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[摘 要] 本文介绍了基于MCGS (Monitor and Control Generated System)组态软件设计远程环境水质参数监测系统的设计方案，运用ATmega128、GR64来设计环境水质参数的采集控制系统，利用MCGS组态软件实现人机对话界面，用来监测被测水质的运行状态。实验证明，该系统具有良好的理论研究和工程应用价值。
[关键词] MCGS 水质参数 监控系统
中图分类号：X505 文献标识码：A
Design of Long-distance Water Quality Parameters Monitoring System Based on MCGS
Fu Jie； Chen Yong
(Huaiyin Normal University Huaian, jiangsu 223300)
Abstract：This paper introduces design scheme of remote monitoring system of water quality parameters based on MCGS(Monitor and Control Generated System). The data acquisition and control system of water quality parameters is designed using the ATmega128 and GR64. The vocal interface for man-machine dialogue, achieved by using MCGS is used to monitor the operation status of water quality. Experiments show that the system has a high value of theoretical research and engineering application.
Keyword:MCGS；Water quality parameters；Monitoring system
0、引言
随着社会的发展和进步，人们对水土资源的破坏越来越严重，环保部门也相继引入新技术进行技术改造， 实现水质参数监测自动化[1-3]。本文以单片机ATmega128和GR64为主控上位机，利用人机接口的MCGS组态设计软件在PC机上建立工控的对象，利用上位机和下位机之间的联机通讯完成对下位机水质监测系统的实时监测的设计。此环境水质监测系统接入设备使用简便，具有人性化的人机界面，配备应用程序库，从而加快了软件程序编程和实验调试速度，缩短开发周期。
1、MCGS组态软件及其系统构成
MCGS(Monitor and Control Generated System)是由北京昆仑通态自动化软件公司开发的一套基于Windows平台,用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出及企业监控网络等功能。MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已经在石油化工、电力系统、农业自动化等领域获得成功应用。
1.1 MCGS组态软件整体结构
MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。用户在组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，即组态结果数据库，其与MCGS 运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。运行环境是用户应用系统的运行环境，在运行环境中完成对工程的控制工作。运行环境按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。MCGS 组态环境和运行环境两部分互相独立又紧密相关。
1.2 MCGS组态软件五大组成部分
MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，每一部分分别进行组态，完成不同的工作，具有不同的特性。
1.主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。
2.设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。
3.用户窗口：主要用于设置工程中人机交互界面,诸如：生成各种动画画面、报警输出、数据与曲线图表等。
4.实时数据库：是工程各个部分数据交换与处理中心，它将MCGS 工程的各个部分连成有机整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。
5.运行策略：主要完成工程运行流程的控制，包括编写控制程序（if…then脚本程序），选用各种功能构件，如：数据提取、定时器、配方操作、多媒体输出等。
2、MCGS软件设计
2.1系统总体设计
该项目由水质采集点子系统、GPRS无线传输单元、控制中心组成，具体方案如图1所示。采集点子系统可以分布于一条河流的各段以监测当地的水质情况。在各个水质采集点子系统中，由各种传感器或现场测量仪器输出的标准4～20mA的电流信号转变成数字信号，采集单元对采集数据进行内部保存，然后通过GPRS模块采用无线传输方式发送给监控中心，由运行在监控中心计算机中的“环境水质远程监测系统”软件进行监测数据的集中处理和分析，监控中心人员根据处理和分析后的数据了解采集点出的环境质量状况。
2.2上位机监测系统设计
监测中心软件主要包括数据库模块，数据库模块的功能是管理有效数据、硬件信息、用户信息和为查询用户提供实时数据和历史数据。整个软件采用MCGS设计，主要功能是通过Internet接收数据，并判断数据包的好坏，然后解析应用协议，得到有效数据，并添加到数据库实时数据表中。从Internet接受数据并处理的程序流程如图2所示。
图2 软件结构图
另外，软件还具有实时监控功能，用户可以用表格的形式显示实时数据，主要有水温、PH、电导率、溶解氧等参数的实时值。软件还可以显示各个参数的实时曲线，用户可以随意选择日期和时间间隔。软件还可以自动生成报表，用户可以设置定时打印或即时打印。该软件为用户实时监控水质状态，提供了可靠保证，自动生成曲线和报表功能，大大减轻了人员工作强度。系统登陆界面和系统分析界面如图3、图4所示。
2.3数据通信
通信协议软件设计要涉及SIM初始化，TCP服务开启，数据包发送，数据包接收、解析，网络状态查询，数据包和校验，上传数据编码，主机命令解码等。由于RTU采集的水质参数最多有9个，因此水质参数值在用GPRS网传输前需要按一定的格式打包，即制定数据帧格式。根据水质远程监测系统应用的实际情况，通信协议的数据帧格式如下表格：
3.结束语
利用MCGS组态软件开发的水质参数监测系统，提高了对水土环境实时管理水平，系统操作简便，运行可靠，稳定性好，具有连接时间短，速度快，永远在线，实时性强，连接适合不定期、长时间的数据传输，测量准确、精确度高、安全性好、应用方便等优势．较好地解决了有线监控方式所存在的难点，具有较好的推广价值。■
参 考 文 献
[1]王翥,郝晓强,魏德宝等.基于WSN和GPRS网络的远程水质监测系统 [J]. 仪表技术与传感器,2010,(1)_3.
[2]朱明华,蓝箭.基于B/S模式水质监测系统的控制方法[J].微计算机信息,2008,24(27)_3.
[3]史云,冯苍旭,冯建华等.基于MSC1210Y5的多参数水质监测系统 [J].水文地质工程地质,2007,34(4)_3 .
[4]程春荣.基于ZigBee技术的水质监测系统的设计[D].2009.
[5]赵静,宋刚,周驰岷等.无线传感器网络水质监测系统的研究与应用 [J].通信技术,2008,41(4)_3 .
[6]田禹,张东来.水质远程在线监测管理系统的开发研究[J].中国给水排水,2003,19(10)_4.
[7]Heather P.Sim,Donald H.Burn,Bryan A. Tolson et al. Probabilistic design of a riverine early warning source water monitoring system[J].Canadian Journal of Civil Engineering,2009,36(6)_12.
[8]A.DYBKO.Optoelectronic system for water quality monitoring[J].Bulletin of the Polish Academy of Sciences,2008,56(2)_3.
[9]Aguilar-Martinez,R,Gomez-Gomez, MM,Greenwood,R et al. Application of Chemcatcher passive sampler for monitoring levels of mercury in contaminated river water[J].Talanta,2009,77(4)_7.DOI:10.1016/j.talanta.2008.09.037._4.
作者简介：付杰，男，1989年出生，江苏宿迁，淮阴师范学院物理与电子电气工程学院，本科在读，电子信息科学与技术。
陈勇，男，1979年出生，江苏高邮，淮阴师范学院物理与电子电气工程学院，讲师，硕士，主要研究方向测控技术、信号处理。
[关键词] MCGS 水质参数 监控系统
中图分类号：X505 文献标识码：A
Design of Long-distance Water Quality Parameters Monitoring System Based on MCGS
Fu Jie； Chen Yong
(Huaiyin Normal University Huaian, jiangsu 223300)
Abstract：This paper introduces design scheme of remote monitoring system of water quality parameters based on MCGS(Monitor and Control Generated System). The data acquisition and control system of water quality parameters is designed using the ATmega128 and GR64. The vocal interface for man-machine dialogue, achieved by using MCGS is used to monitor the operation status of water quality. Experiments show that the system has a high value of theoretical research and engineering application.
Keyword:MCGS；Water quality parameters；Monitoring system
0、引言
随着社会的发展和进步，人们对水土资源的破坏越来越严重，环保部门也相继引入新技术进行技术改造， 实现水质参数监测自动化[1-3]。本文以单片机ATmega128和GR64为主控上位机，利用人机接口的MCGS组态设计软件在PC机上建立工控的对象，利用上位机和下位机之间的联机通讯完成对下位机水质监测系统的实时监测的设计。此环境水质监测系统接入设备使用简便，具有人性化的人机界面，配备应用程序库，从而加快了软件程序编程和实验调试速度，缩短开发周期。
1、MCGS组态软件及其系统构成
MCGS(Monitor and Control Generated System)是由北京昆仑通态自动化软件公司开发的一套基于Windows平台,用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出及企业监控网络等功能。MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已经在石油化工、电力系统、农业自动化等领域获得成功应用。
1.1 MCGS组态软件整体结构
MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。用户在组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，即组态结果数据库，其与MCGS 运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。运行环境是用户应用系统的运行环境，在运行环境中完成对工程的控制工作。运行环境按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。MCGS 组态环境和运行环境两部分互相独立又紧密相关。
1.2 MCGS组态软件五大组成部分
MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，每一部分分别进行组态，完成不同的工作，具有不同的特性。
1.主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。
2.设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。
3.用户窗口：主要用于设置工程中人机交互界面,诸如：生成各种动画画面、报警输出、数据与曲线图表等。
4.实时数据库：是工程各个部分数据交换与处理中心，它将MCGS 工程的各个部分连成有机整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。
5.运行策略：主要完成工程运行流程的控制，包括编写控制程序（if…then脚本程序），选用各种功能构件，如：数据提取、定时器、配方操作、多媒体输出等。
2、MCGS软件设计
2.1系统总体设计
该项目由水质采集点子系统、GPRS无线传输单元、控制中心组成，具体方案如图1所示。采集点子系统可以分布于一条河流的各段以监测当地的水质情况。在各个水质采集点子系统中，由各种传感器或现场测量仪器输出的标准4～20mA的电流信号转变成数字信号，采集单元对采集数据进行内部保存，然后通过GPRS模块采用无线传输方式发送给监控中心，由运行在监控中心计算机中的“环境水质远程监测系统”软件进行监测数据的集中处理和分析，监控中心人员根据处理和分析后的数据了解采集点出的环境质量状况。
2.2上位机监测系统设计
监测中心软件主要包括数据库模块，数据库模块的功能是管理有效数据、硬件信息、用户信息和为查询用户提供实时数据和历史数据。整个软件采用MCGS设计，主要功能是通过Internet接收数据，并判断数据包的好坏，然后解析应用协议，得到有效数据，并添加到数据库实时数据表中。从Internet接受数据并处理的程序流程如图2所示。
图2 软件结构图
另外，软件还具有实时监控功能，用户可以用表格的形式显示实时数据，主要有水温、PH、电导率、溶解氧等参数的实时值。软件还可以显示各个参数的实时曲线，用户可以随意选择日期和时间间隔。软件还可以自动生成报表，用户可以设置定时打印或即时打印。该软件为用户实时监控水质状态，提供了可靠保证，自动生成曲线和报表功能，大大减轻了人员工作强度。系统登陆界面和系统分析界面如图3、图4所示。
2.3数据通信
通信协议软件设计要涉及SIM初始化，TCP服务开启，数据包发送，数据包接收、解析，网络状态查询，数据包和校验，上传数据编码，主机命令解码等。由于RTU采集的水质参数最多有9个，因此水质参数值在用GPRS网传输前需要按一定的格式打包，即制定数据帧格式。根据水质远程监测系统应用的实际情况，通信协议的数据帧格式如下表格：
3.结束语
利用MCGS组态软件开发的水质参数监测系统，提高了对水土环境实时管理水平，系统操作简便，运行可靠，稳定性好，具有连接时间短，速度快，永远在线，实时性强，连接适合不定期、长时间的数据传输，测量准确、精确度高、安全性好、应用方便等优势．较好地解决了有线监控方式所存在的难点，具有较好的推广价值。■
参 考 文 献
[1]王翥,郝晓强,魏德宝等.基于WSN和GPRS网络的远程水质监测系统 [J]. 仪表技术与传感器,2010,(1)_3.
[2]朱明华,蓝箭.基于B/S模式水质监测系统的控制方法[J].微计算机信息,2008,24(27)_3.
[3]史云,冯苍旭,冯建华等.基于MSC1210Y5的多参数水质监测系统 [J].水文地质工程地质,2007,34(4)_3 .
[4]程春荣.基于ZigBee技术的水质监测系统的设计[D].2009.
[5]赵静,宋刚,周驰岷等.无线传感器网络水质监测系统的研究与应用 [J].通信技术,2008,41(4)_3 .
[6]田禹,张东来.水质远程在线监测管理系统的开发研究[J].中国给水排水,2003,19(10)_4.
[7]Heather P.Sim,Donald H.Burn,Bryan A. Tolson et al. Probabilistic design of a riverine early warning source water monitoring system[J].Canadian Journal of Civil Engineering,2009,36(6)_12.
[8]A.DYBKO.Optoelectronic system for water quality monitoring[J].Bulletin of the Polish Academy of Sciences,2008,56(2)_3.
[9]Aguilar-Martinez,R,Gomez-Gomez, MM,Greenwood,R et al. Application of Chemcatcher passive sampler for monitoring levels of mercury in contaminated river water[J].Talanta,2009,77(4)_7.DOI:10.1016/j.talanta.2008.09.037._4.
作者简介：付杰，男，1989年出生，江苏宿迁，淮阴师范学院物理与电子电气工程学院，本科在读，电子信息科学与技术。
陈勇，男，1979年出生，江苏高邮，淮阴师范学院物理与电子电气工程学院，讲师，硕士，主要研究方向测控技术、信号处理。