论文总字数：22395字

目 录

1. 绪论 1

1.1研究目的和意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3主要硬、软件介绍 4

1.3.1硬件介绍 4

1.3.2软件介绍 4

1.4本文的主要工作 5

2. 环境监测浮标远程通信系统功能分析 6

2.1系统总体概述 6

2.2系统硬件介绍 6

2.3系统软件介绍 7

3.系统软件设计 8

3.1软件设计方案 8

3.2 C#控件介绍 9

3.2.1控件SerialPort 9

3.2.2控件DataGridView 10

3.2.3控件SaveFileDialog 10

3.2.4开源控件LxLedControl 11

3.2.5控件WebBrowser 11

3.3软件设计实现 11

3.3.1系统设置模块 11

3.3.2主界面模块 14

3.3.3波形显示模块 18

3.3.4数据库模块 21

3.3.5通信协议 23

3.3.6数据处理 24

4.系统测试 27

5.总结与展望 36

致谢 38

环境监测浮标远程通信系统的研究

侍海峰

，China

Abstract: Buoy is a kind of modernized observation device, which can reliably provide full-time and full-weather environmental information collection. In this paper, the remote communication system for environment monitoring buoy is studied. The monitor data are measured using various sensors installed on buoy, which are transmitted via radio stations to the PC end of the ground monitoring station to be analyzed and processed by the the host computer. This system can realize long-time monitoring function with high precision.

Key words: water quality inspection; industrial computer; radio

绪论

1.1研究目的和意义

随着社会的发展，人们的生活水平提高，对环境质量的要求也越来越高，尤其是与生活息息相关的水资源。由于人类的生产活动，大量的生活污水、工农业废水进入江河等水域，造成了水体污染。

很长一段时间，我国针对河流、海洋等水体的环境监测大多采用人工采样，再回到实验室中分析的方法，这种监测方法时效性差、周期太长，难以及时反映水体状况。近几年，我国在监测站方面的建设取得了很大的进步，但是，目前已投入使用的关于水体环境监测站的监测系统大多使用大型分析仪器，体积庞大，造价高，监测受到限制。

本文介绍了一种环境监测浮标远程通信系统以浮标为载体，搭载气象等多种传感器。通过电台将浮标上传感器监测到的数据传送到地面监测站点，上位机接收到数据进行数据的显示、分析、处理。通过电台实现数据的传输和远程处理。该系统可用于湖泊、河流等水体大面积、多参数的长期连续监测。

1.2国内外研究现状

国外关于水体的环境监测浮标的发展历史悠久，再加上先进的科学技术，因此国外对此的研究具有很好的代表性。

（1）通用型海洋浮标监测的技术已经较为成熟，功能多、准确度高、稳定性好，在多个沿海国家已投入长期使用。该技术应用的代表是美国的国家资料浮标中心，它将海洋资料浮标投放到多片水域，锚系浮标包含了从12m到15m直径的多种型号，如图1-1所示，长期工作于海上，提供了大量珍贵的海洋数据。

图1-1 锚系浮标系列

（2）专用型浮标，以海上风剖面浮标为例，它用来测量海上低空的风场剖面，代表成果是2009年加拿大AXYS生产的WindSentinel，如图1-2所示，通过搭载机关雷达实现底层风剖面的监测。

图1-2 加拿大AXYS产品

总的来看，国外关于水体的环境监测浮标技术处于领先水平，技术先进，而且观测精度高、功能齐全，许多产品都已投入长期工作阶段。

我国水体环境浮标观测技术的发展起步较晚，但经过长期的研究发展，取得了不错的成果，基本达到产品化阶段。

（1）我国的第一个海洋资料浮标是船型结构，如图1-3所示，目前，该产品直径已经从10m降低到3m，如图1-4所示，基本满足海上监测的需求。

图1-3 船型浮标

图1-4 3m浮标

（2）专用型浮标，以海洋剖面观测浮标为例，如图1-5所示。我国研制的利用马达驱动的剖面观测系统，经过海上测试，能够放置的水深达到4000m，对海水的温度、盐度等多项参数进行观测。

图1-5 马达驱动的海洋剖面观测浮标

总的来说，我国水体环境监测浮标技术基本满足海域监测的需求，但与国外的技术还存在巨大差距，比如浮标搭载设备的性能、测量精度和工作可靠性等方面。

1.3主要硬、软件介绍

1.3.1硬件介绍

工控机：工业控制计算机，具有计算机的一般特点，例如操作系统、分析计算能力、人机交互界面等，是控制机电设备的一类工具的总称。

动力装置：上位机的浮标装置，可以选择搭载是否动力装置。装载了动力装置的浮标，可以由上位机发送控制指令，进行指定动作。

RS232串口线：是一种常用的串口通信接口，允许不同的设备连接起来并进行通讯。具有传输线少，接线操作简单，传输距离较远的特点。需要注意的是，串口通信前，需要在上位机软件中进行多项设置，常见的有波特率、奇偶校验、停止位等，只有设置正确，才可能进行通信。

RS232接口电台：本系统采用的无线电台是扩频数据收发器MDS 05-2708A01, Rev. E，它是一种用于无牌操作的扩频收音机。这些单元采用数字信号处理技术（DSP），即使在存在弱信号或干扰的情况下也能提供高度可靠的长距离通信。DSP技术还可以获取有关无线电操作和故障排除问题的信息，而无需进入远程无线电站点。收发器安装在紧凑且坚固耐用的压铸外壳中，只需要避免直接暴露在天气之下。 它包含一个印刷电路板，具有用于无线电操作的所有必要组件。不需要跳线设置或手动调整来配置无线电操作。

1.3.2软件介绍

该远程通信系统的上位机是用C#编写的应用程序，开发环境选择Visual Studio 2015，使用的框架是 .NET Framework，并选择其Windows Forms模块中的控件进行设计，数据存储设计到的数据库选择SQL Server 2012。

C＃编程语言，具有简单、安全、面向对象的特点，涵盖了C 、Java等多种流行语言的好处，降低了开发者编程的难度，提高了开发效率，在开发.NET应用程序上具有得天独厚的优势。

C#具有的特点主要有：

1. 语法简单，避免了c、c 中许多难以理解的内容，如指针操作。
2. 面向对象特性，提高了代码的重用性，消除了代码的冗余。
3. 兼容性，C#能够与其他开发语言所开发出来的组件良好兼容。
4. 安全性高，当在开发过程中出现语法等常见错误时，它能够及时消除，垃圾回收器更是简化了开发者对内存管理的操作。

（5）优秀的异常、错误处理机制，提高开发者开发的效率，同时也使得程序更加健壮。

Visual Studio 2015开发环境，是开发 .NET的优秀工具，可以根据需求任意拖放UI控件，或者自定义控件；同时源代码能够自行执行编译；可以显示、导航项目中的C#源文件、图像文件、声音文件等；还具备智能监测错误功能，在输入代码时会推荐合适的代码。

SQL Server 2012是关系型数据库管理系统的标准语言。主要用途是在多个不同的数据库之间建立联系，实现数据分享，方便了数据的分析与管理。

SQL Server 2012的特性包括：

1. 可靠，企业可以凭借其强大的安全性进行相关操作。

（2）效率高，可以减少企业开发投入的人力物力，提高公司效益。

（3）智能，可以根据用户的不同需求进行个性定制，同时为用户提供智能化。 （4）安全，它的体系成熟，安全机制可以分为5个层级，这些层级之间的联系十分密切，环环相扣，且层级由低到高，用户只有通过了上一层及的安全验证，才可以获取更多的信息，访问下一层的内容。

1.4本文的主要工作

本文以气象传感器为例，将其安装在浮标上，实现环境监测浮标远程通信的功能。该系统具有良好的拓展性，后期可搭载更多的环境监测传感器进行进一步分析。主要工作可分为：

1. 实现上、下位机通信。即串口数据的收发，基于SerialPort类实现通信。
2. 数据质量控制。使用Q值检验法对接收的数据进行分析，剔除可疑值，提高数据系统精度。
3. 数据的波形显示。将测得的数据以波形直观的显示出来，便于观察。

（4）数据库的操作。将数据存储到数据库，并能够对数据库中的数据进行基本操作。

环境监测浮标远程通信系统功能分析

2.1系统总体概述

浮标装置上的气象传感器将采集到的温度、风速、风向数据，通过RS232接口电台传送给地面监测站台的PC端，再由上位机进行数据的处理，系统整体结构如图2-1.

图2-1 系统整体结构

2.2系统硬件介绍

本系统的硬件即是搭载着工控机、气象传感器、摄像头、GPS定位、动力装置的浮标，并通过RS232串口线连接到无线电台。主要功能是将浮标采集到的温度、风速、风向等气象数据传给地面监测站台。主要硬件介绍如下：

工控机：工业控制计算机，具有计算机的一般特点，例如操作系统、分析计算能力、人机交互界面等，是控制机电设备的一类工具的总称。

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