海上多参数水质浮标控制系统方案设计

    本项目拟在东极岛附近布放3个海洋水质浮标,采用YSI多参数水质仪器对不同深度海水进行水质在线监测,主要监测溶解氧、盐度、浊度、叶绿素、水温等参数信息。
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产品介绍

一、           项目概况需求

 

本项目拟在东极岛附近布放3个海洋水质浮标,采用YSI多参数水质仪器对不同深度海水进行水质在线监测,主要监测溶解氧、盐度、浊度、叶绿素、水温等参数信息。标体上已经集成了太阳能电池板和充电电池组。项目要求分别对海水深度5米、10米、15米、20米、25米共5层不同深度的海水进行水质在线监测,采用泵吸取水,单水泵结合电磁阀开关控制,实现在不移动YSI仪器的情况下可对不同深度水样进行实时在线监测的目的。

项目中除对水泵和电磁阀进行配合控制的同时,还需完成控制YSI设备,实现YSI的数据测量和清理刷控制,实现自动定时自动启动测量、数据存储、以及数据发送至数据中心的功能,实现对浮标电池电量、网络信号强度等其他信息的监测。同时应具备支持最少两种数据通道,并可实现数据补发,远程修改设置功能。

本项目包含项目中心数据接收软件的建设和开发,数据中心软件应具有较直观的可展示性,可查看每个浮标的各个参数的实时数据、历史数据、数据表格及曲线图表。采用WEB方式和单机方式两种版本,WEB方式支持用户权限管理,不同的用户权限查看不同浮标数据。单机版本具有远程发送命令、远程更改配置的功能。Web版应数据中心软件应完全部署在服务器并调试运行正常。数据中心软件应具有通用性,可扩展性,方便今后增加或删减浮标数量而无需再额外开发软件。

 

二、           浮标取水方案设计

 

如图一所示,考虑到海水的腐蚀性和泵吸取水的特点,取水装置将电磁阀和水泵全部放置在浮标体内,而非放置在海水中。这样可延长电磁阀和水泵的使用寿命,增加系统的可靠性。取水管根据采集水样的不同深度,采用内径为19mm(6分管)不同程度的PE管。进水口底端可按照杂物过滤装置网,放置杂物被吸入取水管造成水泵损坏。在海水水面以下约1米处,每根取水管按照单向阀一个,水流方向为自下向上。在海水水面以上,浮标标体内,5根取水管分别按照耐腐蚀电磁阀一个,电磁阀电源控制线与控制电路相连。在电磁阀上端,5根取水管通过接口与一主水管连通,主水管上安装抽水水泵。抽水水泵电源线与浮标体内控制电路相接。水泵上方接大约0.5米长水管,水管与储水箱底部相连接。水箱内比水泵进水口低的位置,开口接排水管,排水管上安装电池阀一个。YSI仪器固定在水箱特定高度,在比YSI测量传感器高出一定高度的位置,在水箱壁上开孔,接溢流管一根,溢流管和排水管两者合流,最终将水排至大海。

  

(图一)

 

具体取水测量工作流程如下:

 

1、在初次安装时,向水箱内注入一定体积海水,让海水充满单向阀以上的管道和水泵空间。以防止初次安装时因管道内无水,水泵空转,无法正常抽取海水。

2、当定时器到时,控制电路发出工作指令,这时对应水层取水管上的电磁阀打开,其他电池阀关闭,由于电磁阀下方有单向阀,电磁阀以上至水泵及水泵至水箱管道内的水无法流向下方。

3、水泵打开,开始工作,由于大气压作用,水泵距离海面位置很近,水泵上方又有水柱密封,所以水泵很快将对应管道内的海水泵入水箱。

4、排水阀上电磁阀打开,水泵刚开始工作抽出的水顺排水管排出。设定一定时间,当水泵工作一段时间,比如5秒(这个时间需要测试确定),排水阀上电池阀关闭。

5、由于排水管上电磁阀关闭,水箱内水位上升,当达到溢流管位置,多余海水会顺着溢流管流出,水泵继续工作,海水不会溢出水箱。

6、启动YSI设备,进行海水参数采集。

7、YSI设备采集数据完毕后,控制电路控制排水管上电磁阀打开,将水箱内水体排净。由于箱体结构,水泵上方水管内的水无法排出,继续留在管内。

8、水箱内水体排净后,对应进水管电磁阀关闭。

9、开启第二层取水管上电池阀,其他水管上行电池阀关闭。进行第二层海水取样测量。

10、       依次重复2-9步骤,完成不同深度水层的取样测量工作。

11、       控制YSI刷子清理洗刷仪器探头。

 

其中,第4步主要是防止不同水层的水与管内滞留的水体混合,造成测量数据不准确,所以,在水泵开始抽水的前期,并不关闭排水管阀门。由于所选水泵体积、功率都相对较小,产生负压能力效果差,水泵距离海水面高度一般设置为2米以内,并且应保证管道接口密封良好。

 

三、           控制电路方案设计

 

控制电路的主要功能:

1、控制YSI仪器设备的启动和关闭,向仪器发送采集数据指令,并解析仪器发送回的采集数据。

2、控制YSI 清理刷工作。

3、控制6个电磁阀的开启和关闭。

4、控制水泵的开启和关闭。

5、内置时钟,可具有定时唤醒,完成工作后休眠的功能。

6、具有数据存储、发送、接收远程控制命令功能。

7、具有断线自动重新连接,数据发送失败自动备份和重发功能。

8、可监控电池电压、无线信号质量的功能。

 

控制电路采用北京海洲赛维科技有限公司自主研发E810主板,采用超低功耗MSP430芯片系列,支持GPRS网络固定IP地址固定端口和电子邮件双通道数据发送模式,可实时接受控制中心控制指令,可定时启动任务,可自动休眠,超低功耗设计,该主板非常适合本项目浮标使用。

E810采用自主定义数据通信协议,具有较好的可扩展性。同时针对浮标使用环境,整个电路板采用水密密封外壳封装,外壳材质采用POM材料,接口或者仪器孔盖采用密封O型橡胶圈,IPX68等级防水。

考虑到本项目中浮标标体本身所自带的电源电压,YSI仪器电源电压、水泵电源电压、电池阀电源电压、控制主板电压等各个电压之间可能存在差异,E810主板还应在原来的基础上提供不同电源电压支持和转换的电源管理功能,以做到有效的电源管理。

主板外壳的外部连接器接口,采用防水不锈钢插头或者进口SUBCON插头,防止插头腐蚀或者损坏造成海水入浸而损坏电路板。

控制电路与电磁阀及水泵等各个部件之间的连接线缆,采用聚乙醚或者聚氨酯防水耐磨抗拉线缆,以确保连接的稳定和可靠。

 

通信链路:

通信链路默认采用Wifi(看现场Wifi网络信号情况)或者GPRS网络通讯。采用TCP/IP方式,向固定IP地址的服务器端口发送数据。同时可发送电子邮件到指定的邮箱进行数据备份。如现场无网络信号,也没有手机GPRS信号,可考虑采用铱星通讯或者北斗通讯的方式。

   

四、           数据中心软件方案设计

 

数据中心采用服务器单机版和WEB两种运行模式相结合设计,采用C# .net 语言开发,可安装部署在windows server 2008 或者Windows Server 2012操作系统上,数据库采用MySQL或者SQL-SEVER2008R2数据库。

数据中心软件有数据接收解析软件、WEB网站数据登录显示管理两大部分组成。数据接收软件主要负责从不同通道接收浮标发送回的原始测量数据,进行通信协议解析,将解析后的数据自动添加到对应的数据库中。同时,数据接收软件还负责通信客户端的管理以及与各个浮标之间进行交互操作。比如,查看当前正在连接的浮标、向指定的浮标发送指定配置命令、更改浮标采集或者发送间隔等。

单机版软件(预览界面):

最左侧为系统菜单,系统菜单里具有数据查看、数据接收、系统设置、数据处理菜单。

数据查看菜单里,左边显示一个树形结构,浮标名称为每个树形目录的根目录,每个浮标监测的参数显示在每个根目录下。可点击浮标名称,在左边数据表格和曲线表格中查看所有监测数据,也可以进入浮标名称根目录,点击每个参数查看单个参数的数值和历史记录。

显示多个参数时,曲线图标采用统一横(X)轴,多个竖(Y)轴的方式。不同参数Y轴采用不同颜色显示。同时显示出该时间段内该参数的最大值和最小值。曲线可拖动,放大,缩小。鼠标在曲线图像上移动时,出现小窗口显示该数据点的数据值。

数据接收菜单里,打开可设置接收数据的固定端口号,可选择停止接收和启动接收,具有日志记录功能。如需要从邮箱里接收邮件,可单独列出邮件接收菜单,可从不同的邮箱接收数据。

系统设置菜单里,主要设置软件各项启动参数,比如数据库类型,登录名称,密码。可为不同参数设置不同的显示名称,也可以为不同的浮标设置不同的显示名称。系统设置还可以设置软件是否自动启动、软件最小化到任务栏、默认显示数据条数等功能。

数据处理功能菜单,主要是某浮标各个参数的历史数据的导入、导出。

 

WEB版网站界面(设计预览):

输入网址后,可出现数据中心登录界面,凭借用户名和对应的密码,进行登录查看浮标数据。用户份一般用户和管理员,管理员具有最高权限,可设置每个用户可查看浮标数据的权限,创建和编辑普通用户,重置普通用户的密码、设置每个浮标点各个参数的显示名称等功能。

 

登录界面

管理员设置参数界面

 

用户显示界面

 

用户显示界面,左边为树形目录显示结构,每个浮标点为根目录,与单机版显示类似。Web版右侧增加了地图显示功能,可显示每个浮标点所在位置。地图可采用google地图或者百度、高德地图等。地图下方为各个参数显示曲线,可按时间段查询显示。地图和图表显示区域大小,可通过调整中部边框分界线来调整大小。

点击最上方监测数据,地图显示部件消失,变为数据表格,数据表格按照监测时间排序,显示该浮标点监测的各个参数。

WEB版数据中心可在各个有网络的地方用浏览器登录,除具有查看功能外,也具有数据导出功能。

两种版本软件均可安装部署在windows操作系统的服务器上,或者云服务器上。


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