专利名称：水生生物栖息地环境数据采集与计算机仿真系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种可用于水生生物栖息地环境监测数据采集与处理， 水生生物栖息地量化模拟以及栖息地与水环境变化关系分析的模拟仿真实验 系统，属于环境工程和数字化模拟技术领域。
技术背景生物栖息地的研究是一项基础生态研究，它可以为生物栖息地评价、容 纳度估算、能量代谢以及种间关系等方面的研究提供有价值的基础资料。在 目前，用于水环境与生态数据采集和量化以及水生生物栖息地空间分布与环 境变化关系分析的应用技术，其涉及数据采集与处理、地理信息系统、环境 工程、水生生态学等技术领域，是一项综合性的工程技术。由于国内有关生 物栖息地与水环境关系的研究尚不是很多，特别是由于国内实验条件的限制， 在环境工程、环境科学及生态学等专业的教学和课程实验中，不能将水生生 物对其栖息水域中各环境要素变化的内在联系直观呈现出来，使得学生们难 以得到感性地认知和系统地实验训练。目前在大学本科专业的实验室中，用于生物栖息地数字模拟仿真的实验， 对于培养相近于环境工程、水利工程类专业的大学本科学生和研究生来说， 数字模拟分析和传感器的数据采集是分开进行实验的，缺乏系统性和整体性。 学生们在学习环境监测技术、环境信息采集及处理技术等课程后，没有相应 的系统和完整地实验和实践训练。对于水生生物栖息地环境数字分析的实验，学生一般是通过"仿真和计算软件Matlab"(比如Matlab6.0软件，美国公司开发的)，或者"统计分析软件 SPSS"，在一台计算机上来进行处理及仿真实验，其实验数据是事先安装在 计算机的数据库中的。对于传感器的数据自动化采集以及处理的实验，学生一般是通过实验室 的水质等传感器进行实验。上述的水生生物栖息地环境数字模拟和传感器的数据采集是分开进行实 验的。学生难以通过实验系统完整地理解从水质或大气参数传感器的自动化 采集到水生生物栖息地环境数字模拟计算整个过程。 发明内容本发明的目的在于针对上述状况，提出一种集采集水生生物栖息水域环 境与生态数据和栖息地生态数字化模拟为一体的计算机仿真分析系统。在该 系统下，学生能够在地面水文、水质参数和生态环境数据的采集、水环境信 息处理、水生生态环境数据分析、水质预测、水生生物栖息地数字化及环境 演变等方面，得到认知性、综合性和创新性的训练和培养。该系统支持多名 同学在不同的计算机上进行实验和开发实验程序。本发明的技术解决方案其结构是包括OLAP服务器，DB数据库服务 器，AP应用服务器，BS1浏览器计算机、BS2浏览器计算机，以及联结它们 间的网络设备以太网交换机，IPC工业控制计算机，AQI水质监测装置和Sn 监测传感器。其中BS1浏览器计算机的第一管脚与以太网交换机的第二管脚 相接，BS2浏览器计算机的第三管脚与以太网交换机的第四管脚相接，OLAP 服务器的第六管脚与以太网交换机的第五管脚连接，DB数据库服务器的第八管脚与以太网交换机第七管脚连接，AP应用服务器的第十管脚与以太网交换机的第九管脚连接，AP应用服务器通过互联网与IPC工业控制计算机的第十 二管脚连接，IPC工业控制计算机的第十四管脚与AQI水质监测装置的第十 三管脚连接。AQI水质监测装置与Sn传感器相接，所述的Sn传感器包括若干个传感器。Sn传感器、AQI水质监测装置和IPC工业控制计算机组成水质水文监测 和数据采集系统。Sn通过RS422串行接口或者同步时钟脉冲信号与AQI装 置通信。AQI水质监测装置通过第十三管脚与IPC工业控制计算机的第十四 管脚连接。IPC工业控制计算机通过第十二管脚与互联网连接。AQI水质监 测装置与IPC工业控制计算机之间互联以19.2Kbps的速率传送数据包。本发明的优点①实时的实验数据不是事先安装在计算机的数据库中， 它可以模拟地面传感器自动化收集数据，并建立实时的仿真数据库；②能够 对所建立的实时仿真数据库进行数据库管理和仿真实验；③模拟的远程传感 器收集的多种类实验数据可通过互联网远程接入，并能够进行网络传输实验； 能够进行水质预测，GIS数据预处理，生态栖息地模拟以及关系模型计算 等实验；⑤能够进行水生生物栖息地适宜度限制性方程求解计算，地理信息 处理和管理、界面的图形图象显示和人机交互实验； 能够作为栖息地环境 数字模拟计算的工程应用软件开发平台使用。
附图l是本发明的原理方框图。附图2是本发明的实施例电原理图。附图3是AQI水质监测装置的实施例电原理图(a)。附图4是AQI水质监测装置的实施例电原理图(b)。 附图5是水质监测装置AQI的实施例电原理图(c)。 附图6是WAQ-HAB2008 V1.0版应用软件系统原理方框图。图中的BS浏览器采用DELL电脑，AP应用服务器采用DELL PowerEdge 840，以太网交换机SWITCH采用华为公司生产的桌面级二层线速以太网交 换产品，型号是S2108 —SI。工业控制计算机IPC配置为DELL Dimension 4600， P4机，AQI水质监测装置中的核心器件采用单片机U1 (单片机型号 ATMEGA161) ， Sn监测传感器主要包括Sl压力式水位传感器，S2水面蒸 发传感器，S3水温度传感器是防水密封型，S4大气湿度传感器，S5智能型 水质监测传感器，S6相对湿度测量传感器。
具体实施例方式对照图1、图2，其结构是包括OLAP服务器，DB数据库服务器，AP 应用服务器，BS1浏览器计算机、BS2浏览器计算机，以及联结它们间的网 络设备以太网交换机，IPC工业控制计算机，AQI水质监测装置和Sn监测传 感器。其中BS1浏览器计算机的第一管脚Port 1与以太网交换机的第二管脚 Port 2相接，BS2浏览器计算机的第三管脚Port 3与以太网交换机的第四管脚 Port 4相接，OLAP服务器的第六管脚Port 6与以太网交换机的第五管脚Port 5连接，DB数据库服务器的第八管脚Port 8与以太网交换机第七管脚Port 7 连接，AP应用服务器的第十管脚Port lO与以太网交换机的第九管脚Port 9 连接，AP应用服务器通过互联网与IPC工业控制计算机的第十二管脚Port 12 连接，IPC工业控制计算机的第十四管脚Port 14与AQI水质监测装置的第十 三管脚Port 13连接。AQI水质监测装置与Sn传感器相接，所述的Sn传感器包括若干个传感器。Sn传感器、AQI水质监测装置和IPC工业控制计算机组成水质水文监测 和数据采集系统。Sn通过RS422串行接口或者同步时钟脉冲信号与AQI水 质监测装置通信。AQI水质监测装置通过第十三管脚Port 13与IPC工业控制 计算机的第十四管脚Port 14连接。IPC工业控制计算机通过第十二管脚Port 12与互联网连接。AQI水质监测装置与IPC工业控制计算机之间互联以 19.2Kbps的速率传送数据包。AQI水质监测装置采集的Sn传感器信息传输到服务器、浏览器系统后， 由WAQ-HAB2008 V1.0版应用软件系统赋予地理信息给Sn传感器采集的数 据。对照图3，单片机U1 (型号ATMEGA161)的PA接口 PA1 PA7与 插头座J3第八脚"8"至第十四管脚14对应连接。PC接口 PC5 PC7与插 头座J3第四管脚"4"至第六管脚"6"对应连接。单片机U1的XTAL1 、 XTAL2端与晶体振荡器X1 (11.0592MHz)对应连接。看门狗(watchdog) U4电路(型号MAX706)的RST端和与单片机U1的RSTN端对应连接， 看门狗(watch dog) U4的WDI端和与单片机Ul的PC0端对应连接，看门 狗(watch dog)U4的MR端和WDO端经二极管Dl互连，看门狗(watch dog) U4的Vcc连接+5V电源。RS422串行通信接口 U2(型号MAX422)的RO端与单片机Ul的RXD0 端对应连接，RS422串行通信接口 U2的DI端与单片机Ul的TXD0端对应 连接，RS422串行通信接口 U2的REN与单片机Ul的PD4端对应连接，RS422 串行通信接口 U2的DE端与单片机Ul的PD5对应连接。RS422串行通信接口U2的Z、 Y、 B、 A端与J2插头座第四 第七管脚"4 7"对应连接。 RS232串行通信接口 U3 (型号MAX202)的RIO端和TII端与单片机 Ul的RXD1及TXD1对应连接，RS232串行通信接口 U3的RII端与第一插 头座Jl第五管脚"5"对应连接，RS232串行通信接口 U3的TIO端与第二 插头座J2第七管脚"7"对应连接，RS232串行通信接口 U3的第四管脚"4" 经电容C5连接第五管脚"5" ， RS232串行通信接口 U3的第一管脚"1" 经电容C6连接第三管脚"3" ， RS232串行通信接口 U3的VCC端连接+5V 电源，经电容C7、 C8、 C9、 C10连接地(GND)。S5水质监测传感器的接线端子第四管脚"4"、第三管脚"3"、第二管 脚"2"、第一管脚"1"与第二插头座J2的第四管脚"4" 第七管脚"7" 一一对应连接，S5水质监测传感器的接线端子第五管脚"5"连接地(GND)。 S5水质监测传感器的数据传输采用RS422串行接口标准。对照图4， Sl压力式水位传感器(型号SWY-1)的接线端子的第一管 脚"1"直接连接地(GND) 。 Sl压力式水位传感器的接线端子的第二管脚 "2"连接电阻R1，并通过电阻Rl连接运算放大器Al (型号ADOP07) 的输入端E。运算放大器A1的第一管脚"1"经电阻R10连接第八管脚"8"， 运算放大器A1的第三管脚"3"经电阻R2、电位器RP1、电阻R4连接运算 放大器A2 (型号ADOP07)的输入端。运算放大器A1的第九管脚9接放 大器U5 (型号AD538)的VZ端和Vy端。放大器U5的B端和C端对应 连接。放大器U5的第十一管脚"11"经二极管VD1连接地(GND)，放 大器U5的第十三管脚"13"和第十四管脚"14"连接地(GND)。放大器 U5的第七管脚"7"连接"-15V"电源，放大器U5的第六管脚"6"连接"+15V"电源，放大器U5的第十五管脚"15"经电阻R6与图3中的第 三插头座J3第四管脚"4"对应连接。放大器U5的第八管脚"8"经电阻R5 连接运算放大器A2的输入端第三管脚"3" ， A2的第九管脚"9"与图3中 的第三插头座J3第五管脚"5"对应连接。S2水面蒸发传感器(型号JY27ZFL1)的接线端子的第一管脚"1"直 接连接地(GND) 。 S2水面蒸发传感器的接线端子的第二管脚"2"连接电 阻ROl，并通过电阻ROl连接运算放大器A3 (型号ADOP07)的输入端E。 运算放大器A3的第一管脚"1"经电阻R02连接第八管脚"8"，运算放大 器A3的第三管脚"3"经电阻R04、电位器RP1连接图3中的第三插头座J3 第十管脚"10"。运算放大器A3的输入端E连接电容C02。S3水温度传感器(型号DS18B20F)的接线端子的第一管脚"1"连接 地(GND) 。 S3水温度传感器接线端子的第二管脚"2"连接图3中的第三 插头座J3第十三管脚"13" ， S3水温度传感器接线端子第三管脚"3"连接 图3中的第三插头座J3第十四管脚"14"。S4大气湿度传感器(型号HT11W)的接线端子的第一管脚"1"连接 地(GND) 。 S4大气湿度传感器接线端子的第二管脚"2"连接图3中的第 三插头座J3第十二管脚"12"，并经电阻R12连接电源"+15V" 。 S4大气 湿度传感器接线端子的第三管脚"3"连接图3中的第三插头座J3第十一管 脚"11"，并经电阻Rll连接电源"+15V" 。 S4大气湿度传感器接线端子 的第四管脚"4"经电容C03连接地(GND)。220VAC交流电源接入变压器Bl，变压器Bl的输出经整流器ZL1与稳压电源DY1连接。稳压电源DY1输出士15V和+5V三组直流电源。对照图5， S6相对湿度测量传感器由集成湿敏电阻Tl和集成湿敏电阻 T2 (型号为HT21P)以及信号调理电路IC1、信号调理电路IC2 (型号为 TLC555)组成。集成湿敏电阻T1的一端连接信号调理电路IC1的DXP1端， 另外一端连接信号调理电路IC1的DXN1端，电容1C2分别连接信号调理电 路IC1的DXP1端和DXN1端；集成湿敏电阻T2的一端连接信号调理电路 IC1的DXP4端，另外一端连接信号调理电路IC1的DXN4端，电容1C3分 别连接信号调理电路IC1的DXP4端和DXN4端。Ucc电源经过电阻连接信 号调理电路IC1的STBY端，信号调理电路IC1的ADD0、 ADD1和Pl端接 GND (地)。信号调理电路IC1的SMBCLK端连接图3中第三插头座的J3 第五管脚"5"，信号调理电路IC1的SMBDATA端连接图3中的第三插头 座J3第六管脚"6"，信号调理电路IC1的ALERT端连接图3中的第三插 头座J3第七管脚"7"。对照图5，信号调理电路IC2的CO端连接信号调理电路IC1的 SMBDATA端，信号调理电路IC2的TR端经过电阻1R8接地(GND)，信 号调理电路IC2的TH端经过电容1C4接地(GND)。信号调理电路IC2的 R端连接电源Ucc，信号调理电路IC2的D端连接电阻1R5和1R6。信号调 理电路IC2的OUT端连接图3中的第三插头座J3第九管脚"9"。AP应用服务器上安装了 WAQ-HAB2008 V1.0版应用软件系统(见图6)， 包括系统管理软件1#，水质数据库管理系统2#，水质预测软件3#， GIS数据 预处理软件4#，生态栖息地模拟软件5#，地理信息系统6#，界面显示软件 7#。本发明的工作流程如下AQI水质监测装置负责采集监测传感器上的水环境监测信息，并将其传送给IPC工业控制计算机；IPC工业控制计算机通过互联网连接AP应用服务器。AP应用服务器调用DB数据库服务器中的该 水域地形图，将其数字化，并转化为GRID模块下的栅格图层，作为该水域 内水生生物栖息地的底图后存于OLAP服务器。水环境监测传感器是测量传感器，主要用于测量水体水温、流速、水质 (如COD、 pH、总磷、总氮)等。工业控制计算机IPC可以自动获取水质监 测装置AQI传送来的监测数据，同时也能通过互联网方式调用OLAP服务器 中该水域的水生生物栖息地底图。BS浏览器计算机通过调用AP应用服务器上的HABITAT软件以及 WAQ-HAB2008 (V1.0版)应用软件建立生物栖息地适宜度预测模型，其目 的是为了得到生物栖息地对各环境要素的适宜度图层，并最后在BS浏览器 计算机上将各图层通过叠加得到栖息地对水生生物的综合适宜度。本发明设计研制的实验系统设备能够进行水生生物栖息地环境监测数据 采集与处理、数字量化模拟以及栖息地与水环境变化关系分析等多种实验功 能，也能作为栖息地环境数字模拟计算的工程应用软件开发平台使用。
权利要求
1、水生生物栖息地环境数据采集与计算机仿真系统，其特征是BS 1浏览器计算机的第一管脚与以太网交换机的第二管脚相接，BS2浏览器计算机的第三管脚与以太网交换机的第四管脚相接，OLAP服务器的第六管脚与以太网交换机的第五管脚连接，DB数据库服务器的第八管脚与以太网交换机第七管脚连接，AP应用服务器的第十管脚与以太网交换机的第九管脚连接，AP应用服务器通过互联网与IPC工业控制计算机的第十二管脚连接，IPC工业控制计算机的第十四管脚与AQI水质监测装置的第十三管脚连接，AQI水质监测装置与Sn传感器相接，所述的Sn传感器包括若干个传感器。
2、 根据权利要求1所述的水生生物栖息地环境数据采集与计算机仿真系 统，其特征是所述的Sn传感器、AQI水质监测装置和IPC工业控制计算机组 成水质水文监测和数据采集系统，其中Sn传感器通过RS422串行接口或者 同步时钟脉冲信号接AQI水质监测装置；AQI水质监测装置通过第十三管脚 与IPC工业控制计算机的第十四管脚连接，IPC工业控制计算机通过第十二 管脚与互联网连接，AQI水质监测装置与IPC工业控制计算机之间互联以 19.2Kbps的速率传送数据包。
3、 根据权利要求1所述的水生生物栖息地环境数据采集与计算机仿真系 统，其特征是所述的Sn传感器包括压力式水位传感器，水面蒸发传感器，水 温度传感器，大气湿度传感器，智能型水质监测传感器，相对湿度测量传感 器，其中水质监测传感器的接线端子的第四管脚、第三管脚、第二管脚、第 一管脚与第二插头座(j2)的第四管脚 第七管脚对应连接，水质监测传感器的数据传输采用RS422串行接口标准；压力式水位传感器的接线端子的第 二管脚(TIN2)连接电阻(Rl)，并通过电阻(Rl)连接第一运算放大器(AO 的输入端(E)，第一运算放大器(Al)的第三管脚经电阻(R2)、电位器 (RP1)、电阻(R4)连接第二运算放大器(A2)的输入端，第二运算放大 器(A2)的第九管脚与第三插头座(J3)第五管脚对应连接；水面蒸发传感 器的接线端子的第二管脚(TIN2)连接电阻(R0O ，并通过电阻(R01)连 接第三运算放大器(A3)的输入端(E)，第三运算放大器(A3)的第三管 脚经电阻(R04)、电位器(RP1)连接第三插头座(J3)第十管脚；水温度 传感器接线端子的第二管脚连接插头座(J3)的第十三管脚，水温度传感器 接线端子的第三管脚连接第三插头座(J3)第十四管脚大气湿度传感器接 线端子的第二管脚连接第三插头座(J3)第十二管脚，大气湿度传感器接线 端子第三管脚连接第三插头座(J3)第十一管脚。
全文摘要
本发明是水生生物栖息地环境数据采集与计算机仿真系统，包括OLAP服务器，DB数据库服务器，AP应用服务器，BS1浏览器计算机、BS2浏览器计算机，网络设备以太网交换机，IPC工业控制计算机，AQI水质监测装置和Sn监测传感器。优点模拟地面传感器自动化收集数据，建立实仿真数据库进行数据库管理和仿真实验；模拟的远程传感器收集的多种类实验数据经互联网远程接入、网络传输实验；水质预测，GIS数据预处理，生态栖息地模拟及关系模型计算实验；进行水生生物栖息地适宜度限制性方程求解计算，地理信息处理管理、界面图形图象显示和人机交互实验；作为水生生物栖息地环境数字仿真实验平台及环境评价的工程应用软件开发平台。
文档编号G09B25/00GK101334943SQ200810022700
公开日2008年12月31日 申请日期2008年7月23日 优先权日2008年7月23日
发明者炜 黄 申请人:炜 黄