1 引言

        目前環(huán)保部門主要通過監(jiān)測站點(diǎn)來采集數(shù)據(jù)，然后在監(jiān)測中心通過水質(zhì)模型對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析以達(dá)到對河流水質(zhì)狀況的監(jiān)測。而這些站點(diǎn)分散度較大，所采集的河流水質(zhì)數(shù)據(jù)比較片面，不能反映整個河流的水質(zhì)狀況；加上傳送分析手段落后，監(jiān)測的結(jié)果總是滯后于水質(zhì)變化，不能及時反映河流水質(zhì)的動態(tài)狀況。因此研制一種能夠?qū)崟r反映河流水質(zhì)的系統(tǒng)非常必要。隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)的發(fā)展，使得研制這種系統(tǒng)成為可能。本文就是基于這些技術(shù)，提出一種基于GIS的河流水質(zhì)動態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，這個系統(tǒng)能夠及時反映水質(zhì)的狀況。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計

        整個系統(tǒng)由監(jiān)測中心和數(shù)據(jù)采集終端兩部分組成。監(jiān)測中心是整個系統(tǒng)的服務(wù)器，運(yùn)行GIS系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集終端即嵌入式系統(tǒng)，進(jìn)行河流水質(zhì)數(shù)據(jù)的實(shí)地采集。由于河流水質(zhì)監(jiān)測覆蓋的范圍廣，GIS系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集終端之間通過TCP/IP進(jìn)行互聯(lián)通訊。數(shù)據(jù)采集終端通過TCP/IP來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離的可靠傳輸，監(jiān)測中心GIS接收所有終端采集的河流水質(zhì)數(shù)據(jù)，對水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析、管理、查詢和顯示以及管理所有采集終端。

3 GIS系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

        GIS即地理信息系統(tǒng)，是集地理學(xué)、幾何學(xué)、計算機(jī)學(xué)等科學(xué)于一體，利用圖形技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對空間信息及其屬性信息進(jìn)行采集、存儲、分析管理和顯示的系統(tǒng)。它主要的特點(diǎn)是管理空間對象，能夠?qū)⒏鞣N空間位置、空間分布以及空間關(guān)系通過數(shù)字地圖顯示出來。

        本設(shè)計中，利用GIS對河流水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析、模擬和顯示，實(shí)現(xiàn)對河流水質(zhì)的監(jiān)測。整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、GIS可視化界面以及水質(zhì)模型組成。GIS系統(tǒng)框圖如圖

        GIS可視化界面直接管理空間對象，顯示空間對象的空間位置、空間分布等空間屬性，并通過關(guān)聯(lián)空間屬性來顯示空間對象的非空間屬性數(shù)據(jù)。這些空間屬性和非空間屬性分別以空間數(shù)據(jù)庫和非空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理。空間數(shù)據(jù)庫管理GIS的各種空間數(shù)據(jù)，包括地形圖、各種專題地圖，流域、嵌入式系統(tǒng)終端、污染源等對象的地理位置坐標(biāo)、形狀等。非空間屬性數(shù)據(jù)庫通過SQL數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)，管理各種非空間屬性數(shù)據(jù)，包括水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)（如河流流量、流速、溶解氧DO等）、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、社會屬性數(shù)據(jù)（如經(jīng)濟(jì)狀況、工業(yè)布局、水體水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等）等。

        GIS可視化界面通過數(shù)據(jù)庫提供的各種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫接口，讀取數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)，并通過空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)作用，在GIS界面進(jìn)行共同分析和顯示等處理。同時，通過與數(shù)據(jù)庫的相互作用，GIS實(shí)現(xiàn)了查詢、定位、分析、模擬和預(yù)警等功能。

        水質(zhì)模型是污染物在水環(huán)境中的變化規(guī)律及影響因素之間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)描述，是水質(zhì)監(jiān)測的重要手段之一。今年來各種多變量綜合水質(zhì)模型得到研究和應(yīng)用，如美國國家環(huán)保局開發(fā)的QUAL模型系列，丹麥水動力研究所開發(fā)的MIKE模型系列。這些水質(zhì)模型非常細(xì)致地描述了污染物在水體中的遷移和轉(zhuǎn)化過程，但參數(shù)眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。設(shè)計中根據(jù)實(shí)際的需要對綜合水質(zhì)模型進(jìn)行一定的簡化，實(shí)現(xiàn)了零維、多維水質(zhì)模型和水環(huán)境容量模型。

        實(shí)際上水質(zhì)模型處理的對象是流域，是空間對象，因此設(shè)計中將水質(zhì)模型完全集成在GIS中，成為GIS的一部分功能。GIS能夠直接利用水質(zhì)模型對水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析模擬，而模擬的結(jié)果可以直接在GIS可視化界面上顯示；這樣彌補(bǔ)了水質(zhì)模型在表達(dá)方面的不足和GIS在分析模擬方面的不足。

4 嵌入式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

        嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，軟件硬件可裁減的計算機(jī)系統(tǒng)，具有集成度高、成本低、支持各種實(shí)時操作系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)功能等優(yōu)點(diǎn)。

        本設(shè)計中采用嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行野外水質(zhì)數(shù)據(jù)采集，并通過TCP/TP將采集數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測。根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同，系統(tǒng)劃分為處理器模塊、存儲模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊和其他外設(shè)接口。系統(tǒng)模塊劃分圖如圖3。每一模塊由硬件和軟件兩部分組成，它們一起完成特定的功能。

        處理器模塊是整個系統(tǒng)的核心，由低價位、低功耗的32位核ARM7TDMI和實(shí)時操作系統(tǒng)μC/OS-II構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)外部硬件設(shè)備的管理、外部中斷控制、任務(wù)的調(diào)度和各個功能模塊之間的通訊和信息交換。所有其它模塊的軟件都在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行，是具有不同的優(yōu)先級的任務(wù)，任一時刻處于睡眠態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)、等待態(tài)及中斷態(tài)的狀態(tài)之一。操作系統(tǒng)通過發(fā)送郵箱結(jié)構(gòu)消息來控制各個模塊狀態(tài)。

        數(shù)據(jù)存儲模塊由存儲器和文件系統(tǒng)構(gòu)成，負(fù)責(zé)程序和采集數(shù)據(jù)的存放。存儲器采用2MFlashRom+16MNandFlash+8MSdram，其中2MFlashRom用來存放系統(tǒng)的引導(dǎo)程序，16MNandFlash負(fù)責(zé)存貯程序以及數(shù)據(jù)，8MSdram負(fù)責(zé)程序運(yùn)行和數(shù)據(jù)存貯等任務(wù)。針對NandFlash，設(shè)計中實(shí)現(xiàn)了Fat16格式的文件系統(tǒng)。文件系統(tǒng)將系統(tǒng)任務(wù)與數(shù)據(jù)分開存儲，這樣避免了存儲與讀寫數(shù)據(jù)時影響系統(tǒng)；并且提供標(biāo)準(zhǔn)的API接口以及引入高速讀寫緩沖，避免了任務(wù)直接對NandFlash讀寫，解決了CPU和Flash存儲器之間讀取數(shù)據(jù)的速度問題。

        數(shù)據(jù)采集模塊由各種傳感器、數(shù)據(jù)采集任務(wù)以及數(shù)據(jù)處理任務(wù)構(gòu)成，負(fù)責(zé)各種數(shù)據(jù)的采集和處理工作。水質(zhì)監(jiān)測中，傳感器采集的數(shù)據(jù)主要是水質(zhì)綜合指標(biāo)（如溶解氧DO）、水質(zhì)污染指標(biāo)（如生化需氧量BOD、化學(xué)需氧量COD）以及水文參數(shù)（流速和流量）。數(shù)據(jù)采集任務(wù)主要完成模擬量采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及數(shù)字量處理等功能。它通常處于等待狀態(tài)，等待包含控制參數(shù)的消息?？刂茀?shù)主要是采用頻率、通道的選擇以及啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。同時為數(shù)據(jù)采集任務(wù)設(shè)計一個4K容量的環(huán)型堆棧，用來暫時保存采樣數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理任務(wù)大多時候處于空閑狀態(tài)，具有與數(shù)據(jù)采集任務(wù)同樣大小的堆棧，當(dāng)需要立即傳送數(shù)據(jù)時才被調(diào)用。

        網(wǎng)絡(luò)模塊由網(wǎng)卡芯片8019as、嵌入式TCP/IP協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)任務(wù)構(gòu)成，主要完成網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收以及與監(jiān)測中心GIS系統(tǒng)進(jìn)行通信。本系統(tǒng)參照UNIX的TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)的TCP/IP的所有基本協(xié)議。整個TCP/IP分為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層；其中網(wǎng)絡(luò)層由TP協(xié)議和ICMP協(xié)議組成，數(shù)據(jù)鏈路層由網(wǎng)卡驅(qū)動程序和ARP協(xié)議組成。各個層之間操作是互相隔離的，通過調(diào)用API接口函數(shù)進(jìn)行通訊,把需要處理的數(shù)據(jù)傳送給上層或者下層協(xié)議。

        同時，系統(tǒng)保留了一些外設(shè)接口，以便今后系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和升級。

5 嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行過程

        嵌入式系統(tǒng)上電后，啟動FlashRom中的BootLoader對CPU進(jìn)行初始化以及網(wǎng)卡等硬件自檢；接著開始將NandFlash中的操作系統(tǒng)內(nèi)核以及應(yīng)用程序任務(wù)拷貝到Sdram中。

        完畢后操作系統(tǒng)獲得CPU控制權(quán)，開始了操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序任務(wù)的初始化操作。首先初始化所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分配堆棧空間，建立消息隊列，建立任務(wù)等；接著讀取存儲在文件系統(tǒng)中的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，這些參數(shù)包括各個任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集的采樣頻率、遠(yuǎn)程主機(jī)的IP地址，本地的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)和系統(tǒng)的登陸密碼等系統(tǒng)信息，并對任務(wù)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

        系統(tǒng)初始化后，各個任務(wù)處于睡眠狀態(tài)，必須通過消息來激活。

6 水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)

        水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)是通過TCP/IP將野外采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)實(shí)時傳送到監(jiān)測中心，監(jiān)測中心將接收到的水質(zhì)數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的分析處理后在GIS上顯示，以達(dá)到動態(tài)監(jiān)測的作用。整個水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測分為兩個部分：水質(zhì)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集傳送和水質(zhì)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。

6.1 水質(zhì)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集傳送

        水質(zhì)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集傳送由數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)任務(wù)、操作系統(tǒng)任務(wù)和文件系統(tǒng)共同完成。

        通常情況下數(shù)據(jù)采集任務(wù)處于睡眠延時等待狀態(tài)，延時時間到數(shù)據(jù)采集任務(wù)被激活，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)保存在自己的堆棧中，完畢后重新進(jìn)入睡眠等待狀態(tài)。本設(shè)計中延時一次為10s，即10s采集一次?？梢酝ㄟ^改變采集任務(wù)的延時時間來改變整個系統(tǒng)的采樣頻率。

        一次數(shù)據(jù)采集完畢后，對堆棧中的數(shù)據(jù)有兩種處理方式，一種是立即傳送方式，另一種是正常處理方式。

        立即傳送方式主要監(jiān)測污染事故對河流水質(zhì)的影響。當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重污染事故時，需要及時快速的了解水質(zhì)狀況，監(jiān)測中心通過網(wǎng)絡(luò)向嵌入式采集終端發(fā)送一個立即傳送命令，操作系統(tǒng)任務(wù)對命令進(jìn)行處理判斷后發(fā)消息激活數(shù)據(jù)處理任務(wù)，數(shù)據(jù)處理任務(wù)將采集任務(wù)堆棧中的數(shù)據(jù)讀到自己的堆棧中，讀完后清空采集任務(wù)堆棧并進(jìn)入睡眠狀態(tài)。接著操作系統(tǒng)任務(wù)發(fā)消息激活網(wǎng)絡(luò)任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)任務(wù)將數(shù)據(jù)處理任務(wù)堆棧中的數(shù)據(jù)讀到網(wǎng)卡緩沖區(qū)，讀完后清空數(shù)據(jù)處理任務(wù)堆棧，TCP/IP開始發(fā)送數(shù)據(jù)。這種方式采集一次數(shù)據(jù)就傳送一次，實(shí)時性好，但是占用太多的系統(tǒng)資源和網(wǎng)絡(luò)資源。

        正常處理方式即按設(shè)計好的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。一次采樣完畢后，如果采樣任務(wù)堆棧未滿則繼續(xù)下次采樣，直到堆棧滿。滿后調(diào)用文件系統(tǒng)，將堆棧中的數(shù)據(jù)以文件形式存儲在Flash中。且網(wǎng)絡(luò)任務(wù)每隔2小時被擊激活，將Flash中的數(shù)據(jù)讀到網(wǎng)卡緩沖區(qū)，接著發(fā)送數(shù)據(jù)。這種方式避免了因過多的數(shù)據(jù)讀寫以及數(shù)據(jù)傳送而占用系統(tǒng)資源。

6.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示

        水質(zhì)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示就是對水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后，在GIS可視化界面上動態(tài)顯示。

        監(jiān)測中心接收到水質(zhì)數(shù)據(jù)后，GIS按一定的規(guī)則對數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，符合規(guī)則的有效數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。可視化界面通過數(shù)據(jù)庫API接口將存儲的數(shù)據(jù)讀出，進(jìn)行匯總等處理；然后調(diào)用水質(zhì)模型進(jìn)行分析和模擬，并將分析模擬的結(jié)果以不同顏色動態(tài)顯示在GIS可視化界面上。如圖5是通過水容量模型對湘江長沙段某一時間段水質(zhì)模擬結(jié)果的顯示，可以直接判斷出各個監(jiān)測段的污染狀況。

7 總結(jié)

        本文提出了一種基于GIS的河流水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，它實(shí)現(xiàn)了在無人職守的情況下進(jìn)行野外河流水質(zhì)數(shù)據(jù)的自動采集和傳送；并且通過將水質(zhì)模型集成在GIS中，充分利用了GIS的表達(dá)能力和水質(zhì)模型的模擬分析能，能夠?qū)崟r反映水質(zhì)的狀況，達(dá)到對河流水質(zhì)的動態(tài)監(jiān)測。
 
 
 

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