李陽東，漆 林，笪亨融，謝洋洋

（1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院,上海 201306；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大洋漁業(yè)開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201306；3.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201306；4.上海市河口海洋測(cè)繪工程技術(shù)研究中心,上海 201306）

我國(guó)是一個(gè)海洋大國(guó)，豐富的海洋自然資源具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。但是近年來沿海區(qū)域水產(chǎn)養(yǎng)殖、生活污水和工業(yè)污水的排放使得近海海域污染日益嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞。為了合理利用海洋、保護(hù)海洋資源、進(jìn)行海洋科學(xué)研究以及促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展，必須及時(shí)掌握海洋生態(tài)環(huán)境狀況以制定相應(yīng)的處理方案，因此有必要建設(shè)海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)以開展相應(yīng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作[1-3]。

在海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)相關(guān)技術(shù)研究中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的近海環(huán)境監(jiān)測(cè)、建立先進(jìn)的近海岸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是當(dāng)前海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的熱點(diǎn)問題之一。根據(jù)觀測(cè)平臺(tái)的特征，近海岸實(shí)時(shí)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)方式可分為固定點(diǎn)觀測(cè)、浮標(biāo)觀測(cè)和船基觀測(cè)等。近海岸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，監(jiān)測(cè)中心一般建在沿海、島嶼或其他海域建筑物上，其中固定點(diǎn)觀測(cè)方式一般使用固定浮標(biāo)、潛標(biāo)或海床基搭載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并通過無線通信系統(tǒng)或海底電纜將觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心；浮標(biāo)觀測(cè)主要是指使用漂流浮標(biāo)搭載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所進(jìn)行的水質(zhì)觀測(cè)方式；船基觀測(cè)是利用船舶作為主要平臺(tái)，在其航行過程中，以拖體搭載相應(yīng)傳感器對(duì)海洋剖面進(jìn)行實(shí)時(shí)同步測(cè)量[4]。

本文主要討論現(xiàn)階段應(yīng)用需求更廣泛的近海岸固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)方式，該方式可以分為傳統(tǒng)的人工定點(diǎn)采樣分析監(jiān)測(cè)方式和實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)方式兩類。依靠傳統(tǒng)人工進(jìn)行定點(diǎn)釆樣監(jiān)測(cè)是當(dāng)前我國(guó)近海海洋調(diào)查的一種主要方式，其特征是：出海前先根據(jù)調(diào)查需要規(guī)劃確定監(jiān)測(cè)海域的采樣站點(diǎn)數(shù)量及其位置、采樣時(shí)間、采樣頻率和樣本數(shù)量，以使采樣數(shù)據(jù)能夠客觀地表征監(jiān)測(cè)區(qū)域海洋環(huán)境的真實(shí)情況，達(dá)到調(diào)查目的；出海后到采樣點(diǎn)進(jìn)行水樣采集，并及時(shí)對(duì)樣品進(jìn)行封裝、記錄、貯存，運(yùn)輸回實(shí)驗(yàn)室后實(shí)驗(yàn)分析[5]。由于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式存在取樣周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、實(shí)時(shí)性差等不足[6]，因而可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)人工定點(diǎn)采樣分析監(jiān)測(cè)方式不足的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)方式在近年得到迅速發(fā)展。水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)主要分為3 類：①有線方式，即通過電纜直接把數(shù)據(jù)采集裝置采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)傳遞到監(jiān)測(cè)中心。其應(yīng)用如李本龍通過海底觀測(cè)平臺(tái)獲取近海海域海水的溫度、鹽度和電導(dǎo)率等數(shù)據(jù)，利用海底電纜把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心[7]。②無線方式，其主要特征是通過通信衛(wèi)星或其他無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集端與監(jiān)測(cè)中心的數(shù)據(jù)傳輸。如賈爍利用浮標(biāo)單元采集海區(qū)溫鹽數(shù)據(jù)，通過北斗通信終端傳輸數(shù)據(jù)到岸站監(jiān)控中心[8]；郭文靜設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)基于ZigBee 技術(shù)的嵌入式近海監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于采集溫度、pH 值和光照強(qiáng)度等海洋環(huán)境要素[9]。③混合模式，即數(shù)據(jù)傳輸綜合利用了前面2 種方式。如劉自強(qiáng)等利用潛標(biāo)收集數(shù)據(jù)通過電纜傳到海面浮體，再采用北斗衛(wèi)星通信功能進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測(cè)站[10]。

雖然現(xiàn)有在線監(jiān)測(cè)方式較傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式有很大的優(yōu)勢(shì)，但尚存在以下問題：①使用海底電纜構(gòu)建的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本太高，不利于普及推廣，且系統(tǒng)布設(shè)靈活性不夠；②使用衛(wèi)星通信方式資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)較高，傳輸數(shù)據(jù)有時(shí)延；③海洋監(jiān)測(cè)區(qū)域較大，傳統(tǒng)的依賴少數(shù)固定點(diǎn)的在線監(jiān)測(cè)方式難以滿足水文水質(zhì)采集需求[11]；④ZigBee、Wi-Fi 和GPRS 等無線組網(wǎng)技術(shù)，通信距離較近，需要在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部部署大量的中繼節(jié)點(diǎn)，這使得系統(tǒng)過于復(fù)雜，增加了系統(tǒng)的成本和能耗開銷，同時(shí)海水對(duì)電磁波干擾會(huì)導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)不穩(wěn)定[12]；⑤現(xiàn)有近海監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還存在重復(fù)建設(shè)，數(shù)據(jù)獨(dú)立存儲(chǔ)、獨(dú)立管理，信息孤島嚴(yán)重，難以實(shí)現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)的共享共用和統(tǒng)一管理[13-14]。

LoRa 技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)中一項(xiàng)新興的低功耗廣域網(wǎng)無線通信技術(shù)；工作模式下的電流僅為10 mA，具有功耗低的特點(diǎn)[15]；相比ZigBee 等技術(shù)，LoRa 技術(shù)的傳輸距離較遠(yuǎn)，空曠區(qū)域能達(dá)到15 km，還可以通過LoRa 進(jìn)行中繼以滿足更遠(yuǎn)距離需求，無需基站，網(wǎng)關(guān)成本低，適合于構(gòu)建大范圍的通信網(wǎng)絡(luò)[16]；另外，由于LoRa 采用了擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，可在信噪比低于20 dB 時(shí)實(shí)現(xiàn)解調(diào)，因而具有很好的抗干擾能力[17-20]。目前，LoRa 已應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)、公共安全、智慧醫(yī)療、智能門鎖以及環(huán)境保護(hù)等方面[21-22]，如龍曉明等設(shè)計(jì)的山地果園灌溉系統(tǒng)[21]、常劍等設(shè)計(jì)的智慧消防報(bào)警系統(tǒng)[22]、方擁軍等設(shè)計(jì)的智慧醫(yī)療應(yīng)用[23]、胡乃平等設(shè)計(jì)的智能門鎖系統(tǒng)[24]等。

本研究充分考慮實(shí)際近岸海域環(huán)境的區(qū)位特點(diǎn)和海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)需求，針對(duì)近海固定點(diǎn)海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景，基于LoRa 技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微信小程序等信息技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種近海岸水質(zhì)在線觀測(cè)及數(shù)據(jù)傳輸和顯示的解決方案，并構(gòu)建了一個(gè)近海水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 總體解決方案

本研究針對(duì)近海岸固定點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理、傳輸、存儲(chǔ)、共享、展示、管理和控制于一體的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決方案，其總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該系統(tǒng)采用分層體系設(shè)計(jì)，主要分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)通信存儲(chǔ)層和數(shù)據(jù)展示控制層三個(gè)層級(jí)。

圖1 近海岸固定點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of near-shore fixed-point water quality monitoring system

數(shù)據(jù)采集層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸，由監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成。其中，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)集成了多種水質(zhì)傳感器、微處理器和LoRa 模塊的水質(zhì)數(shù)據(jù)采集單元，部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集層與數(shù)據(jù)通信存儲(chǔ)層之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，通過LoRa 模塊與監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的多個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)星型的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，用于在監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)流動(dòng)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一方面接收來自監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)發(fā)到NodeJS 服務(wù)器，另一方面接收來自Web 端的控制指令并將其傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，以便控制監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)采集工作。

數(shù)據(jù)通信存儲(chǔ)層主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸、處理和存儲(chǔ)，由MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）服務(wù)器、NodeJS 服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和區(qū)域數(shù)據(jù)中心組成。數(shù)據(jù)通信存儲(chǔ)層一方面將數(shù)據(jù)采集層的網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)通過MQTT 傳輸?shù)浇０侗O(jiān)測(cè)中心的NodeJS 服務(wù)器，NodeJS 端軟件負(fù)責(zé)讀取對(duì)應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)和判斷數(shù)據(jù)狀態(tài)，并把處理后得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和相關(guān)日志記錄存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。日志中的每條記錄包含時(shí)間、設(shè)備ID、傳感器數(shù)據(jù)獲取狀態(tài)等信息，方便了解數(shù)據(jù)質(zhì)量、進(jìn)行問題追蹤并給出警報(bào)信息。同時(shí)，區(qū)域數(shù)據(jù)中心能夠同步接收處理好的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯集和共享，為區(qū)域海洋資源利用和突發(fā)事件處理提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。

數(shù)據(jù)展示控制層通過可視化手段（如地圖和圖表方式）在Web 端或移動(dòng)端進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)展示、查詢、統(tǒng)計(jì)和下載，并在數(shù)據(jù)采集存在異常時(shí)進(jìn)行警報(bào)提醒。根據(jù)實(shí)際需要，用戶可以在Web 端設(shè)置啟動(dòng)、暫停和數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔的指令，這些指令經(jīng)網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集層，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)根據(jù)指令控制采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集與反饋。

系統(tǒng)通過3 層結(jié)構(gòu)間的合作，形成集合水質(zhì)數(shù)據(jù)采集與傳輸、存儲(chǔ)與共享、展示與下載、監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋和監(jiān)測(cè)過程管理等功能的近海岸水環(huán)境監(jiān)測(cè)綜合平臺(tái)，適用于近海岸污水監(jiān)測(cè)、漁業(yè)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)、海洋牧場(chǎng)監(jiān)測(cè)等多種應(yīng)用場(chǎng)景，改善了目前在線觀測(cè)系統(tǒng)存在的如通信距離較近、費(fèi)用較高、易受干擾、數(shù)據(jù)無法共享、布設(shè)不夠靈活等問題。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為驗(yàn)證上述解決方案的可行性，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行具體的硬件選型、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，然后對(duì)實(shí)現(xiàn)的原型系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試。

2.1 硬件選型

本研究設(shè)計(jì)的近海岸水質(zhì)觀測(cè)解決方案涉及的硬件種類較多，且數(shù)據(jù)采集層硬件是保證近海岸水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的基礎(chǔ)，下文主要介紹數(shù)據(jù)采集層硬件的選型，其硬件包含終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和無線傳感網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)兩個(gè)部分（圖2）。

圖2 數(shù)據(jù)采集層的硬件系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware system topology of the data acquisition layer

微處理器模塊、通信模塊和傳感器模塊的選擇對(duì)于保證終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)水質(zhì)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。微處理器是終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的核心組成部分，是終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的“大腦”，傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的讀取、處理以及利用網(wǎng)關(guān)模塊進(jìn)行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)都需要微處理器來完成。終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)微處理器選用的是STM32F103C8T6 型號(hào)，其具有低功耗（全速運(yùn)行時(shí)負(fù)載電流僅為27 mA）、高性能（基于CortexTM-M3 內(nèi)核）、高實(shí)時(shí)（最高工作頻率為72 MHz）、體積?。?2.86 mm×53.34 mm）、接口豐富、支持多種外設(shè)和功能等特性。接著，通信模塊選用的是基于SX1278 射頻芯片的LoRa 數(shù)傳模塊，相比目前物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)主要的2 種傳輸技術(shù)—Wi-Fi 和Zigbee（表1），LoRa 具有傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低、多節(jié)點(diǎn)、低成本以及抗干擾能力強(qiáng)等特性，可以很好地滿足在近海區(qū)域監(jiān)測(cè)組網(wǎng)傳輸中的需求。最后，選用的終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的傳感器考慮采集溫度、氣壓、濁度和全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）等常用海水水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)。溫度和氣壓選用BMP180 集成傳感器，其具有精度高（氣壓絕對(duì)精度可以達(dá)到0.03 hPa）、體積?。ǔ叽鐬?.6 mm×3.8 mm×0.93 mm）、功耗低（負(fù)載電流為3 μA）、反應(yīng)快（反應(yīng)時(shí)間為7.5 ms）的優(yōu)點(diǎn)。濁度傳感器選用Turbidity sensor 型號(hào)，該傳感器使用儀器分析法監(jiān)測(cè)水體濁度，工作原理是利用光的透過率和散射率來檢測(cè)懸浮顆粒物變化，相比其他常見濁度檢測(cè)方法（如目視法和分光光度法），具有靈敏度高和檢測(cè)準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。GPS 傳感器選擇Beitian GPS 模塊，該模塊支持GPS 和GLONASS 雙模，另外還具備搜星快、定位精度高、體積小、安裝方便等特征。

表1 常見無線組網(wǎng)技術(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of common wireless networking technologies

無線傳感網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測(cè)中心的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)，因此該節(jié)點(diǎn)的硬件選型決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、組網(wǎng)的容量和數(shù)據(jù)傳輸距離，影響著近海監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完整性和可靠性，無線傳感網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)由微處理器模塊和通信模塊組成。無線傳感網(wǎng)關(guān)微處理器選擇ESP-WROOM-32 型號(hào)，其集成了功率放大器、低噪放大器、2.4 GHz Wi-Fi 模塊和電源管理模塊，核心是 ESP32-D0WDQ6 芯片，芯片內(nèi)置2 個(gè)低功耗的Xtensa?32-bit LX6 型CPU，2 個(gè)CPU 時(shí)鐘頻率的調(diào)節(jié)范圍為 80～240 MHz，ESP32 還集成了豐富的外設(shè)。無線傳感網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的通信模塊和終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)一樣，均選用LoRa 數(shù)據(jù)模塊。

終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件選型可保證長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地進(jìn)行水質(zhì)數(shù)據(jù)采集；無線傳感網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件選型則為數(shù)據(jù)的傳輸提供了鏈路基礎(chǔ)。通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)選擇合適的硬件模塊，使得整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)具有構(gòu)建簡(jiǎn)單、體積小、成本低、可擴(kuò)展性強(qiáng)、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活、實(shí)時(shí)性好和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

系統(tǒng)軟件是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵，主要包括運(yùn)行于微處理器上的嵌入式軟件和運(yùn)行于服務(wù)器上的上位機(jī)軟件。嵌入式軟件負(fù)責(zé)采集和傳輸水質(zhì)觀測(cè)數(shù)據(jù)，上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)對(duì)所采集的水質(zhì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和展示，兩部分相互合作完成系統(tǒng)水質(zhì)數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、共享、展示、下載、管理和控制等功能。

嵌入式軟件包括監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件，主要負(fù)責(zé)水環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、傳輸和控制，程序流程圖如圖3 所示。STM32 在上電初始化后，聲明傳感器模塊和數(shù)據(jù)串口，然后開啟LoRa 通信，與ESP32 網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接，連接后檢測(cè)各串口傳感器數(shù)據(jù)，循環(huán)讀取并將數(shù)據(jù)發(fā)送到ESP32 網(wǎng)關(guān)，同時(shí)通過LoRa 接收來自網(wǎng)關(guān)的指令以控制傳感器讀取數(shù)據(jù)；ESP32 網(wǎng)關(guān)在上電初始化后，聲明網(wǎng)絡(luò)和MQTT 配置信息，LoRa 和MQTT 連接成功之后，ESP32 網(wǎng)關(guān)循環(huán)地將接收的數(shù)據(jù)傳輸?shù)組QTT 服務(wù)器端，同時(shí)當(dāng)MQTT 服務(wù)端發(fā)送指令時(shí)，網(wǎng)關(guān)接收指令后轉(zhuǎn)發(fā)到STM32 串口上，若中途掉電或網(wǎng)絡(luò)異常，會(huì)自動(dòng)重新嘗試創(chuàng)建連接。嵌入式軟件的設(shè)計(jì)考慮了雙向傳輸數(shù)據(jù)和自動(dòng)控制，讓用戶可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行水質(zhì)采集參數(shù)的配置和控制，形成一種反饋機(jī)制，完善水質(zhì)監(jiān)測(cè)過程管理。

圖3 嵌入式軟件流程Fig.3 Flowchart of the embedded software

上位機(jī)軟件主要用于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理、分析、展示和控制，具體包括MQTT 端軟件、NodeJS 端軟件、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器軟件、Web 端和移動(dòng)端軟件。上位機(jī)部件及功能構(gòu)成如圖4 所示。

圖4 上位機(jī)部件及功能構(gòu)成Fig.4 Parts and functional composition of the upper computer

MQTT 是一個(gè)基于客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議，具有輕量、簡(jiǎn)單、協(xié)議開放和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，MQTT 端軟件把網(wǎng)關(guān)接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到NodeJS 服務(wù)器，同時(shí)也接收來自Web 端的數(shù)據(jù)采集啟動(dòng)、暫停和時(shí)間間隔等設(shè)置指令，具有雙向數(shù)據(jù)傳遞的功能。

NodeJS 采用事件驅(qū)動(dòng)，具有輕量、可伸縮，適用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互作用的特點(diǎn)。使用NodeJS 端軟件接收來自MQTT 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，同時(shí)生成日志記錄以記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況。

Web 端和移動(dòng)端軟件主要用于對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示和控制。Web 端具有查看和下載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、在數(shù)據(jù)異常時(shí)進(jìn)行警報(bào)、發(fā)送指令控制數(shù)據(jù)采集的功能。在Web 端的展示系統(tǒng)首頁可以查看海洋生態(tài)環(huán)境相關(guān)新聞和下載海洋監(jiān)測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和資料，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)界面以圖表形式動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)展示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，根據(jù)日志信息展示傳感器的數(shù)據(jù)狀態(tài)（如果出現(xiàn)異常就進(jìn)行報(bào)警提示），數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)界面以地圖形式展示測(cè)試節(jié)點(diǎn)的位置情況和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況，數(shù)據(jù)下載界面支持將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Excel 文件。管理員可以通過Web 端的管理系統(tǒng)發(fā)送指令來控制監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)暫停或重新啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集、控制數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)臅r(shí)間間隔等功能。同時(shí)，管理員還能對(duì)普通注冊(cè)用戶進(jìn)行管理。移動(dòng)端軟件可以在地圖上實(shí)時(shí)查看各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化。 實(shí)現(xiàn)時(shí)，Web 端和移動(dòng)端可采用不同方式構(gòu)建，如Web 端使用Express 框架作為后端，使用Vue 和Element 框架快速構(gòu)造出水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)站；移動(dòng)端則使用微信小程序?qū)崿F(xiàn)，因?yàn)槲⑿判〕绦蚴且栏接诰哂惺褂梅奖?、用戶廣、生態(tài)良好等優(yōu)點(diǎn)的微信平臺(tái)上運(yùn)行的一種無需下載安裝的輕便應(yīng)用，同時(shí)其開發(fā)門檻也比較低，可以快速構(gòu)建移動(dòng)端應(yīng)用。

3 系統(tǒng)測(cè)試

為測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的通信距離和傳輸穩(wěn)定性，在上海浦東新區(qū)東海大橋附近海域開展了系統(tǒng)測(cè)試，選擇A（121°55′26″E，30°51′43″N）、B（121°55′24″E，30°51′39″N）和C（121°55′19″E，30°51′38″N）三個(gè)不同的測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試時(shí)間為2019 年11 月3 日，當(dāng)時(shí)海水溫度為10～13 ℃，海面風(fēng)浪比較大。測(cè)試時(shí)正值退潮，海水比較渾濁。

在進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，硬件系統(tǒng)通電之后，通過無人遙控船將硬件系統(tǒng)送到指定測(cè)試地點(diǎn)后進(jìn)行測(cè)試（圖5）。網(wǎng)關(guān)和監(jiān)測(cè)中心部署在岸邊，距監(jiān)測(cè)點(diǎn)約1.2～1.5 km。當(dāng)監(jiān)測(cè)中心上位機(jī)軟件啟動(dòng)后，整個(gè)系統(tǒng)就處于工作狀態(tài)，硬件系統(tǒng)獲取到傳感器采集的數(shù)據(jù)后，通過部署的網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心。

圖5 遙 控船 搭載 硬件 系統(tǒng)Fig.5 The remote control ship carrying with the hardware system

測(cè)試過程中，監(jiān)測(cè)中心共生成了從2019 年11 月3 日09:30 至12:30 的水質(zhì)觀測(cè)數(shù)據(jù)和日志記錄，該日志記錄的數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)信息表明數(shù)據(jù)采集正常、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。同時(shí)，對(duì)Web 端發(fā)送指令控制監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)暫停（通過發(fā)送數(shù)字0）、啟動(dòng)（通過發(fā)送數(shù)字1）和傳輸時(shí)間間隔（通過發(fā)送其他整數(shù)）等進(jìn)行了測(cè)試。Web 端的展示系統(tǒng)中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)界面以地圖形式更立體地展示測(cè)試節(jié)點(diǎn)的位置情況和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況（圖6）。另外，還對(duì)移動(dòng)端的微信小程序進(jìn)行了測(cè)試。小程序是以地圖形式顯示測(cè)試站位，先選擇地圖上的測(cè)試站位，再選擇該站位對(duì)應(yīng)的水質(zhì)參數(shù)，即可展示該站實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況。

圖6 測(cè)試節(jié)點(diǎn)的Web 端實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)界面Fig.6 Monitored-data interface at the Web-end of the test node

4 結(jié)語

本文針對(duì)當(dāng)前近海岸水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的不足，從監(jiān)測(cè)平臺(tái)的功能需求出發(fā)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的針對(duì)近海岸固定站位無線方式水質(zhì)監(jiān)測(cè)的解決方案，并基于該方案構(gòu)建了一個(gè)近海岸實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)原型系統(tǒng)。相關(guān)測(cè)試表明，該系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)近海岸水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理、傳輸、存儲(chǔ)、區(qū)域匯聚與共享、展示、管理與控制。

本文在一定程度上也為當(dāng)前復(fù)雜海況下先進(jìn)的移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、內(nèi)陸江河和船基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立提供了優(yōu)化的設(shè)計(jì)思路。未來將進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化與系統(tǒng)壓力測(cè)試工作，并基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開展船基模式下的海洋水質(zhì)調(diào)查解決方案的研究。