一种环境管理数据传输、预警和存储查询的系统及其方法

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一种环境管理数据传输、预警和存储查询的系统及其方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种利用计算机通信技术实现了传感器、现场主机和监控室客户端的结合，从而实现了环境管理领域里的预警、环境指标数据的存储查询功能，具体地说，是一种环境管理数据传输、预警和存储查询的系统及其方法。\n背景技术\n[0002] 在环境管理与监测领域，相对于传统的实验室物理、化学、生物的实验方法检测各水质指标，利用传感器监测各水质指标，具有便携、快速、高效、实时等特点，满足了污染应急过程中，对于即时性获得数据的需要。\n[0003] 对于已有检测水质指标的传感器，也同时需要提带去现场操作、部署等人工活动，存在信息化、自动化程度不够等缺点。\n[0004] 本发明背景技术基于七个不同的传感器，如下：五参数传感器：检测PH、溶解氧、浊度、电导率、温度；生物毒性传感器：检测水样测试相对发光强度、质控品测试相对发光强度；紫外光电传感器：检测硝基苯、二氯氛；生物行为传感器：通过检测鱼类活动行为，提供安全、污染、严重污染三种数据状态；重金属传感器：检测镉、铅；分布式传感器一：检测硝基苯、二氯氛；分布式传感器二：检测硝基苯、二氯氛。但上述监测水质指标传感器，一方面，只是现场监测，无法远程实时获得数据，无法及时报警给监控室值班操作人员，需要大量人力去现场监测获得指标数据，对于突发性水污染事故无法及时、实时的获取水质指标数据，无法起到预警等作用。另一方面，单一的传感器，会产生误报警的情况，采取多种传感器相互佐证，可以消除误报警的情况。\n发明内容\n[0005] 1.本发明要解决的问题\n[0006] 针对上述缺陷，本发明提供一种环境管理数据传输、预警和存储查询的系统及其方法，基于已有的七个不同的传感器检测获取不同的水质指标数据，实现了七个传感器、现场主机及监控室客户端的结合，实现了传感器、现场主机和监控室客户端的结合，形成了连贯的监控、传输、预警系统，实现了实时监控完全自动化，无人值守在线监测的功能，对于环境突发污染事件，及时监控预警。\n[0007] 2.技术方案\n[0008] 本发明实现了传感器、现场主机与监控室客户端之间的结合，可分为两大块：实现了七个传感器与现场主机结合和实现了将现场主机监控室客户端结合。\n[0009] (1).七个传感器与现场主机结合\n[0010] 将监测数据的七个传感器通过连接线连接到USB-HUB（USB接口扩展器）上，USB-HUB再连接到现场主机的USB接口上，其中五参数传感器的连接线为RS485接口转USB接口，其它六个传感器为RS232接口转USB接口。\n[0011] 连接完毕七个传感器与现场主机，将串口通信接受模块部署到现场主机上，采用串口通信协议实现传感器与现场主机之间数据通信，传感器自带有串口通信发送模块作为串口通信的发射端，本发明现场主机与七个传感器的连接的串口通信的接收模块设计方法如下：\n[0012] a与五参数传感器连接的现场主机上的串口通信接受模块，串口通信接受模块的接收端采用Modbus通讯协议程序，其中波特率为9600bps，数据位为8，校验位为奇校验位，停止位为1，每隔5分钟发送一次请求，分别获得PH、溶解氧、浊度、电导率、温度的数据。\n[0013] b.与生物毒性传感器连接的现场主机上的串口通信接受模块，串口通信接受模块接收端采用RS-232串口通信协议程序，其中波特率为9600bps，数据位为8，校验位为无，停止位为1，每20分钟接收到一次数据，获得质控品测试或者水样测试的相对发光强度，单位是%。\n[0014] c.与紫外光电传感器连接的现场主机上的串口通信接受模块，串口通信接受模块接收端采用RS-232串口通信协议程序，其中波特率为9600bps，数据位为8，校验位为无，停止位为1，每10分钟接收到一次数据，获得硝基苯或二氯氛浓度，单位是mg/l。\n[0015] d.与重金属传感器连接的现场主机上的串口通信接受模块，串口通信接受模块接收端采用RS-232串口通信协议程序，其中波特率为9600bps，数据位为8，校验位为无，停止位为1，每2秒接收到一次数据，获得镉和铅浓度，单位是μg/l。\n[0016] e.与生物行为传感器连接的现场主机上的串口通信接受模块，串口通信接受模块接收端采用RS-232串口通信协议程序，波特率为38400bps，数据位为8，校验位为无，停止位为1，每30秒接收到一次数据，获得“安全”、“污染”、“严重污染”数据，单位是μg/l。\n[0017] f.与分布式传感器一和分布式传感器二连接的现场主机上的串口通信接受模块，串口通信接受模块接收端采用RS-232串口通信协议程序，其中波特率为9600bps，数据位为8，校验位为无，停止位为1，每5分钟接收到一次数据，获得硝基苯或二氯氛浓度，单位是mg/l。\n[0018] 传感器与现场主机结合的数据存储现场主机获取到七个传感器检测的水质指标数据后，将其整合保存到同一个数据库中。采用Access2003作为存储数据库，主要使用了Access数据库中的查询与增加记录的功能，数据表的设计如下：\n[0019] a.五参数传感器数据表设计:\n[0020] \n[0021] b.生物毒性传感器数据表设计:\n[0022] \n[0023] c.紫外光电传感器数据表设计:\n[0024] \n[0025] d.生物行为传感器数据表设计:\n[0026] \n字段 ID 检测结果 Time\n类型 int string string\n[0027] e.重金属传感器数据表设计:\n[0028] \n[0029] \n[0030] f.分布式传感器一和分布式传感器二数据表设计:\n[0031] \n[0032] (2).现场主机与监控室客户端结合\n[0033] 针对野外现场条件简陋，无法通过网线连网，现场主机与监控室客户端结合采用无线网络通信方式，本发明所需要的设备采用的是电信3G无线上网卡，安装在现场主机上，采用CDMA无线通信技术，遵守CDMA2000标准。所述的现场主机利用无线通信模块通过网络通信将数据中的数据发送至监控室客户端，现场主机与监控室客户端采用无线网络通信方式结合，通过现场主机的无线通信模块发送数据，通过安装到监控室客户端上的无线通信模块接收数据，现场主机和监控室客户端的无线通信模块基于socket编程，采用TCP协议，现场主机的无线通信模块每10秒钟从上述设计的ACCESS数据库中的七个数据表中提取最新的一条数据，利用JSON编码整合成JSON格式，向监控室客户端发送，监控室客户端的无线通信模块接收到JSON格式的字符串后，利用JSON解码方式将数据解析出来。现场主机与监控室客户端的无线通信模块采用的JSON格式示例为，其中data表示需要传输的每一项的具体数值：\n[0034] \n[0035] \n[0036] 现场主机与监控室客户端结合的数据存储设计\n[0037] 监控室客户端的无线通信模块接收、解析到各水质指标数据后，存储到监控室客户端的数据库中，数据存储设计方式和传感器与现场主机结合的数据存储设计相同。\n[0038] (3).监控室客户端预警与展示、查询\n[0039] A.监控室客户端预警部分\n[0040] 针对工厂及船舶可能存在的偷排、泄露等污染河流事件，本发明的监控室客户端在测得的各指标上设置预警阈值，当测得的各指标超过所设预警阈值时，监控室客户端将发出红色闪烁并启动监控室客户端硬件设施发出鸣笛声以通知监管人员哪种指标超标。各指标设置的预警阈值设计及参考标准如下：\n[0041] a.五参数传感器指标阈值：PH预警阈值范围为6-9，超出此范围即报警，溶解氧浓度>3mg/l，低于此浓度值即报警。该预警阈值的设置参考中华人民共和国国家标准GB3838-2002，《地表水环境质量标准》中的表1地表水环境质量标准基本项目标准限值，Ⅳ类水标准；\n[0042] b.生物毒性传感器指标阈值：水样测试预警阈值范围80%-120%，超出此范围即报红色警报，质控品测试预警范围为30%-70%，超出此范围即报黄色警报；\n[0043] c.紫外光电传感器指标阈值：硝基苯浓度<5.0mg/l，高于此浓度值即报警。二氯氛浓度<1.0mg/l，高于此浓度值即报警。该预警阈值的设置参考中华人民共和国国家标准GB8978-1996，《污水综合排放标准》中的表2第二类污染物最高允许排放浓度和表4第二类污染物最高允许排放浓度，三级标准；\n[0044] d.生物行为传感器指标阈值：指标显示为“污染”、“严重污染”时报警。\n[0045] e.重金属传感器指标阈值：隔浓度<=0.005mg/l,铅浓度<=0.05mg/l，高于此浓度值即报警。该预警阈值的设置参考中华人民共和国国家标准GB3838-2002，《地表水环境质量标准》中的表1地表水环境质量标准基本项目标准限值，Ⅳ类水标准；\n[0046] f.分布式传感器一与分布式传感器二指标阈值：同紫外光电传感器指标阈值的设定。\n[0047] B.监控室客户端展示、查询\n[0048] 监控室客户端接收、解析到各水质指标数据后，利用列表控件实时的展示出七个传感器指标数据，以便用户实时了解当前监测的数据；设计列表查询及波形图功能，使用户可根据时间（如年月日）查询历史数据，根据查询到的历史数据展示出波形图，从而可以使监管人员把握到各水质指标随着时间的动态变化，各水质指标数据之间可以相互验证，使得监管人员可以更为准确的把握是否存在环境污染物偷排、泄露等环境问题。\n[0049] 3.有益效果\n[0050] 本发明利用通过串口通信实现每个传感器数据到现场主机的传送，并将七个传感器的水质指标数据整合到现场主机的同一个数据库中，从而将七个监测不同水质指标的传感器与现场主机完善的整合到一起，并利用网络通信将每个传感器数据从检测现场传送监控室，实现了将现场主机与监控室客户端结合，并将水质指标数据整合到监控室客户端的同一个数据库中，并且在监控室客户端上设置预警阈值，如果超过预警阈值，则报警，并且提供了历史数据查询、波形图展示的功能，从而实现了传感器、现场主机和监控室客户端的结合，形成了连贯的监控、传输、预警系统，实现了实时监控完全自动化，无人值守在线监测的功能，对于环境突发污染事件，及时监控预警，最小化消耗人力、物力、财力，减少突发环境污染事件给周边居民生活带来的安全威胁。\n附图说明\n[0051] 图1为本发明的流程示意图。\n具体实施方式\n[0052] 实施例1：\n[0053] 本发明主要是为了实现了传感器、现场主机和监控室客户端的结合，形成了连贯的监控、传输、预警系统，其流程图如图1所示，具体实施分以下四个步骤实现：\n[0054] 1、准备工作\n[0055] A、本发明主要基于七个不同的检测水质指标的传感器，作为本发明的背景技术，需要准备以下七个不同的传感器，提供不同的水质指标数据（共12个不同的指标）：\n[0056] a.五参数传感器：检测PH、溶解氧(mg/l)、浊度(FNU)、电导率(S/cm2)、温度(℃)。\n[0057] b.生物毒性传感器：检测水样测试相对发光强度(%)、质控品测试相对发光强度(%)。\n[0058] c.紫外光电传感器：检测硝基苯(mg/l)、二氯氛(mg/l)。\n[0059] d.生物行为传感器：通过检测鱼类活动行为，提供安全、污染、严重污染三种数据状态。\n[0060] e.重金属传感器：检测镉(μg/l)、铅(μg/l)。\n[0061] f.分布式传感器一：检测硝基苯(mg/l)、二氯氛(mg/l)，检测的指标与紫外光电传感器相同，但检测位置不同。\n[0062] g.分布式传感器二：检测硝基苯(mg/l)、二氯氛(mg/l)，检测的指标与紫外光电传感器相同，但检测位置不同。\n[0063] B.作为现场主机，现场主机配置为：处理器Intel Core 2 Duo；内存（RAM）：2G；键盘、鼠标；操作系统：windows7系统。软件要求：安装上Access数据。\n[0064] C.作为监控室客户端，准备一台计算机，硬件配置为：处理器Intel Core 2 Duo；\n内存（RAM）：2G；键盘、鼠标；操作系统：windows7系统。软件要求：安装上Access数据。\n[0065] 2、七个传感器与现场主机结合\n[0066] 准备完毕七个传感器、现场主机计算机和监控室客户端计算机后，首先进行的是七个传感器现场主机计算机的结合。\n[0067] 将七个传感器通过连接线分别连接到USB-HUB上，USB-HUB再连接到现场主机计算机的USB接口上，其中五参数传感器的连接线为RS485接口转USB接口，其它六个传感器为RS232接口转USB接口。\n[0068] 连接完毕七个传感器与现场主机，将本发明串口通信接收端部署到现场主机上，本串口通信接收端程序采用C#语言进行编写，在Visual Studio2008上进行开发，采用串口通信协议实现传感器与现场主机之间数据通信，传感器自带有串口通信模块作为串口通信的发射端，而本发明服务端的串口通信模块作为串口通信的接收端，本发明的服务端与七个传感器的连接的串口通信的接收端设计方法如下：\n[0069] a 与五参数传感器连接的现场主机上的串口通信接受模块，串口通信接受模块的接收端采用Modbus通讯协议程序，其中波特率为9600bps，数据位为8，校验位为奇校验位，停止位为1，每隔5分钟发送一次请求，分别获得PH、溶解氧、浊度、电导率、温度的数据。\n[0070] b.与生物毒性传感器连接的现场主机上的串口通信接受模块，串口通信接受模块接收端采用RS-232串口通信协议程序，其中波特率为9600bps，数据位为8，校验位为无，停止位为1，每20分钟接收到一次数据，获得质控品测试或者水样测试的相对发光强度，单位是%。\n[0071] c.与紫外光电传感器连接的现场主机上的串口通信接受模块，串口通信接受模块接收端采用RS-232串口通信协议程序，其中波特率为9600bps，数据位为8，校验位为无，停止位为1，每10分钟接收到一次数据，获得硝基苯或二氯氛浓度，单位是mg/l。\n[0072] d.与重金属传感器连接的现场主机上的串口通信接受模块，串口通信接受模块接收端采用RS-232串口通信协议程序，其中波特率为9600bps，数据位为8，校验位为无，停止位为1，每2秒接收到一次数据，获得镉和铅浓度，单位是μg/l。\n[0073] e.与生物行为传感器连接的现场主机上的串口通信接受模块，串口通信接受模块接收端采用RS-232串口通信协议程序，波特率为38400bps，数据位为8，校验位为无，停止位为1，每30秒接收到一次数据，获得“安全”、“污染”、“严重污染”数据，单位是μg/l。\n[0074] f.与分布式传感器一和分布式传感器二连接的现场主机上的串口通信接受模块，串口通信接受模块接收端采用RS-232串口通信协议程序，其中波特率为9600bps，数据位为8，校验位为无，停止位为1，每5分钟接收到一次数据，获得硝基苯或二氯氛浓度，单位是mg/l。\n[0075] .传感器与现场主机结合的数据存储设计\n[0076] 现场主机通过本发明的串口通信接受模块获取到七个传感器检测的水质指标数据后，将其整合保存到同一个数据库中。采用Access2003作为存储数据库，主要使用了Access数据库中的查询与增加记录的功能，数据表的设计如下：\n[0077] a.五参数传感器数据表设计:\n[0078] \n[0079] b.生物毒性传感器数据表设计:\n[0080] \n[0081] c.紫外光电传感器数据表设计:\n[0082] \n[0083] d.生物行为传感器数据表设计:\n[0084] \n字段 ID 检测结果 Time\n类型 int string string\n[0085] e.重金属传感器数据表设计:\n[0086] \n[0087] f.分布式传感器一和分布式传感器二数据表设计:\n[0088] \n[0089] 3.串口通信接受模块与数据存储可以“发送数据”与“查询数据”功能，“发送数据”功能为网络通信做准备，即启动现场主机服务器发送数据功能，“查询数据”功能同监控室客户端中的“查询数据”功能。\n[0090] 将现场主机与监控室客户端结合，主要分以下三个部分：针对野外现场条件简陋，无法通过网线连网，现场主机与监控室客户端结合采用无线网络通信方式，本发明所需要的设备采用的是电信3G无线上网卡，安装在现场主机计算机上，采用CDMA无线通信技术，遵守CDMA2000标准。现场主机利用无线通信模块通过网络通信将数据中的数据发送至监控室客户端，现场主机与监控室客户端采用无线网络通信方式结合，通过现场主机的无线通信模块发送数据，通过安装到监控室客户端上的无线通信模块接收数据，现场主机和监控室客户端的无线通信模块基于socket编程，监控室客户端的无线通信模块采用C#语言进行编写，在Visual Studio2008上进行开发，基于socket编程，采用TCP协议，实现“实时接收”与“查询数据”功能，在服务器IP输入框中输入现场主机计算机的IP地址，如：\n114.212.73.202，开始接收数据；现场主机的无线通信模块每10秒钟从上述设计的现场主机计算机中ACCESS数据库中的七个数据表中提取最新的一条数据，利用JSON编码整合成JSON格式，向监控室客户端发送，监控室客户端的无线通信模块收到JSON格式的字符串后，利用JSON解码方式将数据解析出来。本发明的现场主机和监控室客户端的无线通信模块采用的JSON格式示例如下：\n[0091] \n[0092] \n[0093] 现场主机与监控室客户端结合的数据存储设计。\n[0094] 监控室客户端的无线通信模块接收、解析到各水质指标数据后，存储到监控室客户端的数据库中，数据存储设计方式和前述传感器与现场主机结合的数据存储设计相同。\n[0095] A.监控室客户端预警与展示、查询监控室客户端预警与展示\n[0096] 针对工厂及船舶可能存在的偷排、泄露等污染河流事件，本发明设计的监控室客户端的无线通信模块在接收到服务器端发送的数据后，实时展示出给用户，如果超过预警阈值，则启动监控室客户端的硬件设施，发出报警鸣笛声并显示红色闪烁，各指标设置的预警阈值设计及参考标准如下：\n[0097] a.五参数传感器指标阈值：PH预警阈值范围为6-9，超出此范围即报警，溶解氧浓度>3mg/l，低于此浓度值即报警。该预警阈值的设置参考中华人民共和国国家标准GB3838-2002，《地表水环境质量标准》中的表1地表水环境质量标准基本项目标准限值，Ⅳ类水标准。\n[0098] b.生物毒性传感器指标阈值：水样测试预警阈值范围80%-120%，超出此范围即报红色警报，质控品测试预警范围为30%-70%，超出此范围即报黄色警报。\n[0099] c.紫外光电传感器指标阈值：硝基苯浓度<5.0mg/l，高于此浓度值即报警。二氯氛浓度<1.0mg/l，高于此浓度值即报警。该预警阈值的设置参考中华人民共和国国家标准GB8978-1996，《污水综合排放标准》中的表2第二类污染物最高允许排放浓度和表4第二类污染物最高允许排放浓度，三级标准。\n[0100] d.生物行为传感器指标阈值：指标显示为“污染”、“严重污染”时报警。\n[0101] e.重金属传感器指标阈值：隔浓度<=0.005mg/l,铅浓度<=0.05mg/l，高于此浓度值即报警。该预警阈值的设置参考中华人民共和国国家标准GB3838-2002，《地表水环境质量标准》中的表1地表水环境质量标准基本项目标准限值，Ⅳ类水标准。\n[0102] f.分布式传感器一与分布式传感器二指标阈值：同紫外光电传感器指标阈值的设定。\n[0103] 如实时接收界面，紫外光电传感器的网格数据列表中显示：2012年8月17日\n12:41，异常，硝基苯浓度为9.9mg/l，超过其预警阈值5.0mg/l，故发出鸣笛声和红色闪烁；\n同样，生物毒性传感器的网格数据列表中显示：2012年8月17日12:41，水样测试相对发光强度为79%，而其安全阈值范围为80%-120%，故发出鸣笛声并显示红色闪烁。\n[0104] B.监控室客户端查询\n[0105] 监控室客户端的无线通信模块接收、解析到各水质指标数据后，利用列表控件实时的展示出七个传感器指标数据，以便用户实时了解当前监测的数据；设计列表查询及波形图功能，使用户可根据时间（如年月日）查询历史数据，根据查询到的历史数据展示出波形图，从而可以使监管人员把握到各水质指标随着时间的动态变化，各水质指标数据之间可以相互验证，使得监管人员可以更为准确的把握是否存在环境污染物偷排、泄露等环境问题。\n[0106] 监控客户端上可查询到所有数据，如查询五参数传感器2012年7月24日数据，分别得到当日PH、溶解氧、电导率、浊度、温度数据；如查询生物行为传感器2012年7月18日数据，得到其检测结果为安全；如查询紫外光电传感器2012年6月29日数据，得到检测结果为6.8408mg/l；如查询生物毒性传感器2012年6月29日数据，得到其相对发光强度为：\n质控品测试48%、水样测试191%、质控品测试31%等；如查询重金属传感器2012年7月7日检测结果：Cd 2.8556μg/l，Pb 7.5302μg/l；如查询分布式传感器一2012年7月2日检测结果为4.987mg/l；如查询分布式传感器二2012年7月2日检测结果为2.107mg/l。同时客户端提供给用户查询的当日数据后的波形图展示功能，如PH波形图；DO波形图；生物毒性波形图；Cd波形图；Pb波形图；分布式传感器一波形图；分布式传感器二波形图。