水質自動化監測和生物棲息地模擬實驗設備的製作方法
2023-07-26 14:42:16 1
專利名稱：水質自動化監測和生物棲息地模擬實驗設備的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種可用於水生生物棲息地環境監測數據採集與 處理，水生生物棲息地量化模擬以及棲息地與水環境變化關係分析的模擬仿 真實驗設備，屬於環境工程和數位化模擬技術領域。
背景技術：
生物棲息地的研究是一項基礎生態研究，它可以為生物棲息地評價、容 納度估算、能量代謝以及種間關係等方面的研究提供有價值的基礎資料。在 目前，用於水環境與生態數據採集和量化以及水生生物棲息地空間分布與環 境變化關係分析的應用技術，其涉及數據採集與處理、地理信息系統、環境 工程、水生生態學等技術領域，是一項綜合性的工程技術。由於國內有關生 物棲息地與水環境關係的研究尚不是很多，特別是由於國內實驗條件的限制， 在環境工程、環境科學及生態學等專業的教學和課程實驗中，不能將水生生 物對其棲息水域中各環境要素變化的內在聯繫直觀呈現出來，使得學生們難 以得到感性地認知和系統地實驗訓練。
目前在大學本科專業的實驗室中，用於生物棲息地數字模擬仿真的實驗， 對於培養相近於環境工程、水利工程類專業的大學本科學生和研究生來說， 數字模擬分析和傳感器的數據採集是分開進行實驗的，缺乏系統性和整體性。 學生們在學習環境監測技術、環境信息採集及處理技術等課程後，沒有相應 的系統和完整地實驗和實踐訓練。對於水生生物棲息地環境數字分析的實驗，學生一般是通過"仿真和計算軟
件Matlab"(比如Matlab6.0軟體，美國公司開發的)，或者"統計分析軟體 SPSS"，在一臺計算機上來進行處理及仿真實驗，其實驗數據是事先安裝在 計算機的資料庫中的。
對於傳感器的數據自動化採集以及處理的實驗，學生一般是通過實驗室 的水質等傳感器進行實驗。
上述的水生生物棲息地環境數字模擬和傳感器的數據採集是分開進行實 驗的。學生難以通過實驗系統完整地理解從水質或大氣參數傳感器的自動化 採集到水生生物棲息地環境數字模擬計算整個過程。 發明內容
本實用新型的目的在於針對上述狀況，提出一種集採集水生生物棲息水 域環境與生態數據和棲息地生態數位化模擬為一體的計算機仿真分析系統。 在該系統下，學生能夠在地面水文、水質參數和生態環境數據的採集、水環 境信息處理、水生生態環境數據分析、水質預測、水生生物棲息地數位化及 環境演變等方面，得到認知性、綜合性和創新性的訓練和培養。該系統支持 多名同學在不同的計算機上進行實驗和開發實驗程序。
本實用新型的技術解決方案其結構是包括OLAP伺服器，DB資料庫 伺服器，AP應用伺服器，BS1瀏覽器計算機、BS2瀏覽器計算機，以及聯結 它們間的網絡設備乙太網交換機，IPC工業控制計算機，AQI水質監測裝置 和Sn監測傳感器。其中BS1瀏覽器計算機的第一管腳與乙太網交換機的第 二管腳相接，BS2瀏覽器計算機的第三管腳與乙太網交換機的第四管腳相接， OLAP伺服器的第六管腳與乙太網交換機的第五管腳連接，DB資料庫伺服器的第八管腳與乙太網交換機第七管腳連接，AP應用伺服器的第十管腳與以太 網交換機的第九管腳連接，AP應用伺服器通過網際網路與IPC工業控制計算機
的第十二管腳連接，IPC工業控制計算機的第十四管腳與AQI水質監測裝置 的第十三管腳連接。AQI水質監測裝置與Sn傳感器相接，所述的Sn傳感器 包括若干個傳感器。
Sn傳感器、AQI水質監測裝置和IPC工業控制計算機組成水質水文監測 和數據採集系統。Sn通過RS422串行接口或者同步時鐘脈衝信號與AQI裝 置通信。AQI水質監測裝置通過第十三管腳與IPC工業控制計算機的第十四 管腳連接。IPC工業控制計算機通過第十二管腳與網際網路連接。AQI水質監 測裝置與IPC工業控制計算機之間互聯以19.2Kbps的速率傳送數據包。
本實用新型的優點①實時的實驗數據不是事先安裝在計算機的資料庫 中，它可以模擬地面傳感器自動化收集數據，並建立實時的仿真資料庫;②能 夠對所建立的實時仿真資料庫進行資料庫管理和仿真實驗；③模擬的遠程傳 感器收集的多種類實驗數據可通過網際網路遠程接入，並能夠進行網絡傳輸實 驗； 能夠進行水質預測，GIS數據預處理，生態棲息地模擬以及關係模型 計算等實驗； 能夠進行水生生物棲息地適宜度限制性方程求解計算，地理 信息處理和管理、界面的圖形圖象顯示和人機互動實驗；⑥能夠作為棲息地 環境數字模擬計算的工程應用軟體開發平臺使用。
附圖1是本實用新型的原理方框圖。
附圖2是本實用新型的實施例電原理圖。 附圖3是AQI水質監測裝置的實施例電原理圖(a)。附圖4是AQI水質監測裝置的實施例電原理圖(b)。 附圖5是水質監測裝置AQI的實施例電原理圖(c)。 附圖6是WAQ-HAB2008 V1.0版應用軟體系統原理方框圖。
圖中的BS瀏覽器採用DELL電腦，AP應用伺服器採用DELL PowerEdge 840，乙太網交換機SWITCH採用華為公司生產的桌面級二層線速乙太網交 換產品，型號是S2108 — SI。工業控制計算機IPC配置為DELL Dimension 4600， P4機，AQI水質監測裝置中的核心器件採用單片機U1 (單片機型號 ATMEGA161) ， Sn監測傳感器主要包括Sl壓力式水位傳感器，S2水面蒸 發傳感器，S3水溫度傳感器是防水密封型，S4大氣溼度傳感器，S5智能型 水質監測傳感器，S6相對溼度測量傳感器。
具體實施方式
對照圖1、圖2，其結構是包括OLAP伺服器，DB資料庫伺服器，AP 應用伺服器，BS1瀏覽器計算機、BS2瀏覽器計算機，以及聯結它們間的網 絡設備乙太網交換機，IPC工業控制計算機，AQI水質監測裝置和Sn監測傳 感器。其中BS1瀏覽器計算機的第一管腳Port 1與乙太網交換機的第二管腳 Port2相接，BS2瀏覽器計算機的第三管腳Port3與乙太網交換機的第四管腳 Port 4相接，OLAP伺服器的第六管腳Port 6與乙太網交換機的第五管腳Port 5連接，DB資料庫伺服器的第八管腳Port 8與乙太網交換機第七管腳Port 7 連接，AP應用伺服器的第十管腳Port 10與乙太網交換機的第九管腳Port 9 連接，AP應用伺服器通過網際網路與IPC工業控制計算機的第十二管腳Port 12 連接，IPC工業控制計算機的第十四管腳Port 14與AQI水質監測裝置的第十 三管腳Port 13連接。AQI水質監測裝置與Sn傳感器相接，所述的Sn傳感器包括若干個傳感器。
Sn傳感器、AQI水質監測裝置和IPC工業控制計算機組成水質水文監測 和數據採集系統。Sn通過RS422串行接口或者同步時鐘脈衝信號與AQI水 質監測裝置通信。AQI水質監測裝置通過第十三管腳Port 13與IPC工業控制 計算機的第十四管腳Port 14連接。IPC工業控制計算機通過第十二管腳Port 12與網際網路連接。AQI水質監測裝置與IPC工業控制計算機之間互聯以 19.2Kbps的速率傳送數據包。
AQI水質監測裝置採集的Sn傳感器信息傳輸到伺服器、瀏覽器系統後， 由WAQ-HAB2008 V1.0版應用軟體系統賦予地理信息給Sn傳感器採集的數 據。
對照圖3，單片機U1 (型號ATMEGA161)的PA接口 PA1 PA7與 插頭座J3第八腳"8"至第十四管腳14對應連接。PC接口 PC5 PC7與插 頭座J3第四管腳"4"至第六管腳"6"對應連接。單片機Ul的XTAL1 、 XTAL2端與晶體振蕩器X1 (11.0592MHz)對應連接。看門狗(watchdog) U4電路(型號MAX706)的RST端和與單片機U1的RSTN端對應連接， 看門狗(watch dog) U4的WDI端和與單片機Ul的PC0端對應連接，看門 狗(watch dog)U4的MR端和WDO端經二極體Dl互連，看門狗(watch dog) U4的Vcc連接+5V電源。
RS422串行通信接口 U2(型號MAX422)的RO端與單片機U1的RXD0 端對應連接，RS422串行通信接口 U2的DI端與單片機Ul的TXD0端對應 連接，RS422串行通信接口 U2的REN與單片機Ul的PD4端對應連接，RS422 串行通信接口 U2的DE端與單片機Ul的PD5對應連接。RS422串行通信接口U2的Z、 Y、 B、 A端與J2插頭座第四 第七管腳"4 7"對應連接。 RS232串行通信接口 U3 (型號MAX202)的RIO端和TII端與單片機 Ul的RXD1及TXD1對應連接，RS232串行通信接口 U3的RII端與第一插 頭座Jl第五管腳"5"對應連接，RS232串行通信接口 U3的TIO端與第二 插頭座J2第七管腳"7"對應連接，RS232串行通信接口 U3的第四管腳"4" 經電容C5連接第五管腳"5" ， RS232串行通信接口 U3的第一管腳"1" 經電容C6連接第三管腳"3" ， RS232串行通信接口 U3的VCC端連接+5V 電源，經電容C7、 C8、 C9、 C10連接地(GND)。
S5水質監測傳感器的接線端子第四管腳"4"、第三管腳"3"、第二管 腳"2"、第一管腳"1"與第二插頭座J2的第四管腳"4" 第七管腳"7" 一一對應連接，S5水質監測傳感器的接線端子第五管腳"5"連接地(GND)。 S5水質監測傳感器的數據傳輸採用RS422串行接口標準。
對照圖4， Sl壓力式水位傳感器(型號SWY-1)的接線端子的第一管 腳"1"直接連接地(GND) 。 Sl壓力式水位傳感器的接線端子的第二管腳 "2"連接電阻R1，並通過電阻Rl連接運算放大器Al (型號ADOP07) 的輸入端E。運算放大器A1的第一管腳"1"經電阻R10連接第八管腳"8"， 運算放大器A1的第三管腳"3"經電阻R2、電位器RP1、電阻R4連接運算 放大器A2 (型號ADOP07)的輸入端。運算放大器A1的第九管腳9接放 大器U5 (型號AD538)的VZ端和Vy端。放大器U5的B端和C端對應 連接。放大器U5的第十一管腳"11"經二極體VD1連接地(GND)，放 大器U5的第十三管腳"13"和第十四管腳"14"連接地(GND)。放大器 U5的第七管腳"7"連接"-15V"電源，放大器U5的第六管腳"6"連接"+15V"電源，放大器U5的第十五管腳"15"經電阻R6與圖3中的第 三插頭座J3第四管腳"4"對應連接。放大器U5的第八管腳"8"經電阻R5 連接運算放大器A2的輸入端第三管腳"3" ， A2的第九管腳"9"與圖3中 的第三插頭座J3第五管腳"5"對應連接。
S2水面蒸發傳感器(型號JY27ZFL1)的接線端子的第一管腳"1"直 接連接地(GND) 。 S2水面蒸發傳感器的接線端子的第二管腳"2"連接電 阻ROl，並通過電阻ROl連接運算放大器A3 (型號ADOP07)的輸入端E。 運算放大器A3的第一管腳"1"經電阻R02連接第八管腳"8"，運算放大 器A3的第三管腳"3"經電阻R04、電位器RP1連接圖3中的第三插頭座J3 第十管腳"10"。運算放大器A3的輸入端E連接電容C02。
S3水溫度傳感器(型號DS18B20F)的接線端子的第一管腳"1"連接 地(GND) 。 S3水溫度傳感器接線端子的第二管腳"2"連接圖3中的第三 插頭座J3第十三管腳"13" ， S3水溫度傳感器接線端子第三管腳"3"連接 圖3中的第三插頭座J3第十四管腳"14"。
S4大氣溼度傳感器(型號HT11W)的接線端子的第一管腳"1"連接 地(GND) 。 S4大氣溼度傳感器接線端子的第二管腳"2"連接圖3中的第 三插頭座J3第十二管腳"12"，並經電阻R12連接電源"+15V" 。 S4大氣 溼度傳感器接線端子的第三管腳"3"連接圖3中的第三插頭座J3第十一管 腳"11"，並經電阻Rll連接電源"+15V" 。 S4大氣溼度傳感器接線端子 的第四管腳"4"經電容C03連接地(GND)。
220VAC交流電源接入變壓器B1，變壓器B1的輸出經整流器ZL1與穩
壓電源DY1連接。穩壓電源DY1輸出士15V和+5V三組直流電源。對照圖5， S6相對溼度測量傳感器由集成溼敏電阻Tl和集成溼敏電阻 T2 (型號為HT21P)以及信號調理電路IC1、信號調理電路IC2 (型號為 TLC555)組成。集成溼敏電阻T1的一端連接信號調理電路IC1的DXP1端， 另外一端連接信號調理電路IC1的DXN1端，電容1C2分別連接信號調理電 路IC1的DXP1端和DXN1端；集成溼敏電阻T2的一端連接信號調理電路 IC1的DXP4端，另外一端連接信號調理電路IC1的DXN4端，電容1C3分 別連接信號調理電路IC1的DXP4端和DXN4端。Ucc電源經過電阻連接信 號調理電路IC1的STBY端，信號調理電路IC1的ADD0、 ADD1和Pl端接 GND (地)。信號調理電路IC1的SMBCLK端連接圖3中第三插頭座的J3 第五管腳"5"，信號調理電路IC1的SMBDATA端連接圖3中的第三插頭 座J3第六管腳"6"，信號調理電路IC1的ALERT端連接圖3中的第三插 頭座J3第七管腳"7"。
對照圖5，信號調理電路IC2的CO端連接信號調理電路IC1的 SMBDATA端，信號調理電路IC2的TR端經過電阻1R8接地(GND)，信 號調理電路IC2的TH端經過電容1C4接地(GND)。信號調理電路IC2的 R端連接電源Ucc，信號調理電路IC2的D端連接電阻1R5和1R6。信號調 理電路IC2的OUT端連接圖3中的第三插頭座J3第九管腳"9"。
AP應用伺服器上安裝了 WAQ-HAB2008 VI .0版應用軟體系統(見圖6)， 包括系統管理軟體1#，水質資料庫管理系統2#，水質預測軟體3#， GIS數據 預處理軟體4#，生態棲息地模擬軟體5#，地理信息系統6#，界面顯示軟體 7#。
本發明的工作流程如下AQI水質監測裝置負責採集監測傳感器上的水環境監測信息，並將其傳送給IPC工業控制計算機；IPC工業控制計算機通
過網際網路連接AP應用伺服器。AP應用伺服器調用DB資料庫伺服器中的該 水域地形圖，將其數位化，並轉化為GRID模塊下的柵格圖層，作為該水域 內水生生物棲息地的底圖後存於OLAP伺服器。
水環境監測傳感器是測量傳感器，主要用於測量水體水溫、流速、水質 (如COD、 pH、總磷、總氮)等。工業控制計算機IPC可以自動獲取水質監 測裝置AQI傳送來的監測數據，同時也能通過網際網路方式調用OLAP伺服器 中該水域的水生生物棲息地底圖。
BS瀏覽器計算機通過調用AP應用伺服器上的HABITAT軟體以及 WAQ-HAB2008 (V1.0版)應用軟體建立生物棲息地適宜度預測模型，其目 的是為了得到生物棲息地對各環境要素的適宜度圖層，並最後在BS瀏覽器 計算機上將各圖層通過疊加得到棲息地對水生生物的綜合適宜度。
本發明設計研製的實驗系統設備能夠進行水生生物棲息地環境監測數據 採集與處理、數字量化模擬以及棲息地與水環境變化關係分析等多種實驗功 能，也能作為棲息地環境數字模擬計算的工程應用軟體開發平臺使用。
權利要求1、水質自動化監測和生物棲息地模擬實驗設備，其特徵是BS1瀏覽器計算機的第一管腳與乙太網交換機的第二管腳相接，BS2瀏覽器計算機的第三管腳與乙太網交換機的第四管腳相接，OLAP伺服器的第六管腳與乙太網交換機的第五管腳連接，DB資料庫伺服器的第八管腳與乙太網交換機第七管腳連接，AP應用伺服器的第十管腳與乙太網交換機的第九管腳連接，AP應用伺服器通過網際網路與IPC工業控制計算機的第十二管腳連接，IPC工業控制計算機的第十四管腳與AQI水質監測裝置的第十三管腳連接，AQI水質監測裝置與Sn傳感器相接，所述的Sn傳感器包括若干個傳感器。
2、 根據權利要求1所述的水質自動化監測和生物棲息地模擬實驗設備， 其特徵是所述的Sn傳感器、AQI水質監測裝置和IPC工業控制計算機組成水 質水文監測和數據採集系統，其中Sn傳感器通過RS422串行接口或者同步 時鐘脈衝信號接AQI水質監測裝置;AQI水質監測裝置通過第十三管腳與IPC 工業控制計算機的第十四管腳連接，IPC工業控制計算機通過第十二管腳與 網際網路連接，AQI水質監測裝置與IPC工業控制計算機之間互聯以19.2Kbps 的速率傳送數據包。
3、 根據權利要求1所述的水質自動化監測和生物棲息地模擬實驗設備， 其特徵是所述的Sn傳感器包括壓力式水位傳感器，水面蒸發傳感器，水溫度 傳感器，大氣溼度傳感器，智能型水質監測傳感器，相對溼度測量傳感器， 其中水質監測傳感器的接線端子的第四管腳、第三管腳、第二管腳、第一管 腳與第二插頭座(j2)的第四管腳 第七管腳對應連接，水質監測傳感器的數據傳輸採用RS422串行接口標準；壓力式水位傳感器的接線端子的第 二管腳(TIN2)連接電阻(Rl)，並通過電阻(Rl)連接第一運算放大器(Al) 的輸入端(E)，第一運算放大器(Al)的第三管腳經電阻(R2)、電位器 (RP1)、電阻(R4)連接第二運算放大器(A2)的輸入端，第二運算放大 器(A2)的第九管腳與第三插頭座(J3)第五管腳對應連接；水面蒸發傳感 器的接線端子的第二管腳(TIN2)連接電阻(R01)，並通過電阻(R01)連 接第三運算放大器(A3)的輸入端(E)，第三運算放大器(A3)的第三管 腳經電阻(R04)、電位器(RP1)連接第三插頭座(J3)第十管腳；水溫度 傳感器接線端子的第二管腳連接插頭座(J3)的第十三管腳，水溫度傳感器 接線端子的第三管腳連接第三插頭座(J3)第十四管腳大氣溼度傳感器接 線端子的第二管腳連接第三插頭座(J3)第十二管腳，大氣溼度傳感器接線 端子第三管腳連接第三插頭座(J3)第十一管腳。
專利摘要本實用新型是水質自動化監測和生物棲息地模擬實驗設備，包括OLAP伺服器，DB資料庫伺服器，AP應用伺服器，BS1瀏覽器計算機、BS2瀏覽器計算機，網絡設備乙太網交換機，IPC工業控制計算機，AQI水質監測裝置和Sn監測傳感器。優點模擬地面傳感器自動化收集數據，建立實仿真資料庫進行資料庫管理和仿真實驗；模擬的遠程傳感器收集的多種類實驗數據經網際網路遠程接入、網絡傳輸實驗；水質預測，GIS數據預處理，生態棲息地模擬及關係模型計算實驗；進行水生生物棲息地適宜度限制性方程求解計算，地理信息處理管理、界面圖形圖象顯示和人機互動實驗；作為水生生物棲息地環境數字仿真實驗平臺及環境評價的工程應用軟體開發平臺。
文檔編號G09B25/00GK201229708SQ200820040438
公開日2009年4月29日 申請日期2008年7月23日 優先權日2008年7月23日
發明者煒 黃 申請人:煒 黃