水质监测系统的软件设计

水质监测系统的控制软件设计 摘要 水是生命的源泉、农业的命脉、工业的血液。哪里有水，哪里就有生命，一切生命活动都是起源于水。但随着全球工业生产的发展和社会经济的繁荣，大量的工业废水和城市生活废水排入水体，水体污染日益严重。多年来，我国水资源质量不断下降，水环境持续恶化，由于污染所导致的缺水和事故不断发生，不仅使工厂停产、农业减产甚至绝收，而且造成了不良的社会影响和较大的经济损失，严重地威胁了社会的可持续发展，威胁了人类的生存。 由于水体污染严重并且已经对人类的生活生成了威胁，所以不得不采取各种各样的方法来进行水体监测。目前的检测设备主要依赖于实验室的大型设备，这些设备体积庞大，检测时间长，分析时会消耗大量的化学试剂，价格昂贵。当然随着技术的发展，慢慢开始出现一些小型的检测设备，主要是依据光学以及流量检测的方法来检测，最典型的就是传感器探头以及GPRS探头检测。 利用网络技术、环境监测技术、自动控制技术和计算机技术，设计开发先进的“水质监测控制系统”是现代环境信息管理的需要，本文以中国现状的水质情况以依托，进行水质监测控制系统的软件系统设计。 本文介绍的水质监测的控制系统软件是基于光学智能分析水后，从测量的光谱信号中提取有关污染物含量的所有信息，再经过A/D转换成数字信号，经过单片机转换成有用的数据存储成数据。然后用该软件时行数据接收、显示、统计、自动综合分析、存储、应用、发布等，并实现远程的监控。 关键词：水质监测系统、水质检测、软件设计、控制软件系统设计 Control software design of water quality monitoring system ABSTRACT Water is the source of life, the lifeblood of agriculture, industry blood. Where there is water, there is life, all life activities are originated in the water. But with the development of global industrial production and socio-economic prosperity, a large number of industrial wastewater and urban domestic wastewater discharged into water bodies, water pollution is getting worse. Over the years, the declining quality of water resources, water environment continued to deteriorate, due to pollution and accidents caused by water shortages continue to occur, not only factories closed and agricultural production or crops, and resulted in adverse social impacts and the larger economy loss, a serious threat to the sustainable development of society and threaten the survival of humanity. Since water pollution is serious and has already generated a threat to human life, we had to take a variety of methods for water monitoring. The current testing equipment mainly depends on large-scale laboratory equipment, these devices trap volume, testing time is long, and the analysis will consume a large amount of chemical reagents and expensive. Of course, as technology evolves, some minor testing equipment slowly began to appear, it based on the optical and flow detection methods, the most typical sensor probe and probe detection is the GPRS. As network technology, environmental monitoring technology, automatic control technology and computer technology put into use, design and development of advanced "Water Quality Monitoring System" is a modern environmental information management needs, this paper is supported to the status of water quality in China, and design the control software of  water quality monitoring system. This article describes the water quality monitoring of the control system software is based on intelligent analysis of the optical water, then spectral signal from the measurement to extract all the information about contaminants , and then through the A / D converted into digital signals, after conversion into useful single data storage into the data chip. And then use the software to line of data reception, display, statistics, auto comprehensive analysis, storage, application, release, etc., and remote monitoring. KEYWORDS : Water Quality Monitoring System、Water quality testing、Software Design、Control software system design 目  录 摘要 ABSTRACT 第1章  绪  论    1 1.1水质监测的意义    1 1.1.1中国水环境的现状    1 1.1.2水体污染来源    1 1.1.3水质监测的意义    2 1.2水质滥测的现状    3 1.3水环境监测的发展趋势    4 1.4论文研究的内容和目标    5 1.4.1论文研究内容    5 1.4.2论文研究目标    5 第二章水质监测系统的控制软件结构设计    7 2.1水质监测系统的控制软件设计规划    7 2.1.1系统化的设计思想    7 2.1.2软件的结构化体系    9 2.2水质监测系统的控制软件功能分析    9 2.2.1现场自动监测系统的控制功能    10 2.2.2远程管理中心监测控制系统功能    14 第三章水质监测系统的控制软件设计    15 3.1软件开发的基本原则    15 3.2程序设计方法    16 3.3软件的需求分析    17 3.3.1运行环境需求    17 3.3.2可靠性需求    18 3.3.4数据管理能力需求    18 3.3.5编程语言的选择    18 3.4.1前台人机交互程序的总体设计    21 3.4.2后台运行程序总体设计    22 3.5水质监测系统的控制软件功能模块设计    23 3.5.1初始化模块    24 3.5.2数据处理模块    24 3.5.2系统运行状态监测模块    26 3.5.3远程控制响应模块    27 3.5.4FTP上传模块    28 第四章水质监测系统的控制软件实现与测试    30 4.1水质监测系统的控制软件现场站实现    30 4.1.1系统主界面    30 4.1.2查询界面    31 4.1.3参数设置界面    32 4.1.4、报表界面    32 4.2水质监测控制系统的远程中心软件实现    33 4.2.1样品信息管理界面    34 4.2.2检测结果图表分析界面    35 4.2.3数据库的恢复与备份界面    36 4.3水质监测系统的控制软件测试    36 4.3.1软件测试的基本方法    36 4.3.2水质监测控制软件的    37 4.3.3水质监测软件的综合测试    38 第5章  结 论    40 参考文献    41 第1章 绪  论 1.1水质监测的意义 1.1.1中国水环境的现状 随着全球工业生产的发展和社会经济的繁荣，大量的工业废水和城市生活废水排入水体，水体污染日益严重。多年来，我国水资源质量不断下降，水环境持续恶化，由于污染所导致的缺水和事故不断发生，不仅使工厂停产、农业减产甚至绝收，而且造成了不良的社会影响和较大的经济损失，严重地威胁了社会的可持续发展，威胁了人类的生存 。综合考虑我国地表水资源质量现状，符合《地面水环境质量》的Ⅰ、Ⅱ类标准只占32.2%（河段统计），符合Ⅲ类标准的占28.9%，属于Ⅳ、Ⅴ类标准的占38.9%，如果将Ⅲ类标准也作为污染统计，则我国河流长度有67.8%被污染，约占监测河流长度的2/3，可见我国地表水资源污染非常严重 。 我国地表水资源污染严重，地下水资源污染也不容乐观。　 我国北方五省区和海河流域地下水资源，无论是农村（包括牧区）还是城市，浅层水或深层水均遭到不同程度的污染，局部地区（主要是城市周围、排污河两侧及污水灌区）和部分城市的地下水污染比较严重，污染呈上升趋势。 1.1.2水体污染来源 水污染主要由人类活动产生的污染物而造成的，它包括工业污染源，农业污染源和生活污染源三大部分。 工业废水为水域的重要污染源，具有量大、面广、成分复杂、毒性大、不易净化、难处理等特点。据1998年中国水资源公报资料显示：这一年，全国废水排放总量共539亿吨（不包括直电流冷却水），其中，工业废水排放量409亿吨，占69%。实际上，排污水量远远超过这个数，因为许多乡镇企业工业污水排放量难以统计。 农业污染源包括牲畜粪便、农药、化肥等。农药污水中，一是有机质、植物营养物及病原微生物含量高，二是农药、化肥含量高。我国目前没开展农业面上的监测，据有关资料显示，在1亿公顷耕地和220万公顷草原上，每年使用农药110.49万吨。我国是世界上水土流失最严惩的国家之一，每年表土流失量约50亿吨，致使大量农药、化肥随表土流入江、河、湖、库，随之流失的氮、磷、钾营养元素，使2/3的湖泊受到不同程度富营养化污染的危害，造成藻类以及其他生物异常繁殖，引起水体透明度和溶解氧的变化，从而致使水质恶化。 生活污染源主要是城市生活中使用的各种洗涤剂和污水、垃圾、粪便等，多为无毒的无机盐类，生活污水中含氮、磷、硫多，致病细菌多。据调查，1998年我国生活污水排放量184亿吨。 我国每年约有1/3的工业废水和90%以上的生活污水未经处理就排入水域，全国有监测的1200多条河流中，目前850多条受到污染，90%以上的城市水域也遭到污染，致使许多河段鱼虾绝迹，符合国家一级和二级水质标准的河流仅占32.2%。污染正由浅层向深层发展，地下水和近海域海水也正在受到污染，我们能够饮用和使用的水正在不知不觉地减少 。 1.1.3水质监测的意义 随着流域人口的增加，社会经济的发展和城市化进程的加快，在诸多自然和人为因素影响下，水文条件、资源与生态环境特征发生不断变化，流域水资源与水环境安全受到威胁，面临着水质性缺水、工程型缺水和区域资源性缺水三大问题。我国水资源一直处于紧缺状态，而水环境质量却逐年恶化，水生态环境脆弱，富营养化日趋严重，水安全受到严重威胁。与此同时我们国家进入了加快工业化、城市化、信息化、市场化和国际化的小康型社会，提前基本实现了现代化。随着经济体制改革的深入，新一轮经济发展扩张也必将随之到来，由此带来能源、资源消耗的增加和污染物排放增加，对资源环境提出了更高的要求。今后，经济发展对环境资源产生的压力和环境问题对经济发展的制约将是我们建设小康社会、促进社会全面发展的主要困难和突出矛盾之一。如何保持经济与环境、资源之间的相互协调发展，实现区域经济的可持续发展，已成为社会各界普遍关注的问题。要获得经济发展与环境保护的双赢就必须正视与解决这些问题。因此加强水资源管理，保护水环境，实现水质在线自动监测己经成为是关系国计民生的大事。我国的环境保护政策是预防先于治理，水质监测是保护水环境、治理水污染所需要迈出的第一步，是有效治理和控制水污染的技术支持和保障 。 水质监测的内容和目的主要包括: （1）对进入江、河、湖、库等地表水体的污染物进行经常性的监测，以掌握水质现状和发展趋势。 （2）对生产、生活设施及其它排放源排放的各类废水进行监视性监测，为污染源管理和排污收费提供依据。 （3）对水环境污染事故进行应急监测，为分析判断事故起因、危害及采取对策提供依据。利用水质在线连续自动监测系统，能够及时准确地了解突发性环境污染事故的情况，快速得出污染物的种类、浓度、污染范围和可能的危害，为有关部门的决策提供准确可靠的科学依据。 （4）为水环境污染事件的进行预报预判工作，以便对可能产生的环境污染状况提早的进行处理。 （5）为国家政府部门制订各类法规和规划、全面开展保护管理工作提供依据。 （6）为开展水环境质量评价、预测及进行环境科学研究提供基础资料。 为了改变中国水环境的严峻现状，保护地表水环境，建立一个完善的地表水水质自动监测系统成为了一项刻不容缓急需完成的工作。 1.2水质滥测的现状 为了保护我们日益严峻的生存环境，国家正不断加大环境保护的力度，并把环保产业作为优先发展的基础产业之一。我国新时期的治水方针是把水资源可持续利用提升为我国社会发展的战略问题，强调水资源短缺己成为我国经济社会发展的严重制约因素，提出要强化水资源的规划与统一管理，加强水资源的合理开发、科学配置、全面节约、高效利用、有效保护、综合治理，促进人口、资源、环境和经济的协调发展。 多年以来，我国的环境监理工作一直采用人工采集、利用化学试剂的方法、分析数据、手工汇总制表等工作手段，由于采样时间间隔长，数据分析汇总慢，传递不及时，难以对当地的水质正确及时地进行整体掌握，因此水质在线分析、监控技术应运而生。与经典的化学分析、实验室食品分析相比，在线分析具有速度快，操作简单，自动化程度高，节省试剂与人力，并且可以进行连续实时监测等优点，使得工作人员可以及时得到当地水质变化情况。 近年来，各种水质的在线分析已引起政府部门和企业的极大兴趣，因此出现了许多水质在线分析仪器及有关技术。 目前水质在线分析仪主要有如下特点: （1）能完全自动地完成分析测定任务。只要有水样连续输入，仪器就能自动连续地输出测量信号。 （2）在线分析仪器的精度可能低一些，但是长期稳定性能要好。在线分析仪器不必像实验室仪器那样频繁地去校准零点与量程，否则就失去了在线分析的意义。 （3）在线分析仪器的使用通常必须配有自动取样和样品预处理系统。 随着在线分析仪器技术的发展，地表水水质在线监测已经成为环境管理、保护的一个必然趋势。国家环保总局于2001年开始在全国重点流域干支流及重点湖泊建设30个地表水水质自动监测站，每个站投资约200万元，可对地表水中主要污染物进行24小时自动监测，并可通过电话和卫星线路实时传输监测数据。 虽然国家已经加大地表水水质自动监测站的投入，但是总体上，国家级监测站数目较少，无法满足各地环境监测的要求。近年来，各地环保部门从业务发展需要出发，自行建设了一些环境监测系统 。 由于各省各地区的独立开发建设，在全国范围内没有形成统一的环保软件开发和标准，开发平台及数据库的选择也多种多样，且对环保信息的采集能力不强，信息封闭，数据库规模小，无法实现资源共享，导致信息资源十分有限，不能满足环保部门的决策需求，因而与整个环保部门的管理要求相比还有较大的差距。 1.3水环境监测的发展趋势 环境监测的主要作用是监测环境现状，评价环境质量，为管理和决策提供科学依据。随着环境保护工作力度的不断加强和自动监测站的增多，如何有效充分地利用现代计算机技术、网络技术和通信技术，高效率处理监测数据，提高信息传递、统计、报告的效率和监测数据的综合利用率，是新一代环境自动监测系统追求的目标和要实现的功能。建立集现代化管理思想与先进的计算机数据库技术为一体的完整的信息管理系统，实现环境监测信息的全方位管理和信息资源的共享，提高工作效率，以满足当今环境监测信号化、网络化建设及环境管理的要求。这也是环境监测系统的发展趋势 。 1.4论文研究的内容和目标 1.4.1论文研究内容 论文研究的主要内容是水质自动监控系统智能化集成的控制软件(即现场监测站集成控制软件设计)和现场自动监控系统与远程管理中心自动控系统的软件设计，以及对水质指标变化趋势进行预测研究。 本文研究设计的水质自动监控系统是根据我国水环境自动监测的实际情况，依托先进的网络技术，借鉴国内外其他行业在资源共享建设方面的先进经验，结合环境监测技术、仪器测量技术、传感器技术、自动控制技术和计算机网络技术，按照中国环境监测中心站制定的环境自动监测系统技术规范和监测数据传输规约来规定。 1.4.2论文研究目标 论文研究的目标是根据现有水质监测系统硬件基础的实现，构建的水质监测控制软件，实行对现场的监测系统进行自动化监测、控制和管理，从而能够对监测数据进行收集，统计分析，获得具有价值的统计和预测数据，及时、直接地为环境管理与决策提供技术支持，进而实现水质监测的科学化、标准化、规范化和网络化。为了实现设计目标，要求运用系统化、智能化标准化于一体的设计思想和方法进行水质自动监测和控制。 （1）智能化 水质自动监控系统能够在无人看守的环境下长期可靠运行，这就要求一套智能化的水质监控软件对其进行控制管理，自动实现仪器的数据采集、控制、数据处理、报警、现场断电保护、远程通讯、自动生成报表等多项功能。 （2）标准化 软件设计驱动，接口等均按照现有的标准，与远程的通信均采用国标标准通信，能过网络与远程计算机联网，通过TCP/IP标准协议实现双向数据传输；对于数据的具体，字段的定义等，均按照有关部门的标准定义。 第2章 水质监测系统的控制软件结构设计 2.1水质监测系统的控制软件设计规划 2.1.1系统化的设计思想 水质监测控制系统是环境监测系统的重要有机部分。环境自动监测信息系统是应用于环境监测与信息管理的一个课题，监测控制软件更是作为整个监控的系统的一个不可缺少的一部分，软件的整体设计好坏直接关系到监控的自动化实施和管理好坏。