性，有利于数据的安 全保密性，简化了程序员的工作和数据库开发建立工作。 ( 4 ) 数据操作是集合操作，操作对象是由若干元组组成的关系，而不像非关 系模型中那样，仅对单个记录进行操作。 关系模型的数据库也有缺点，由于存取路径对用户透明，而使得查询效率往 往不如非关系模型。为了提高效率，就必须对用户的查询要求进行优化或者对一 些操作结果进行缓存，因此增加了开发数据库的难度。 2 4 系统硬件框架 水质监测系统的硬件部分，主要由数据采集、数据传输、数据存储三个部分 组成。 数据采集设备通过物理法和化学法采集到水质原始数据，并对其进行初步处 理，存储到下位机的文件系统中，等待服务器的通信请求；在接到通信请求之后， 数据采集系统将处理好的数据通过g p r s 无线网络传送给中心站服务器；服务器 获得经过初步处理的数据之后，根据数据字典，将信息写入相应表，以供数据监 测系统进行进一步处理。图2 1 给出了水质信息的数据流图。 通引p 觑取 刊隧腻 一 服务器端s 倒嚣 响 1 型 咽i _ j 咽渊晰辩 图2 1 给出了水质信息的数据流图 由于河流在分布上具有远离市区，位置偏远特点，决定了数据采集与数据处 理在分布必然是广泛的，基于这种情况，在数据传输技术中选取g p r s 无线传输 第l l 页 r 海大学机自学院研兜生学位论文 的方式。图2 2 给出了系统的物理分布简图 。一汹l 女l *l 国 * _ 声， j 盛西? ；| ， 篙鬻碍_ 吐 m m 月e $ 自t t 2 4 1 数据采集设备 撩、j ； 、 f 吁掣厨掣1 、 、7 图2 2 水质监测系统的物理分布图 考虑到固定监测站的全自动水质数据采集设备主要监测氨氮、高锰酸盐指 数、总磷、溶解氧、水温、p h 、电导率、浊度等水质项目。主要根据八类水质项 目所使用的数据采集方法，选取采集设备。 首先，对于常规的水质项目监测：溶解氧、电导率、浊度，这些指标使用电 极法。这些项目的监测选用美国y s i 公司多参数水质监测仪。 其次，其他监测项目，如氨氮，总磷，总氨，c o d 等测量方法也相对较为固 定。c o d 、氨氦、总磷分析采用比色法，选用德国w t w 与德国布朗卢比公司的相 关产品。 现场数据系统由控制设备、检测设备、人机交互设备三部分组成。其中控制 设备是整套系统的核心，它负责对反应和检测设备的控制、与人机交互设备进行 交互操作以及和计算机进行通信。图2 3 现场数据采集系统硬件结构图是简化的 硬件设计图。仪器，由三部分组成，电器部分，化学分析部分，采样部分。 第1 2 页 上海大学机自学院研究生学位论文 图2 3 现场数据采集系统硬件结构图 注：d i ，d 0 为数字输入输出；a i ，a o 为模拟输入输出。 电器部分安装和放置电源、p l c 、接线端子、分光光度计和稳压电源，化学 分析部分安装和放置搅拌池、多通进样阀、注射器和反应池，水样采集部分由离 线检测样品、各种化学试剂、电极法采集模块和废液回收瓶组成。仪器配有触摸 屏，以实现对监测仪的操控。前端控制设备采用可编程控制器( p l c ) 。p l c 的优 点9 1 在于其灵活性和多功能性。灵活性指的是，p l c 结构配置灵活，可根据控制 任务，配置大小、功能不同的系统。多功能性一方面在于它具有友善的开发坏境 和丰富的指令集；另一方面在于它丰富的通信功能，使用户很容易地解决通信方 面的问题。 2 4 2 数据传输 考虑到所开发水质监测系统的应用环境、数据特点和生命周期，选用g p r s 通信方式来实现数据的传输，能够满足用户迅速安装、开通数据通信电路，并可 为用户设计语音检修通道、采集数据短消息发送通道等需求。由于是由公众移动 通信网提供数据传输服务，因此不必设置维护人员。 数据传输由使用工业级的g p r s 或c d m a1 x 芯片的移动数据m o d e m 组成。它 可以将采集到的数据通过已经广泛覆盖的公众移动通信网络回传至监测数据处 理平台即监测系统中心站。如传输可靠性非常重要时，可以采用g p r s + c d m a l x ， 或c d m a l x + 拨号，或g p r s + 拨号的通信路由备份方案。一般情况下，专用通信传 第1 3 页 上海大学机自学院研究生学位论文 输系统由于采购成本和维护成本的问题，不到一定的应用数量建议不予考虑。 通讯速率( m a x )g p r s 下行：8 7 5 k b p s ；上行：1 5 4 k b p s c d m a l x 上下行：1 5 3 6 k b p s 通信接口 r s 2 3 2 ，1 5 k v 抗静电保护 传输模式 透明数据传输，可实现点对点、点对多点、实时数据传输； 可实现掉线自动接续功能 通信模块设计工业级设计，适合长期连续工作，抗干扰能力强 外形尺寸为9 7 ，i c 5 4 衄；全铝合金外壳，安装方便，抗电磁干扰 工作频段g s m9 0 0 1 8 0 0 m h z ，c d m a l x 8 0 0 姗z 数据通信费按流量计费 表2 1g p r s c d m a l x 数据传输系统主要性能及技术指标 2 4 3 数据存储 在水质监测系统中，采用由微软公司开发的基于关系模型的m ss q l s e r v e r 2 0 0 0 企业版存储数据n ，包括企业管理器、服务管理器、查询分析器、 分布式事务处理协调器、性能监视器、导入和导出数据、s q ls e r v e r 分析器、 服务器网络实用工具、客户端网络实用工具、联机帮助文档等实用的数据管理工 具。m ss q ls e r v e r 2 0 0 0 具有很好的伸缩性，可在w i n d o w s2 0 0 0 等多种平台使 用；能够很好的支持w e b 技术，使用户能够很容易地将数据库中的数据发布到 w e b 页面上；支持多种格式的数据备份和还原。 s q ls e r v e r 具有以下的特点： ( 1 ) 真正的客户机服务器体系结构。 ( 2 ) 图形化用户界面，使系统管理和数据库管理更加直观、简单。 ( 3 ) 丰富的编程接口工具，为用户进行程序设计提供了更大的选择余地。 ( 4 ) s q ls e r v e r 与w i n d o w sn t 完全集成，利用了n t 的许多功能，如发送 和接受消息，管理登录安全性等。s q ls e r v e r 也可以很好地与m i c r o s o f t b a c k o f f i c e 产品集成。 第1 4 页 上海大学机自学院研究生学位论文 第三章水质监测系统软件构架 本章分析了基于b s 模式的w e b 系统的构建方法，并介绍了研究中的所使用 的核心技术，建立了基于关系数据库的数据存储结构，最后阐述了水质监测系统 的软件框架和具体功能。 3 1 基于b s 的系统框架 3 1 1c s 与b s 模式概念与比较 c s 是c l i e n t s e r v e r 的缩写。服务器通常采用高性能的p c 、工作站或小型 机，并采用大型数据库系统，如o r a c l e 、s y b a s e 、i n f o r m i x 或s q ls e r v e r 。客 户端需要安装专用的客户端软件。 b s 是b r o w e r s e r v e r 的缩写，客户机上只要安装一个浏览器( b r o w s e r ) ， 如n e t s c a p en a v i g a t o r 或i n t e r n e te x p l o r e r ，服务器安装o r a c l e 、s y b a s e 、 i n f o r m i x 或s q ls e r v e r 等数据库。用户界面完全通过1 唧w 浏览器实现，主要事 务逻辑在服务器端实现。浏览器通过w e bs e r v e r 同数据库进行数据交互。 c s 模式b s 模式 硬件环境一般建立在专用的网络上，小范围里不必是专门的网络硬件环境，一般只 的网络环境。 要有操作系统和浏览器就行。 安全要求 一般面向相对固定的用户群，对信息对安全的控制能力相对弱，可能面向 安全的控制能力很强。不可知的用户。 程序架构注重流程，可以对权限多层次校验，对安全以及访问速度的多重的考虑， 对系统运行速度可以较少考虑建立在需要更加优化的基础之上。 软件重用更多考虑整体性构件功能独立，能够相对较好的重用。 系统维护问题处理需从全局考虑，升级难。系统维护开销减到最小。 处理问题处理用户固定，安全要求高需求。面向不同的用户群。 用户接口表现方法有限，要求较高。表现方式丰富生动。难度减低，成本低。 信息流交互性相对低。信息流向可变化。 表3 1b s 模式与c s 模式的区别 表3 1 给出了b s 模式和c s 模式的区别。结合水质监测系统的需求，选用 第1 5 页 上海大学机自学院研究生学位论文 b s 模式的架构进行系统开发。 3 1 2b s 模式下水质监测系统的构架 2 0 世纪9 0 年代以来，蓬勃发展的w e b 技术为解决传统c s 结构的技术“瓶 颈 提供了切实有效的方案n 。b s 模式是基于i n t e r n e t 的w e b 模型，它以w e b 为中心应用t c p i p ，h t t p 传输协议，客户端通过b r o w s e 访问w e b 服务器以及数 据库服务器。随着i n t e r n e t 的出现和广泛使用，w e b 得以实现广泛的网络共享。 这为解决水质监测系统运行中存在的一些问题提供了新的可能。基于w e b 的方式 其实是一种特殊的客户端服务器方式，客户端是各种各样的浏览器。b s 模式 采用三层体系结构，主要包括数据库系统、应用服务器、客户浏览器三个部分， 如图3 1 所示。 区冲叫磊邗丽 o o o o o o 一- - _ _ _ 、- _ _ _ 一 图3 1b s 模式示意图 第一层浏览器( 客户机) 为用户与整个系统的接口。客户端的应用程序简化到 通用的浏览器，由它来解释h t m l ，显示网页内容。这里网页具有一定的功能， 支持用户在网页提供的表单上输入信息提交给后台，并提出处理请求。这里的后 台即第二层w e b 服务器将启动相应的进程来响应浏览器的请求，并动态生成嵌入 处理结果的h t m l 代码返回给客户机浏览器。如果客户机的请求还包括数据存取， 那么w e b 服务器还需与数据库服务器协同完成这一处理任务。第三层数据库服务 器的任务类似于c s 模型的第二层，负责协调不同w e b 服务发出的s q l 请求，管 理数据库。 在b s 体系结构系统中，用户通过浏览器向分布在网络上的许多服务器发出 请求，服务器对浏览器的请求进行处理，将用户所需信息返回到浏览器。极少部 分逻辑在前端( b r o w s e r ) 实现，但是主要事务逻辑在服务器端( s e r v e