CN106933176A - 分布式水质监测设备在线统一管理与控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式水质监测设备在线统一管理与控制系统及方法，包括水质监测设备、接入与智能控制系统、集成管理与服务平台。接入与智能控制系统集成了观测数据的统一表达和存储、观测数据时空关联获取、水质设备多任务冲突避免机制、以及统一的控制命令与设备相关命令间的转换、水质采样时间和周期的调整、远程通信中断时的数据保护。本发明根据用户需求，远程调整水质做样周期和时间，实时获取前端水质监测设备的仪器状态与工作状态，使得维护人员能及时、高效地维护设备，避免人力资源浪费；防止水质监测设备多任务冲突发生，保证设备稳定、安全运行；统一接入服务平台，屏蔽了水质监测设备的差异性，能为用户提供统一模式的数据服务。

Description

分布式水质监测设备在线统一管理与控制系统及方法

技术领域

本发明属于智能微系统的集成和应用技术领域，具体涉及一种分布式水质监测设备在线统一管理与控制系统及方法。

背景技术

生态环境中，水是人们生产生活中不可或缺的物质，水质的好坏直接影响到人们的生活。随着社会的高速发展，对生活环境产生了严重的破坏，水质环境也日趋恶化。保护自然，保护水质是一个迫在眉睫的急需解决的问题。

早期，监测水质还只是通过人工取样检测的方式来进行，这种方式不仅成本高，耗时长，而且检测的数据较为有限、不够全面，无法连续取样监测，不利于分析；之后出现了机器自动做样的方式，节省人工成本，效率也提高了，但是仍然需要人工定期的、无任何依据地维护设备；现阶段，已出现了通过互联网远程控制水质监测设备，获取测量数据，查询设备状态的方式，自动化程度有了明显的提高。

但是，现阶段，大部分厂家水质监测设备通过人工设定监测周期，在固定的时间点进行做样和测量，通过互联网，只能回传测量数据，不能根据需求灵活调整水质监测的时间点和做样周期。设备维护，大都根据经验维护水质监测设备，不能做到根据设备的运行状态，及时、高效地处理设备故障、补充监测用试剂。并且，现有水质监测设备的数据和状态信息，大都缺乏与时空信息的关联，面对大型水域的监测，或深度数据分析时，难以提供有效的实测数据支撑。再者，各个厂家的水质测量方法不同，数据格式不统一、远程通信协议差异也很大，这种独立性妨碍了数据共享和高效利用。现有的水质自动监测设备大都采用点对点的数据传输方式，对于通信网络不稳定、中断等现象，缺乏有效应对措施，无法保障观测数据的安全性。目前，也还没有一种有效的方法，实现对分布的、独立的各类水质监测设备的统一、集成管理，数据的统一共享，无法对水质的科学研究提供智能的、有效的时空关联监测数据。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种分布式水质监测设备在线统一管理与控制系统及方法。

本发明的系统所采用的技术方案是：一种分布式水质监测设备在线统一管理与控制系统，其特征在于：由集成管理与服务平台、接入与控制系统、水质监测设备组成；

所述接入与控制系统翻译来自所述集成管理与服务平台的命令，转换为所述水质监测设备能够响应的指令，更新设备操作模式；所述接入与控制系统周期性的获取所述水质监测设备状态数据，对所述水质监测设备上传的水质监测数据，进行解析、存储、统一建模，封装为统一的数据包格式后上传至所述集成管理与服务平台；

所述集成管理与服务平台对收到的数据进行统一的数据包解析，然后将数据储存在数据库，基于这些数据，提供各种数据服务，并且根据数据库中的设备状态数据，对水质监测设备的故障进行告警；所述集成管理与服务平台对数据进行数据分析，判断是否对水质监测设备调整监测方案，适时地向所述接入与控制系统发出命令，对水质监测设备的采样方案进行调整；

所述水质监测设备及时响应所述接入与控制系统的控制命令，获取水质监测数据，上传监测数据至所述接入与控制系统。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种分布式水质监测设备在线统一管理与控制方法，其特征在于：包括水质采样方案智能调整方法、水质监测设备多任务冲突避免方法、水质监测数据安全传输方法；

所述水质采样方案智能调整方法，具体实现过程是：接入与控制系统预先在本地存储若干套水质监测方案，用来指定水质监测的时间点和监测频率，每套水质监测方案赋予唯一编号；集成管理与服务平台将水质监测设备取样方案存入本地数据库，当接到接入与控制控制系统的请求命令时，将代表水质监测方案的编号发送给接入与控制系统，接入与控制控制系统在根据校验数据包检测数据传输无误的情况下，将水质监测方案存入本地数据库，并根据此水质监测方案对水质监测设备进行采样时间和周期控制；若接入与控制系统由于网络原因无法访问集成管理与服务平台，则根据最后一次更新的水质监测方案，独立监测；

所述水质监测设备多任务冲突避免方法，具体实现过程是：接入与控制系统在触发水质监测设备做样前，首先读取本地数据库中做样方案，然后结合系统时间判断当前时间是否处于该方案中的水质做样时段，在做样时段内，系统读取水质监测设备工作状态(缺少试剂C，缺少取样等)和设备状态(测量、暂停、或不能工作等)，若水质监测设备处于工作状态，或是处于设备检测试剂缺失、设备异常状态，则停止触发水质监测设备工作；若水质监测设备正常，则触发水质监测设备做样或标定；

所述水质监测数据安全传输方法，具体实现过程是：每条存储在接入与控制系统水质数据都含有标记字段flag，flag为1表示此条数据已经成功传给集成管理与服务平台，为0则表示未传输或者未成功传输；接入与控制系统传输数据时，首先遍历本地测量数据表，找出字段flag＝0的所有数据形成结界集，然后依次取出每条数据，打包传输给集成管理与服务平台，然后，等待集成管理与服务平台的回复，若收到集成管理与服务平台对该接收数据的确认，则在数据表中修改该条数据的flag为1，若未收到回传的确认信息，用于累计本次数据传输过程失败次数的变量S则从0开始累加，失败一次加1；若S达到最大边界值bound时，则本次数据传输结束。

本发明的优点是：

1.本发明中，针对水质监测设备的异构性、监测数据格式繁杂、设备集成管理困难，设备控制和维护低效率的问题，设计了一个水质监测设备统一接入和管理系统框架，在该框架内，通过建立水质监测设备和数据模型，统一描述水质监测数据和对水质监测设备的控制命令；设计了接入与控制系统，屏蔽了前端水质监测设备、数据传输协议多样性和异构性，实现了集成管理与服务平台和接入与智能控制系统之间数据和命令的统一，集成管理与服务平台对水质监测设备的管理和控制，无需考虑设备和通信协议的差异性，发送统一的控制命令至接入与智能控制系统，再由接入与智能控制系统将命令转换成设备操作命令，更新设备的运行。水质监测设备采集的数据经过接入与智能控制系统转换成统一的数据格式，发送至集成管理与服务平台。框架内的各个组成成分，既相互独立，又松散耦合，易于扩展、灵活、高效。

2.本发明中，针对水质测量数据在传输过程中可能出现的数据包丢失问题，在接入与智能控制系统中设计了一种基于数据库的数据保护机制，该机制无需像传统通信那样过度依赖通信链路，在网络断连的情况下，数据依然会存储在分布式系统的数据库中，对未成功传输的数据进行标记。接入与智能控制系统会周期性轮询网络状态和数据库，发现网络连接正常后，进行数据的断点续传，保证了数据的完整性和可靠性。

在定期轮询网络状态期间，由于通过轮询网络状态，只能判断出接入与控制系统与远程集成管理与服务平台的服务器的socket通信链路是否连接，无法判断当前网络的稳定性，此机制还提供了一种间接判断网络通信稳定性的方法，对本次数据传输进行预判处理，提高了数据传输的执行效率。此外，接入与控制系统会保留当前时间之前的1个月监测数据，虽然，这些历史数据的大部分都已经成功传输给远程服务平台，但是，考虑到远程集成管理与服务平台可能出现意外，造成数据丢失，在接入与控制系统做部分历史数据备份，并每日清理超时限历史数据，该机制为数据安全，提供了进一步保护。

3.本发明中，针对由于水质采集频率固定导致数据采集过频或者过少的问题，提出了一种水质采样方案智能调整方法。水质监测的过程，集成管理与服务平台根据实际的监测数据波动和具体的用户需求调整水质监测方案。接入与控制系统通过定时接收集成管理与服务平台命令的方式，获取最新水质监测方案，更新水质监测设备的采样周期。服务平台可以根据水质指标变化的波动情况灵活选择水质监测方案，若近期的水质监测数据波动较大，则加大水质检测频率，这样，可以更加清晰的监测到水质的变化，为预防水质急剧恶化前提供及时、有效的数据支撑；若数值波动比较平缓，则可减小水质检测频率，减少了各种试剂的消耗，和其它资源的浪费。此外，考虑到部分水质指标会受到温度、光照等外在因素影响，服务平台也可以设置合适的采样时间点，由接入与控制系统在设定的时间启动水质监测设备做样，使得水质监测数据具有代表性。

附图说明

图1是本发明实施例的系统架构图；

图2是本发明实施例的水质监测站系统结构图；

图3是本发明实施例的水质数据的元数据模型图；

图4是本发明实施例的水质设备类信息的UML(Unified Modeling Language)数据模型图；

图5是本发明实施例的空间类信息UML模型图；

图6是本发明实施例的水质设备状态信息UML模型图；

图7是本发明实施例的水质监测测量信息UML模型图；

图8是本发明实施例的水质测量数据统一接入元数据模型；

图9是本发明实施例的水质设备状态数据统一接入元数据模型；

图10是本发明实施例的水质采样方案智能调整方法流程图；

图11是本发明实施例的水质监测设备多任务冲突避免方法流程图；

图12是本发明实施例的水质监测数据安全传输方法流程图；

图13是本发明实施例的集成管理与服务平台的软件层次设计图；

图14是本发明实施例的系统E-R实体关系模型图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施示例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出一个分布式水质监测设备统一集成管理架构，和水质监测设备统一接入与智能控制系统。设计了一个3层分布式水质监测设备统一集成管理架构，从下到上分别包括：水质监测设备、接入与控制系统、集成管理与服务平台。接入与控制系统集成了观测数据的统一表达和存储、观测数据时空关联获取、水质监测设备多任务冲突避免机制、以及统一的控制命令与设备相关命令间的转换、水质采样时间和周期的调整、远程通信中断时的数据保护。在集成管理架构下，集成管理与服务平台能根据用户需求，远程调整水质做样周期和时间；也能实时获取前端水质监测设备的设备状态与设备工作状态，使得维护人员能及时、高效地维护设备，避免人力资源浪费；防止水质监测设备多任务冲突发生，保证设备稳定、安全运行；通过安全通信协议，确保观测数据无遗漏地传输至集成管理与服务平台；分布式水质监测数据统一接入服务平台，屏蔽了水质监测设备的差异性，能为用户提供统一模式的数据服务。

图1是分布式水质监测设备在线统一管理和控制系统整体架构图。自上而下将整个架构分为三层：集成管理与服务平台，接入与控制系统，水质监测设备。

1)接入与控制系统。接入与控制系统是整个架构的核心，它主要实现了两块功能：数据的统一，命令的统一。接入与控制系统处于整个架构的中间层，面向上一层，接收和响应上层命令，而且，对从下层获取的各类水质数据进行统一建模，封装为统一的数据包格式后上传至集成管理与服务平台；面向下一层，翻译来自上层的命令，转换为底层水质监测设备能够响应的指令，更新设备操作模式，并且，周期性的获取底层设备状态数据，对底层设备回传的水质监测数据，进行解析、存储。通过建立一套水质监测元数据模型，统一描述不同水质监测设备和数据，采用描述语言UML(Unified Modeling Language)来描述水质监测元数据模型，规范水质监测元素的定义和水质元素的结构。

2)集成管理与服务平台。集成管理与服务平台处于整个架构最上层，它采用集中管理模式，将众多分布式站点集成于一个整体。集成管理与服务平台进行用户注册，数据订阅等操作，数据以web浏览和web service技术方式呈现给用户。由于接入与控制系统实现了数据和命令的统一，集成管理与服务平台对收到的数据进行统一的数据包解析，然后将数据储存在数据库，基于这些数据，提供各种数据服务，并且根据数据库中的设备状态数据，对前端水质监测设备的故障进行告警，此外，集成管理与服务平台会对数据进行数据分析，判断是否对水质监测设备调整监测方案(包括：监测时间调整、监测周期调整或者时间和周期一起调整)，适时地向接入与控制系统发出命令，对水质监测设备的采样方案进行调整。

3)水质监测设备。水质监测设备是整个水质监测的执行者，它能够及时响应接入与控制系统的控制命令，获取水质监测数据，上传监测数据至接入与控制系统。接入与控制系统在主从模式下或周期模式下，从水质监测设备获取数据。主从模式是指接入与控制系统先向水质监测设备发送命令，然后水质监测设备响应命令，将相关水质信息回传。周期模式是指水质监测设备单向周期性的向接入与控制系统传输水质数据信息包。两种模式下，水质监测设备都可以做到向上层及时上传设备状态和水质测量数据。

国内现有的水质监测设备厂商众多，在整个架构中，前端接入与控制系统和各监测设备的连接方式有RS485总线，RS232总线，网口线等。不仅监测不同环境要素的设备通信接口存在差异性，而且，监测同一水质要素的设备也会因为厂家或者生产批次的原因，导致设备通信接口和协议不同。目前主要的数据传输接口有RS232、RS485、网口，主要的数据传输协议有MODBUS协议、PROFIBUS协议、TCP/IP网络传输协议，以及厂商自定义协议。众多接口和协议给设备带来了异构性，这样的情况下，水质数据若是不经过接入与控制系统处理，直接向集成管理与服务平台交付不同格式数据包，数据呈现复杂性和异构性，不利于远程集成管理与服务平台进行数据解析，管理和维护。因此，在本发明中，水质监测设备的所有数据都经由接入与控制系统，将采集到的数据都转换为统一的数据格式。另外，分布式水质监测站点和集成管理与服务平台之间的命令交互也进行统一，由接入与控制系统屏蔽了异构性。在该框架下，不仅水质监测设备具有可拓展性，水质监测站点也具有可拓展性，设备管理、操作控制和数据共享都是高效、及时的。

图2是本系统结构图，它包括：接入与控制系统和水质监测设备。接入与控制系统由嵌入式开发板，显示屏，外置SD卡，GPS模块，通信模块构成。其中嵌入式开发板是控制核心模块，主要控制水质数据的采集、解析、存储、和传输，触发水质监测设备做样；显示屏采用高清触摸屏，显示界面采用QT技术设计，根据定时器发出的信息，更新显示的数据和时间，为用户提供很好的可视化界面；外置SD卡用于存储水质监测数据，具有大容量、高性能、安全等多种特点，在嵌入式开发板文件系统意外损坏的情况下，SD卡中数据不会因此丢失，在通信网络断连的情况下，可以继续保存数据，网络连接后数据立即回传，为水质数据的可靠传输提供了硬件支撑；GPS模块用于采集空间地理信息，用于标注水质监测数据的空间位置；通信模块用于接入与控制系统和集成管理与服务平台之间的数据通信，除了选择GPRS无线传输模块外，还可以是WIFI模块、以太网，具体选择，依据水质监测站的环境来确定，GPRS无线传输模块主要用于缺少有线网络通信的地方。

水质监测设备，即可以是单独的水质监测设备，也可以是通过总线连接起来的多个水质监测设备。水质监测设备用来检测水质参数，根据检测技术手段来划分，有三大类：物理性指标类传感器、化学性指标类传感器、生物性指标类传感器。水质监测对象有：温度、色度、浑浊度、总磷、总氮、生物化学需氧量、化学需氧量、和重金属。此外，为了方便信息的挖掘和分析，水质监测数据生成时，接入与控制系统在采集水质监测数据的同时，也会获取水位和水流速，以及GPS信息和开发板系统时钟信息，为水质数据带上水文和时空两种环境信息标签。

接入与控制系统周期性的获取所述水质监测设备状态数据，对水质监测设备上传的水质监测数据，进行解析、存储、统一建立元数据模型，封装为统一的数据包格式后上传至所述集成管理与服务平台；

水质监测设备众多，接口协议互异，为实现水质数据的统一，需要创建水质监测设备和监测数据的元数据模型。元数据模型包括水质监测设备的元数据模型、水质监测设备状态信息的元数据模型、水质监测数据信息的元数据模型。

图3是显示水质监测设备的元数据模型，采用UML类图的格式表示该元数据模型。该模型分为两大元数据类，包括：水质监测设备类信息和空间类信息，每个元数据类又包含多个元数据属性。两个属性类的详细描述如下：

1)图4描述了水质监测设备类信息。水质监测设备类信息定义了设备与测量相关的要素信息，包括：测量属性、厂商、出厂型号、测量量程、测量方法、测量值精度。接入与控制系统根据测量属性对监测设备进行区分，根据量程分析实际测量值的可靠性判断数据是否是正常，根据精确度可以对数据进行误差分析。

2)图5描述了空间类信息。时空信息包括水质监测站所在区域的地理位置，站点编号。位置信息通过GPS获取，包括：经度信息、维度信息、海拔高度信息。水质监测站编码包括：区域名、区域编码和区域内的站点编号，用“区域编号+站点编号”区分水质监测站，GPS信息则给出了水质监测站详细的地理位置信息。空间地理信息标识了监测水域的地理位置。

水质监测设备和空间地理位置信息属于变化缓慢的信息，水质监测设备状态信息和水质监测数据则是时变信息。水质监测设备状态信息和水质监测数据信息的统一建模说明如下。

1)水质监测设备状态信息的结构图如图6所示，其数据字典如表1所示。水质监测设备状态信息分为两大类：水质监测设备状态，水质监测设备运行状态。这些信息反映了水质监测设备及其运行时的状态，集成管理与服务平台通过接入与控制系统传输的水质监测设备状态信息，可以知道当前水质监测设备状态和设备运行状态。当出现检测试剂缺失，或者设备不做样时，服务平台可以推送信息给维护人员，快速地处理故障。另一方面，在水质触发做样前，接入与控制系统通过获取的设备状态信息判断设备是否能够被触发做样，可以防止由于外在人为因素导致的水质监测设备多任务冲突问题。

表1 水质监测状态信息数据字典

2)水质测量数据信息的元数据模型如图7所示，其数据字典如表2所示。测量数据信息类定义了数据产生时间、测量数据值、数据产生地理位置和对应的设备。水质监测数据包括：总磷、总氮、化学含氧量，接入与控制系统在获取到测量数据后，结合量程进行分析，判断数据是否正常，正常情况下，以统一的格式上传数据至服务平台。

表2 水质监测测量信息数据字典

完整的元数据模型统一规范了水质监测数据、水质状态数据的描述。接入与控制系统需要从水质元数据模型中，提取动态信息及其相关的时空、设备和站点信息，封装成统一的数据包，上传至集成管理与服务平台。根据数据、命令和状态信息的传输需求，接入与控制系统中动态数据包包含三类包，测量数据包、设备状态包和命令包。

1)测量数据包。从图3元模型中提取动态数据，构建数据包，用于接入与控制系统向集成管理与服务平台发送水质监测设备的测量数据。图8是用于水质测量数据统一接入的元数据模型。在该模型中元数据包括区域编号，站点编号，测量属性，测量时间，测量数值，对量程的判断，以及空间地理信息。数据包的传输格式如表3，该数据包除了选取图8所描述的元数据信息外，添加了该条水质数据在接入与控制系统数据库中的ID编号，用于集成管理与服务平台对接收数据确认的回复，添加了数据包编号，用于区分数据包类型。各分布式水质监测站点接入与控制系统采用表3格式，通过JSON格式封装从各个连接设备采集的测量数据，然后转换为字节流形式，上传给集成管理与服务平台，集成管理与服务平台将数据包校验无误时，以JSON文本存储，然后进行数据提取、解析、存储。此方案解决了数据接入繁杂，解析维护困难的问题。

水质数据数据包用机器可读的JSON格式封装打包。JSON文件文本实例如下，它包含大理市弥苴河站点总磷指标的相关数据信息。

表3 水质测量数据统一接入数据包

(2)水质状态数据包。图9描述水质监测设备状态数据统一接入的元数据模型。表4是状态数据包的传输格式。整个数据包包括区域编号，站点编号，测量属性，状态产生时间，设备状态，设备当前运行状态，设备警告编号等信息。接入与控制系统通过上传此状态数据包，向用户及维护人员全面的呈现整个水质监测的运行状态和仪器自身状态。

表4 水质设备状态数据统一接入数据包

2)命令包。通过建立统一的接入与控制系统和集成管理与服务平台之间的交互命令，实现了集成管理与服务平台远程对各分布式水质监测站点的无差别控制，同时，对于来自接入与控制系统的命令，集成管理与服务平台可以统一识别和处理。从命令发起者的角度，将命令也分为两类：接入与控制系统发起的命令，集成管理与服务平台发起的命令，命令之间通过命令编号区分。详细说明如下。

(1)接入与控制系统发起的命令。分布式水质监测站点在进行水质监测的过程中，接入与控制系统需要向上层服务平台发请求命令，请求服务平台发出参数，对自身进行工作状态更新、时间的校正，实现整个系统的信息同步。比如系统时间，水质监测方案调整。表5是对交互命令的抽象表达，它的主要作用是为了从服务平台获取相关参数信息。该命令由区域编号、站点编号、命令编号、数据域、校验码组成。在从接入与控制系统向上层服务平台发出请求类命令时，因为不需要携带数据，命令中数据域为null，而服务平台向接入与控制系统回复命令中，则包含此数据域，比如，对获取水质监测方案的命令，回复命令的数据域为水质监测方案编号；对获取互联网时间的命令，回复命令的数据域为时间戳形式的字符串。各类信息请求命令之间通过命令编号进行区分。

表5 接入与控制系统统一命令模型

(2)集成管理与服务平台发起的命令。集成管理与服务平台发起的命令主要用于获取水质监测，对有疑问水质监测数据进行再次确认。表6是集成管理与服务平台发出命令的模型，包含区域编号、站点编号、命令编号、数据域、校验码。其中，数据重复获取请求命令的数据域由数据条数和水质监测数据起始日期组成，通过该命令可以再次获取接入与控制系统从该起始日期开始的、约定数目的水质监测数据。

表6 集成管理与服务平台端统一命令模型

水质智能监测控制方法主要体现在三块：水质采样方案智能调整，水质监测设备多任务冲突避免机制，水质监测数据安全传输机制，下面通过三个控制流程图进行逐一说明。

1)图10是本发明中水质采样方案智能调整流程图。接入与控制系统预先在本地存储了多套水质监测方案，用来指定水质监测的时间点和监测频率，每套水质监测方案都有自己的唯一编号。水质监测方案的变更决策来源用户，变更命令则来源于集成管理与服务平台。接入与控制系统需要定期访问集成管理与服务平台，获取最新的水质监测方案，调整当前的监测。集成管理与服务平台也可以根据分析实际数据，调整监测方案，在水域水质变化大时，加强监测密度，细化水质变化过程；在水域水质变化小时，缩小水质监测频率，节省水质监测试剂。集成管理与服务平台将水质监测设备取样方案存入本地数据库，当接到接入与控制控制系统的请求命令时，将代表水质监测方案的编号发送给接入与控制系统，然后，接入与控制控制系统在根据校验数据包检测数据传输无误的情况下，将监测方案存入本地数据库，并根据此方案调整监测周期。若接入与控制系统，由于网络原因，无法访问集成管理与服务平台，则根据最后一次更新的水质监测方案，独立监测。该智能调整方案不仅使得水质监测的周期和时间点更加灵活，而且，也使水质监测站在网络中断情况下能够独立运行。

2)图11是本发明中水质监测设备多任务冲突避免机制流程图。一台水质监测设备一次只能执行一个任务，比如水质触发做样、标定、或清洗，不能同时进行多个任务，一方面可以通过串口命令控制的形式要求它做一任务，另一方面也可以通过人工操作界面命令设备做另一任务，由于任务启动方式多样，存在发生任务冲突风险，会导致系统工作异常。图11来说明水质监测设备任务冲突避免机制。接入与控制系统在触发水质监测设备做样前，首先读取本地数据库中做样方案，然后，结合开发板的系统时间判断当前时间是否处于该方案中的水质做样时段，在做样时段内，系统读取水质监测设备工作状态和设备状态，若水质监测设备处于工作状态，或是处于设备检测试剂缺失、设备异常状态，则停止触发水质监测设备工作；若设备正常，则触发水质监测设备做样或标定。通过这种机制，避免外在人为因素或设备状态因素导致的任务冲突和接入与控制系统触发无效的情况，保障了水质监测的安全性和有效性。

3)图12是本发明中监测数据安全传输机制流程图，此机制的作用是确保水质监测获取的数据能够成功传往集成管理与服务平台。每条存储在接入与控制系统水质数据都含有标记字段flag，flag为1表示此条数据已经成功传给集成管理与服务平台，为0则表示未传输或者未成功传输。接入与控制系统传输数据时，首先遍历测量数据表，找出字段flag＝0的所有数据形成结界集，然后依次取出每条数据，按照表2格式打包，传输给集成管理与服务平台，然后，等待集成管理与服务平台的回复，若收到集成管理与服务平台对该接收数据的确认，则在数据表中修改该条数据的flag为1，若未收到回传的确认信息，用于累计本次数据传输过程失败次数的变量S则从0开始累加，失败一次，加1。若S达到最大边界值bound时，则本次数据传输结束。为了数据安全，接入与控制系统会保留最近一段时间的历史数据，作为集成管理与服务平台的数据备份，当集成管理与服务平台出现问题时，还能回传最近一段时间的数据至服务平台。接入与控制系统定期删除历史数据，在删除数据前，读取本地系统时间，只对一个月以前的保留水质数据进行清除，删除数据表中一个月以前的所有flag为1数据，flag为0数据，则继续保留，等待下次通信链路回复后传输。

在此机制中还提供了一种判断当前网络通信稳定性的方法。数据在传输期间，通过查询网络状态，只能判断出接入与控制系统与远程服务器的socket通信链路是否连接，无法判断当前网络的稳定性。该机制中设定了两个变量S和bound，S是用累计本次数据传输过程失败的次数，bound是本次数据传输过程中允许失败次数的最大边界值，通过将边界值bound与累计失败次数S相比较，达到间接判定当前网络稳定性的目的。若本次累计交互失败次数S达到最大边界值bound，说明当前网络状况不佳，结束本次数据传输过程，等待下一次周期性数据传输；反之，则允许接入与控制系统继续尝试进行水质监测数据的传输。通过这种累计判断方法，提高了数据传输的可靠性。另外，此机制允许接入与控制系统和集成管理与服务平台在网络中断情况下，各自能够继续独立运行，等到网络重新连接后，及时回传数据，确保数据安全。

图13是本发明中集成管理与服务平台的软件层次设计图。集成管理与服务平台服务器采用了MVC(Model View Controller)设计模式，在图13中，将软件层次分为两层：逻辑与显示层，数据层。逻辑与显示层实现了数据订阅，数据查询，数据交互，质量控制，用户管理等功能，为用户提供可靠的数据服务。逻辑与显示层包含视图，控制器，和模型实体三块。视图主要为用户提供模型的展示，是程序和用户的交互界面，用户可以通过交互界面输入数据，也可以通过交互界面查看提交表单后的执行结果。控制器负责对用户的输入做出反应，管理用户和视图的交互，是连接模型和视图的枢纽。模型实体是整个应用程序的核心，负责管理这个模型中的数据和值，可以和数据层中数据库进行交互，向控制器提供数据支持。数据层可以对数据库直接进行数据的增加，删除，查找，修改操作，实现了数据采集，数据解析，数据存储等功能，主要存储了系统的用户信息、各个水质监测站点的基础信息以及水质观测数据信息，为逻辑与显示层的数据调用提供支持。

图14是本发明中水质监测系统E-R实体关系模型图。该模型图反映了各实体之间的关联关系，它包括四个实体：用户，集成管理与服务平台，接入与控制系统，水质监测设备。每个实体都要有自己的属性，并且相互关联。用户对整个水质监测系统进行控制，包括采样周期调整，时钟校正，数据查询；集成管理与服务平台对前端分布式水质监测设备进行统一接入与管理；接入与控制系统向集成管理与服务平台提供统一的数据接口，向下对水质监测设备进行直接管理，包括对前端水质监测设备的设备状态和仪器试剂状态检查，触发监测，数据采集；水质设备实体对水质设备检测要素进行监测，包括化学耗氧量(COD)、总磷(TP)、总氮(TN)等水质要素，水位、流速等水文要素，和GPS空间位置要素的采集。

本发明提出的一种水质监测设备统一接入与控制终端设备。在接入与控制系统内，对接入的异构水质监测设备信息统一标识，通过建立水质监测设备和监测信息的统一元数据模型，方便接入与控制系统与远程集成管理与服务平台服务器的交互，也有利于异构水质监测设备集成管理，并且，水质监测数据附上了时间和地理位置信息，在分析大型水域时，能更精准的把握整个水域的情况；在接入与控制系统，实现了水质采样的智能调整方案，观测数据的安全传输机制，控制时钟的校正，水质设备异常状态检测和监测数据异常信息自检；接入与控制系统也能实时获取水质设备的测量数据和状态数据，为智能、高效地维护设备提供了支撑数据；另外服务系统向用户提供了数据接入、数据共享和数据定制等服务，能够依据不同用户的需求控制水质监测设备的运行，向用户提供统一的水质数据服务。在本发明框架下，各个水质监测系统既能单独运行，也能集成起来，具有很强的扩展性和灵活性，具有广泛的应用前景。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种分布式水质监测设备在线统一管理与控制系统，其特征在于：由集成管理与服务平台、接入与控制系统、水质监测设备组成；

所述接入与控制系统翻译来自所述集成管理与服务平台的命令，转换为所述水质监测设备能够响应的指令，更新设备操作模式；所述接入与控制系统周期性的获取所述水质监测设备状态数据，对所述水质监测设备上传的水质监测数据，进行解析、存储、统一建模，封装为统一的数据包格式后上传至所述集成管理与服务平台；

所述集成管理与服务平台对收到的数据进行统一的数据包解析，然后将数据储存在数据库，基于这些数据，提供各种数据服务，并且根据数据库中的设备状态数据，对水质监测设备的故障进行告警；所述集成管理与服务平台对数据进行数据分析，判断是否对水质监测设备调整监测方案，适时地向所述接入与控制系统发出命令，对水质监测设备的采样方案进行调整；

所述水质监测设备及时响应所述接入与控制系统的控制命令，获取水质监测数据，上传监测数据至所述接入与控制系统。

2.根据权利要求1所述的分布式水质监测设备在线统一管理与控制系统，其特征在于：所述接入与控制系统由嵌入式开发板、显示屏、数据存储器、GPS模块、通信单元组成；所述嵌入式开发板用于控制水质数据的采集、解析、存储和传输，触发水质监测设备做样，在读取水质监测数据的同时，读取开发板的系统时钟和GPS模块的地理位置数据，用于标注水质数据的时空信息，对水质时空关联数据、状态数据和设备工作状态数据，进行解析、存储、统一建模，封装为统一的数据包格；所诉显示屏根据定时器发出的信息，更新显示水质测量数据、设备状态信息和时间，为用户提供可视化界面；所述数据存储器用于存储水质监测时空关联数据；所述GPS模块用来获取地理位置信息，为水质监测数据提供空间标识信息；所述通信单元用于接入与控制系统和集成管理与服务平台之间的数据通信，上传数据至集成管理与服务平台，接收来自集成管理与服务平台的命令。

3.根据权利要求1所述的分布式水质监测设备在线统一管理与控制系统，其特征在于：所述水质监测设备包括物理性指标类采集传感器、化学性指标类采集传感器、生物性指标类采集传感器。

4.一种分布式水质监测设备在线统一管理与控制方法，其特征在于：包括水质采样方案智能调整方法、水质监测设备多任务冲突避免方法、水质监测数据安全传输方法；

所述水质采样方案智能调整方法，具体实现过程是：接入与控制系统预先在本地存储若干套水质监测方案，用来指定水质监测的时间点和监测频率，每套水质监测方案赋予唯一编号；集成管理与服务平台将水质监测设备取样方案存入本地数据库，当接到接入与控制控制系统的请求命令时，将代表水质监测方案的编号发送给接入与控制系统，接入与控制控制系统在根据校验数据包检测数据传输无误的情况下，将水质监测方案存入本地数据库，并根据此水质监测方案对水质监测设备进行采样时间和周期控制；若接入与控制系统由于网络原因无法访问集成管理与服务平台，则根据最后一次更新的水质监测方案，独立监测；

所述水质监测设备多任务冲突避免方法，具体实现过程是：接入与控制系统在触发水质监测设备做样前，首先读取本地数据库中做样方案，然后结合系统时间判断当前时间是否处于该方案中的水质做样时段，在做样时段内，系统读取水质监测设备工作状态和设备状态，若水质监测设备处于工作状态，或是处于设备检测试剂缺失、设备异常状态，则停止触发水质监测设备工作；若水质监测设备正常，则触发水质监测设备做样或标定；

所述水质监测数据安全传输方法，具体实现过程是：每条存储在接入与控制系统水质数据都含有标记字段flag，flag为1表示此条数据已经成功传给集成管理与服务平台，为0则表示未传输或者未成功传输；接入与控制系统传输数据时，首先遍历本地测量数据表，找出字段flag＝0的所有数据形成结界集，然后依次取出每条数据，打包传输给集成管理与服务平台，然后，等待集成管理与服务平台的回复，若收到集成管理与服务平台对该接收数据的确认，则在数据表中修改该条数据的flag为1，若未收到回传的确认信息，用于累计本次数据传输过程失败次数的变量S则从0开始累加，失败一次加1；若S达到最大边界值bound时，则本次数据传输结束。

5.根据权利要求4所述的分布式水质监测设备在线统一管理与控制方法，其特征在于：接入与控制系统周期性的获取所述水质监测数据、水质设备工作状态和设备状态数据，对水质监测设备回传的三类数据，进行解析、存储、统一建立元数据模型，封装为统一的数据包格式后上传至所述集成管理与服务平台；

所述元数据模型包括水质监测设备的元数据模型、水质监测设备状态信息的元数据模型、水质监测数据信息的元数据模型。

6.根据权利要求5所述的分布式水质监测设备在线统一管理与控制方法，其特征在于：所述水质监测设备的元数据模型包括两大元数据类，每个元数据类又包含多个元数据属性；所述两大元数据类为水质监测设备类信息和空间类信息；

所述水质监测设备类信息定义了水质监测设备与测量相关的要素信息，包括：测量属性、厂商、出厂型号、测量量程、测量方法、测量值精度；接入与控制系统根据测量属性对水质监测设备进行区分，根据测量量程分析实际测量值的可靠性判断数据是否是正常，根据测量值精度对数据进行误差分析；

所述空间类信息包括水质监测站所在区域的地理位置，站点编号；位置信息通过GPS模块获取，包括：经度信息、维度信息、海拔高度信息；水质监测站编码包括：区域名、区域编码和区域内的站点编号，用“区域编号+站点编号”区分水质监测站。

7.根据权利要求5所述的分布式水质监测设备在线统一管理与控制方法，其特征在于，所述水质监测设备状态信息的元数据模型，其数据字典为：

8.根据权利要求5所述的分布式水质监测设备在线统一管理与控制方法，其特征在于，所述水质监测数据信息的元数据模型，其数据字典为：

9.根据权利要求5所述的分布式水质监测设备在线统一管理与控制方法，其特征在于：所述统一的数据包包含三类包，测量数据包、设备状态包和命令包；

所述测量数据包包含区域编号、站点编号、测量属性、测量时间、测量数值、对量程的判断、空间地理信息；所述空间地理信息包括经度方向、经度、纬度方向、纬度、海波高度；

所述设备状态包包含区域编号、站点编号、测量属性、状态产生时间、设备状态、设备当前运行状态、设备警告编号；

所述命令包包含接入与控制系统发起的命令、集成管理与服务平台发起的命令，命令之间通过命令编号区分；所述命令包包含区域编号、站点编号、命令编号、数据域、校验码。