1、大連理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）格式規(guī)范水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)- PAGE II - PAGE III -摘 要在現(xiàn)今21世紀(jì)人類社會(huì)，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，我們正在朝著高科技的方向前進(jìn)，但是地球的資源是有限的。我們?cè)谌侔l(fā)展的同時(shí)，環(huán)境問題也變得越來越嚴(yán)峻。地球上大約有十三億八千六百萬立方千米，其中的百分之九十六點(diǎn)五存在于海洋中，淡水只有三千五百萬萬立方千米。而全球共有大約70億人口，這造成了水資源的嚴(yán)重缺乏，水成了非常寶貴的資源。因此對(duì)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)是現(xiàn)今一個(gè)相當(dāng)重要的課題。在如今的和平時(shí)期，電子硬件和軟件技術(shù)也發(fā)生了巨大的變化，我們有了更加靈敏的各種高精度傳感器，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更加發(fā)展迅速，這使

2、得水質(zhì)監(jiān)測(cè)變得更加及時(shí)和準(zhǔn)確。本文主要研究了基于樹莓派、PC和手機(jī)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)的服務(wù)器運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)下，通過無線網(wǎng)絡(luò)連接樹莓派端和手機(jī)端，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程水質(zhì)數(shù)據(jù)的模擬采集、水質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸、水質(zhì)數(shù)據(jù)顯示和水質(zhì)數(shù)據(jù)的分析和水質(zhì)數(shù)據(jù)的保存。本文研究的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)旨在充分利用現(xiàn)有的設(shè)備和資源，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)水質(zhì)實(shí)時(shí)上報(bào)的目的。本文首先講述了課題的研究背景、目的和國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，接著分析了水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)際需求并論述了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的可行性，然后介紹了本文研究的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中用到的相關(guān)技術(shù)，最后詳細(xì)論述了水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)和

3、實(shí)現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞：環(huán)境問題；水質(zhì)監(jiān)測(cè)；網(wǎng)絡(luò)傳輸；大連理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）格式規(guī)范水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) PAGE 2 Design and implementation of water quality monitoring data acquisition systemAbstract In todays twenty-first Century, human society, science and technology are developing rapidly, we are moving in the direction of high-tech, but the e

4、arths resources are limited. While we are developing at full speed, environmental issues have become quite important. There are about 1 billion 386 million cubic kilometers of earth, 96.5% of which are in the ocean, and only 35 million cubic kilometers of fresh water. While the global total populati

5、on of about 7 billion, which caused a serious lack of water resources, water is a very valuable resource. Therefore, the monitoring of water quality is a very important topic today.In todays era of peace, electronic hardware and software technology has undergone tremendous changes, we have all kinds

6、 of high precision sensor more sensitive, more rapid development of network technology, which makes the water quality monitoring become more timely and accurate.This paper mainly studies the design and implementation of water quality monitoring data acquisition system based on raspberry pie, PC and

7、mobile phone. The server running under the Windows operating system with raspberry pie and mobile phone through a wireless network, to achieve the preservation of water quality data analysis and remote water quality data collection, data transmission, simulation of water quality data and water quali

8、ty data of the. The data acquisition system of water quality monitoring in this paper aims to make full use of the existing equipment and resources, and achieves the goal of remote monitoring and real-time reporting of water quality.This paper describes the purpose and research status at home and ab

9、road, research background, and then analyzes the actual demand of water quality monitoring data acquisition system and discusses the feasibility of the system, and then introduces the related technology used in water quality monitoring data acquisition system in this study, finally discusses the des

10、ign and realization method of each function the water quality monitoring data acquisition system module.Key Words：Environmental problems; water quality monitoring; network transmission;目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc484610966 摘 要 PAGEREF _Toc484610966 h I HYPERLINK l _Toc484610967 Abstract PAGE

11、REF _Toc484610967 h II HYPERLINK l _Toc484610968 引 言 PAGEREF _Toc484610968 h 1 HYPERLINK l _Toc484610969 1 緒論 PAGEREF _Toc484610969 h 2 HYPERLINK l _Toc484610970 1.1 課題研究背景 PAGEREF _Toc484610970 h 2 HYPERLINK l _Toc484610971 1.2 研究目的和意義 PAGEREF _Toc484610971 h 2 HYPERLINK l _Toc484610972 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

12、 PAGEREF _Toc484610972 h 2 HYPERLINK l _Toc484610973 1.3.1 國(guó)外水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r PAGEREF _Toc484610973 h 2 HYPERLINK l _Toc484610974 1.3.2 國(guó)內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究概況 PAGEREF _Toc484610974 h 3 HYPERLINK l _Toc484610975 1.4 主要研究工作 PAGEREF _Toc484610975 h 3 HYPERLINK l _Toc484610976 1.5 論文組織結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc484610976 h 4 HYPE

13、RLINK l _Toc484610977 2 系統(tǒng)分析 PAGEREF _Toc484610977 h 5 HYPERLINK l _Toc484610978 2.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能需求 PAGEREF _Toc484610978 h 5 HYPERLINK l _Toc484610979 2.1.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的模擬產(chǎn)生 PAGEREF _Toc484610979 h 5 HYPERLINK l _Toc484610980 2.1.2 數(shù)據(jù)的無線傳輸功能 PAGEREF _Toc484610980 h 5 HYPERLINK l _Toc484610981 2.1.3 客戶端

14、與服務(wù)器間的通信處理功能 PAGEREF _Toc484610981 h 6 HYPERLINK l _Toc484610982 2.1.4 數(shù)據(jù)的顯示功能 PAGEREF _Toc484610982 h 6 HYPERLINK l _Toc484610983 2.1.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的需求 PAGEREF _Toc484610983 h 6 HYPERLINK l _Toc484610984 2.1.6 數(shù)據(jù)的分析能力需求 PAGEREF _Toc484610984 h 6 HYPERLINK l _Toc484610985 2.2 系統(tǒng)的軟件環(huán)境需求 PAGEREF _Toc4846109

15、85 h 6 HYPERLINK l _Toc484610986 2.3 系統(tǒng)的硬件環(huán)境需求 PAGEREF _Toc484610986 h 7 HYPERLINK l _Toc484610987 2.4 可行性分析 PAGEREF _Toc484610987 h 7 HYPERLINK l _Toc484610988 2.4.1 技術(shù)可行性 PAGEREF _Toc484610988 h 7 HYPERLINK l _Toc484610989 2.4.2 經(jīng)濟(jì)可行性 PAGEREF _Toc484610989 h 7 HYPERLINK l _Toc484610990 2.5 本章小結(jié) PA

16、GEREF _Toc484610990 h 7 HYPERLINK l _Toc484610991 3 系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)和框架介紹 PAGEREF _Toc484610991 h 8 HYPERLINK l _Toc484610992 3.1 樹莓派ARM處理器系統(tǒng) PAGEREF _Toc484610992 h 8 HYPERLINK l _Toc484610993 3.1.1 樹莓派簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc484610993 h 8 HYPERLINK l _Toc484610994 3.1.2 樹莓派編程與GPIO控制 PAGEREF _Toc484610994 h 9 HYPERL

17、INK l _Toc484610995 3.2 Qt程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc484610995 h 10 HYPERLINK l _Toc484610996 3.3 手機(jī)端程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc484610996 h 11 HYPERLINK l _Toc484610997 3.4 控制芯片的選擇 PAGEREF _Toc484610997 h 12 HYPERLINK l _Toc484610998 3.5 TCP/IP技術(shù) PAGEREF _Toc484610998 h 12 HYPERLINK l _Toc484610999 3.5.1 Qt Socket技術(shù) PA

18、GEREF _Toc484610999 h 13 HYPERLINK l _Toc484611000 3.6 CRC校驗(yàn)技術(shù) PAGEREF _Toc484611000 h 14 HYPERLINK l _Toc484611001 3.7 本地?cái)?shù)據(jù)庫存儲(chǔ)技術(shù) PAGEREF _Toc484611001 h 14 HYPERLINK l _Toc484611002 3.8 Visual Studio和VisualGDB平臺(tái) PAGEREF _Toc484611002 h 15 HYPERLINK l _Toc484611003 3.9 本章小結(jié) PAGEREF _Toc484611003 h 1

19、6 HYPERLINK l _Toc484611004 4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc484611004 h 17 HYPERLINK l _Toc484611005 4.1 樹莓派端模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc484611005 h 17 HYPERLINK l _Toc484611006 4.1.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的模擬產(chǎn)生模塊 PAGEREF _Toc484611006 h 17 HYPERLINK l _Toc484611007 4.1.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無線傳輸模塊 PAGEREF _Toc484611007 h 18 HYPERLINK l _Toc4846110

20、08 4.2 PC端模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc484611008 h 18 HYPERLINK l _Toc484611009 4.2.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收模塊 PAGEREF _Toc484611009 h 18 HYPERLINK l _Toc484611010 4.2.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的顯示模塊 PAGEREF _Toc484611010 h 18 HYPERLINK l _Toc484611011 4.2.3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模塊 PAGEREF _Toc484611011 h 18 HYPERLINK l _Toc484611012 4.3 手機(jī)端模塊設(shè)計(jì) PAGEREF

21、 _Toc484611012 h 19 HYPERLINK l _Toc484611013 4.4 各模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc484611013 h 19 HYPERLINK l _Toc484611014 4.4.1 樹莓派端程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc484611014 h 19 HYPERLINK l _Toc484611015 4.4.2 PC端程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc484611015 h 20 HYPERLINK l _Toc484611016 4.2.3 手機(jī)端應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn) PAGEREF _Toc484611016 h 27 HYPERLI

22、NK l _Toc484611017 4.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc484611017 h 29 HYPERLINK l _Toc484611018 5 總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc484611018 h 30 HYPERLINK l _Toc484611019 5.1 樹莓派端軟件測(cè)試總結(jié) PAGEREF _Toc484611019 h 30 HYPERLINK l _Toc484611020 5.2 PC端軟件測(cè)試總結(jié) PAGEREF _Toc484611020 h 30 HYPERLINK l _Toc484611021 5.3 手機(jī)端軟件測(cè)試總結(jié) PAGEREF _

23、Toc484611021 h 31 HYPERLINK l _Toc484611022 結(jié) 論 PAGEREF _Toc484611022 h 32 HYPERLINK l _Toc484611023 參 考 文 獻(xiàn) PAGEREF _Toc484611023 h 33 HYPERLINK l _Toc484611024 致 謝 PAGEREF _Toc484611024 h 34- PAGE 33 -引 言近年來，水污染問題頻繁發(fā)生，我國(guó)的水資源總量大約只有兩萬八千億立方米，每個(gè)人分到的約兩千三百立方米，只占了世界人均擁有量的四分之一，排在一百二十一位，為十三個(gè)貧水國(guó)之一。再中國(guó)六百四十個(gè)城

24、市中有三百多個(gè)缺水。中國(guó)有82%的人飲用淺井和江河水，這其中有的水質(zhì)嚴(yán)重污染，已經(jīng)超過了衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的占百分之七十五，有大約1.6億人口正在飲用污染水。國(guó)內(nèi)目前的一些水質(zhì)監(jiān)測(cè)仍然是采用人工監(jiān)測(cè)的方式進(jìn)行，這種方式監(jiān)測(cè)起來效果緩慢，需要監(jiān)測(cè)人員進(jìn)行實(shí)地考察并將水質(zhì)樣品帶回實(shí)驗(yàn)室才能進(jìn)一步進(jìn)行水質(zhì)的監(jiān)測(cè)。再次期間水質(zhì)樣品有可能發(fā)生變質(zhì)，因此做不到水質(zhì)情況的實(shí)時(shí)反映，而且可能在運(yùn)輸過程中水質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的不正確，導(dǎo)致獲得不正確的監(jiān)測(cè)結(jié)果，造成難以想象的后果，影響國(guó)家對(duì)水資源的保護(hù)。同時(shí)人工檢測(cè)方法不容易保存數(shù)據(jù)，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)必定出現(xiàn)隱患，因此可以看出人工監(jiān)測(cè)弊端多多，長(zhǎng)此以往水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不僅會(huì)

25、丟失，而且還會(huì)越來越不準(zhǔn)，失去了應(yīng)有的參考價(jià)值。這個(gè)時(shí)候就需要一種可以及時(shí)方便快捷的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法的產(chǎn)生，可以進(jìn)行長(zhǎng)距離的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，能夠?qū)⑺|(zhì)情況快速回報(bào)給有關(guān)部門，給應(yīng)急預(yù)案提供足夠的時(shí)間解決水資源問題。對(duì)于以上生產(chǎn)實(shí)際情況出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，本文給出了比較理想的解決方案。該方案采用樹莓派、手機(jī)和PC，設(shè)計(jì)出了水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器模式。這種服務(wù)器/客戶端的模式比較常見。通常情況下，桌面計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)運(yùn)行服務(wù)器，客戶端主機(jī)與服務(wù)器主機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)連接，其使用場(chǎng)景幾乎沒有限制，客戶端可以遠(yuǎn)在千里之外的重要江河湖海取水地，這樣的設(shè)計(jì)使得水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集更加的方便、準(zhǔn)確以及準(zhǔn)

26、時(shí)。通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模式，保證了整個(gè)系統(tǒng)的靈活性、通用性和可擴(kuò)展性。這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解決了人工檢測(cè)水資源的大部分缺點(diǎn)，達(dá)到了高效準(zhǔn)確的目的。在這個(gè)系統(tǒng)中，客戶端需要利用高精度的傳感器采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端，服務(wù)器端根據(jù)傳回的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的應(yīng)急措施。這個(gè)系統(tǒng)一旦工作起來比人工監(jiān)測(cè)的方式效率高很多，省去了大量的人力物力，監(jiān)測(cè)方便，監(jiān)測(cè)范圍大。1 緒論1.1 課題研究背景目前人類社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入高度文明的社會(huì)，科技化程度較高，每天都在發(fā)生變化，但是地球的各種資源是非常有限的，其中水資源更是人類賴以生存的根本。人類生活離不開水資源，我們要保護(hù)水資源，但是水資源的污染也在

27、同時(shí)進(jìn)行。因此需要設(shè)計(jì)一套提供及時(shí)、準(zhǔn)確和完備的信息支持水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)該能夠真實(shí)反映水體狀況。由于水流域往往存在于偏遠(yuǎn)地區(qū)，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)地點(diǎn)分布分散，數(shù)量龐大，距離中心城市遠(yuǎn)，而且，突發(fā)性水污染事故也會(huì)導(dǎo)致不確定斷面的增加，這給水質(zhì)監(jiān)測(cè)添加了更多的麻煩 REF _Ref449686451 r h 1。因此本文設(shè)計(jì)了一套水質(zhì)監(jiān)測(cè)較為完善的系統(tǒng)，能夠很好的監(jiān)測(cè)水資源的異動(dòng)情況，做到實(shí)時(shí)防護(hù)。1.2 研究目的和意義目前的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不可能對(duì)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的所有監(jiān)測(cè)量建立水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。目前的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都是由采樣人員采集樣品后運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)，這就涉及到采樣規(guī)范、準(zhǔn)確、樣品交接與管理

28、以及采樣點(diǎn)相關(guān)信息錄入方便、及時(shí)的問題。因此需要設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化監(jiān)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，這樣更加的高效監(jiān)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)的變化，達(dá)到及時(shí)和實(shí)時(shí)的水質(zhì)情況反映，為有關(guān)部門做好水質(zhì)管理提供巨大便利。有了水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，水資源的保護(hù)有了更加有利的技術(shù)和數(shù)據(jù)支持，利于國(guó)家進(jìn)行宏觀調(diào)控，實(shí)時(shí)了解水資源的情況，查處水污染企業(yè)和個(gè)人，對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境和人類可持續(xù)發(fā)展都有巨大作用。1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在目前階段，很多發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)建立了以監(jiān)測(cè)水質(zhì)污染綜合指標(biāo)及其某些特定項(xiàng)目為基礎(chǔ)的水質(zhì)污染自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)WPMS（Water Pollution Monitoring System)，這個(gè)系統(tǒng)能夠建立多個(gè)監(jiān)測(cè)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)站，

29、并且讓它們分布在不同的區(qū)域。在大部分情況下，將由一個(gè)中心站控制若干個(gè)子站，全天候不間斷的對(duì)所有子站的水質(zhì)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，形成一個(gè)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) REF _Ref449686468 r h 2。1.3.1 國(guó)外水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是從上個(gè)世紀(jì)70年代發(fā)展起來的。美國(guó)、英國(guó)、日本、荷蘭、德國(guó)理局李河管理處設(shè)有5個(gè)監(jiān)測(cè)站，在日本東京都水質(zhì)污染連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)有27個(gè)監(jiān)測(cè)站。早期監(jiān)測(cè)河流水系等地面水的方法較為簡(jiǎn)單，一般都是在一定時(shí)間一定地點(diǎn)瞬時(shí)獲取水質(zhì)樣品，并把它們送回到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。上面這種人工抽查監(jiān)測(cè)的方法，并不能夠及時(shí)和準(zhǔn)確的反映水質(zhì)變化。DAEWS（The Danube Acci

30、dent Emergency Warning System)是多瑙河沿岸的各個(gè)國(guó)家（按所處河域的位置順序?yàn)椋旱聡?guó)、奧地利、捷克、斯洛伐克、匈牙利、斯洛維尼亞、克羅埃西亞、羅馬尼亞和保加利亞）共同實(shí)施的一個(gè)項(xiàng)目 REF _Ref449686484 r h 3。這個(gè)方案提供多瑙河水質(zhì)的實(shí)時(shí)信息，一旦水質(zhì)發(fā)生變化，通過衛(wèi)星系統(tǒng)將事故警報(bào)傳到下游國(guó)家，為下游國(guó)家有關(guān)部門采取相應(yīng)措施提供了條件。WATERS項(xiàng)目是威尼斯咸水（礁）湖水體的環(huán)境參數(shù)的集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警服務(wù)。這個(gè)項(xiàng)目為了降低投資及運(yùn)行費(fèi)用，采用15條配備特殊和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的浮船每日在所管轄的水域中航行以獲取不同位置水體的及時(shí)監(jiān)測(cè)

31、數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過傳輸設(shè)備傳輸?shù)降孛娴男畔⑻幚碇行模?dāng)某項(xiàng)數(shù)據(jù)超過警戒值時(shí)發(fā)出警報(bào)，并通過分析水質(zhì)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)（有關(guān)水質(zhì)的物理、化學(xué)、生物、水力的數(shù)據(jù)）的相互關(guān)系，做出相應(yīng)的決策 REF _Ref7671 r h * MERGEFORMAT 4。1.3.2 國(guó)內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究概況從目前調(diào)查結(jié)果來看，發(fā)展中國(guó)家大都面臨水資源污染問題。從總的來說，我國(guó)水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作還處于起步階段，許多地方主要在排污企業(yè)設(shè)置水質(zhì)流量監(jiān)測(cè)等簡(jiǎn)單監(jiān)測(cè)儀器，無法全面的監(jiān)測(cè)水質(zhì)的變化，我國(guó)在黃浦江流域以及寶鋼、武鋼等大型企業(yè)的供排水系統(tǒng)建立水質(zhì)連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。通過建立這些系統(tǒng)，我國(guó)逐漸在水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面取得新進(jìn)展，為以后的水質(zhì)

32、監(jiān)測(cè)站點(diǎn)建立打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。自從上個(gè)世紀(jì)以來，北京、上海、天津以及個(gè)別省會(huì)城市相繼建立水質(zhì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，但這些監(jiān)測(cè)設(shè)備主要依賴于進(jìn)口。從使用情況上來看，運(yùn)行故障率較高。我國(guó)于1983年在上海建立了黃浦江水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且在1984年正式投產(chǎn)運(yùn)行，在1985年9月通過鑒定。黃浦江水質(zhì)連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)具有集中式多端點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、無線通訊的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)24h連續(xù)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)。該系統(tǒng)由一個(gè)中心站，三個(gè)水質(zhì)分站組成。中心站通過控制中心的PDP11/23計(jì)算機(jī)向分布的子站發(fā)出指令，各子站微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示、打印，并通過無線通訊將儲(chǔ)存的10min平均值送到中心站，由中心站匯總，月報(bào)表等，為整治

33、黃浦江提供科學(xué)的定量數(shù)據(jù) REF _Ref7763 r h 5。1.4 主要研究工作本篇論文主要講述了畢業(yè)設(shè)計(jì)的起因和課題背景，分析了要用到的技術(shù)。對(duì)硬件電路和軟件程序進(jìn)行了分析，并且詳細(xì)介紹了它們所要用到的技術(shù)。數(shù)據(jù)將會(huì)從樹莓派客戶端采集，然后發(fā)送到PC服務(wù)器端，在此期間，手機(jī)端也將連接進(jìn)入服務(wù)器端獲取數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行起來后，樹莓派端會(huì)首先生成模擬的水質(zhì)采集數(shù)據(jù)，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的服務(wù)器上，服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析和存儲(chǔ)。分析了上述研究?jī)?nèi)容，本設(shè)計(jì)將著重講解以下部分：基于無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的模擬和產(chǎn)生Windows平臺(tái)下圖形界面的實(shí)現(xiàn)樹莓派端程序的實(shí)現(xiàn)手機(jī)端程序的實(shí)

34、現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)1.5 論文組織結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)論文總體上分為五個(gè)部分，每個(gè)部分的要點(diǎn)按如下內(nèi)容講解：第一章：緒論。該章節(jié)講述了設(shè)計(jì)的研究背景以及目的意義、國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，著重講解了主要研究?jī)?nèi)容。第二章：該章節(jié)分析了水質(zhì)采集系統(tǒng)的方案可行性。分析了系統(tǒng)的需求來源，考慮用到的軟硬件環(huán)境。第三章：該章節(jié)講解了系統(tǒng)用到的關(guān)鍵技術(shù)和框架。著重介紹了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)用到的技術(shù)。第四章：水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。先講解了整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)，然后對(duì)功能和模塊進(jìn)行了簡(jiǎn)單劃分，最后介紹了用到的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，然后是各個(gè)模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。第五章：技術(shù)總結(jié)，反思結(jié)果，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和效率。2 系統(tǒng)分析該章節(jié)將會(huì)詳細(xì)介

35、紹整個(gè)系統(tǒng)的功能需求，所要運(yùn)行的硬件環(huán)境，并且對(duì)可行性方面進(jìn)行簡(jiǎn)單到位的分析。2.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能需求從水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究目的來看，整個(gè)設(shè)計(jì)應(yīng)該具備如下一系列功能：水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的模擬產(chǎn)生數(shù)據(jù)的無線傳輸客戶端與服務(wù)器間的通信處理數(shù)據(jù)的顯示功能數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能數(shù)據(jù)的分析功能2.1.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的模擬產(chǎn)生水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要用到非常專業(yè)的高精度傳感器才能采集到，目前條件下不能獲得這些較昂貴的傳感器，因此采用模擬的方式產(chǎn)生較正常的數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)最依賴的部分就是數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，因此設(shè)計(jì)一個(gè)模擬產(chǎn)生數(shù)據(jù)的程序非常重要。數(shù)據(jù)模擬產(chǎn)生并不代表數(shù)據(jù)不具有參考價(jià)值，模擬產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是根據(jù)一定的算法產(chǎn)

36、生。這些數(shù)據(jù)與真實(shí)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并沒有什么差別，因此不必?fù)?dān)心整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。另外，模擬產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是完全隨機(jī)的，不存在人工干預(yù)的情況，這樣就保證了數(shù)據(jù)的相對(duì)真實(shí)性，而且數(shù)據(jù)產(chǎn)生方式相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)橥饨绲母蓴_而產(chǎn)生錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，對(duì)研究水質(zhì)變化狀況非常有幫助。從監(jiān)測(cè)的對(duì)象上看，我們主要檢測(cè)環(huán)境水體，地表水例如江、河、湖、庫、海水以及地下水，以及工業(yè)廢水、生活污水和醫(yī)院污水等。針對(duì)不同的水體狀況，應(yīng)該做到不同的模擬，確保做到模擬效果與真實(shí)效果大致相同。2.1.2 數(shù)據(jù)的無線傳輸功能要保證水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和及時(shí)，需要快速的將數(shù)據(jù)傳送出去，同時(shí)又考慮到客戶端由于需要采集數(shù)據(jù)，將會(huì)安置在非常遠(yuǎn)的地方，因

37、此無線傳輸功能是必需的。考慮到真實(shí)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)實(shí)例，一般水質(zhì)監(jiān)測(cè)都是在野外水環(huán)境下進(jìn)行，必然與監(jiān)測(cè)中心有一定距離，因此無線網(wǎng)絡(luò)傳輸就變得相當(dāng)重要，沒有無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，這個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率將會(huì)大打折扣。無線傳輸功能只需要簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)支持，就可以連接的服務(wù)器，同時(shí)加密技術(shù)也相當(dāng)?shù)某墒臁１ＷC了水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的安全和有效。采用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸保證了大規(guī)模監(jiān)測(cè)站的可行性，讓水資源的監(jiān)測(cè)能夠在更多的地區(qū)進(jìn)行，又可以同時(shí)方便的匯總。2.1.3 客戶端與服務(wù)器間的通信處理功能在實(shí)際水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)需要多達(dá)數(shù)個(gè)才能會(huì)的非常具體全面的平面水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中客戶端有多個(gè)，因此每一個(gè)需要特殊的編號(hào)，這樣就能獲得

38、具體地點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，而且這樣有利于后期添加更多的客戶端用于監(jiān)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)，這樣做提高了整個(gè)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。有了這個(gè)特殊編號(hào)，后期可以加進(jìn)更多的水質(zhì)監(jiān)測(cè)客戶端，形成一個(gè)巨大的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，從而更加全面的了解大面積的水域水質(zhì)情況變化。2.1.4 數(shù)據(jù)的顯示功能水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在接收到數(shù)據(jù)后，需要合適的界面用來顯示數(shù)據(jù)，以便于監(jiān)測(cè)人員實(shí)時(shí)的分析數(shù)據(jù)，因此這一功能也是非常必要的。該功能需要服務(wù)器在接收到數(shù)據(jù)后用合適的方法呈現(xiàn)出來。對(duì)于實(shí)時(shí)變化的數(shù)據(jù)來說，圖表是最合適不過的顯示方法，能夠一眼就看出數(shù)據(jù)的變化是否正常，這樣就能更加快速的做出行動(dòng)，控制水質(zhì)污染進(jìn)一步發(fā)展。圖形化的顯示方式能夠給人一目了然的感覺，方

39、便水質(zhì)監(jiān)測(cè)人員及時(shí)迅速了解水質(zhì)變化情況。2.1.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的需求將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來無疑是非常必要的措施，水質(zhì)數(shù)據(jù)更是需要如此，水質(zhì)的變化反應(yīng)了水污染的情況，觀察歷史數(shù)據(jù)可以有效的分析水資源是否正在遭受污染，或者水資源正在變得更加好，與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，能夠得出現(xiàn)在應(yīng)該采取什么措施來保護(hù)水資源。水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)隨著時(shí)間流逝而消失，但這樣做不便于后期對(duì)水質(zhì)變化的研究，因此需要將水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，但是水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量異常龐大，因此需要數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫會(huì)非常有利于觀察異常龐大的數(shù)據(jù)，這樣做也有利于數(shù)據(jù)在其他應(yīng)用程序中使用，做好了數(shù)據(jù)的遷移工作。2.1.6 數(shù)據(jù)的分析能力需求水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

40、應(yīng)該能夠做一些簡(jiǎn)單的分析以便于代替部分人力工作，例如復(fù)雜單一的數(shù)據(jù)計(jì)算，有些數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步的分析才能夠看出其變化。2.2 系統(tǒng)的軟件環(huán)境需求PC端的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)服務(wù)端需要運(yùn)行在Windows 7 sp1及以上的操作系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)需要支持TCP/IP協(xié)議的支持。樹莓派客戶端的系統(tǒng)需要基于Linux系統(tǒng)，且同樣的要支持TCP/IP協(xié)議 REF _Ref484613395 r h * MERGEFORMAT 11。手機(jī)端需要Android6.0及以上系統(tǒng)且同樣需要TCP/IP協(xié)議支持。2.3 系統(tǒng)的硬件環(huán)境需求計(jì)算機(jī)硬件需求CPU：Intel Core i5及以上內(nèi)存：2GB及以上硬盤：2

41、0GB及以上可用空間網(wǎng)絡(luò)：能夠連接上網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境需要一個(gè)能聯(lián)網(wǎng)的路由器樹莓派硬件需求CPU：需要ARM9及以上處理器內(nèi)存：需要至少1GB內(nèi)存存儲(chǔ)：需要至少8GB存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)：需要具有無限網(wǎng)卡模塊2.4 可行性分析2.4.1 技術(shù)可行性通過對(duì)整個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，可以得出這個(gè)系統(tǒng)所要用到的技術(shù)大概有以下幾個(gè)方面：無線網(wǎng)絡(luò)下的TCP/IP技術(shù)、數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)技術(shù)以及Windows程序編寫技術(shù)、Android應(yīng)用程序開發(fā)技術(shù)、arm應(yīng)用程序開發(fā)技術(shù)。這些技術(shù)都是我所熟悉和了解的，而且是比較成熟的，因此可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所要求的內(nèi)容。2.4.2 經(jīng)濟(jì)可行性從軟件代碼來看，用到的都是免費(fèi)和開源的技術(shù)和

42、框架，然后從硬件來看，樹莓派開發(fā)板、計(jì)算機(jī)、手機(jī)都是現(xiàn)有的，無需多余的設(shè)備，因此實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)所需的成本相對(duì)較低。2.5 本章小結(jié)在本章節(jié)中我們分析了水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)際情況應(yīng)用，然后接著分析了系統(tǒng)需要用到的硬件和運(yùn)行代碼程序用到的操作系統(tǒng)，最后分析了可行性。總的來說實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)用到的技術(shù)和硬件都已經(jīng)非常成熟，前期做好足夠的調(diào)查和學(xué)習(xí)工作，并且加上自己已有的知識(shí)就能夠完成設(shè)計(jì)。3 系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)和框架介紹3.1 樹莓派ARM處理器系統(tǒng)由于要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸，因此再用STM32單片機(jī)控制就顯得不夠用了，因此使用了ARM處理器。ARM處理器性能強(qiáng)勁，運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，是嵌入式設(shè)備的不二選擇

43、。3.1.1 樹莓派簡(jiǎn)介樹莓派（Raspberry Pi）是arm開發(fā)板，其CPU是基于arm的cortex-a53處理器，內(nèi)部有g(shù)pu，能夠輸出1080p高清視頻。樹莓派由英國(guó)劍橋大學(xué)博士埃本厄普頓(Eben Epotn)設(shè)計(jì)，博士的開發(fā)目標(biāo)是為了教育青少年兒童了解Linux操作系統(tǒng) REF _Ref452029408 r h 6。樹莓派有A和B兩種版本，價(jià)格只有25/35美金，但是它的面積與我們平時(shí)用的信用卡相差無幾。它提供了以太網(wǎng)（B版）、USB、HDMI接口，基于Linux的操作系統(tǒng)、Python語言開發(fā)環(huán)境，同時(shí)也支持C、Java等語言，可用于編程開發(fā)或作為網(wǎng)絡(luò)電視機(jī)頂盒。CPU時(shí)鐘

44、默認(rèn)為1.2Ghz REF _Ref452029412 r h 7。樹莓派在全世界都有很好的口碑，評(píng)價(jià)也是相當(dāng)?shù)暮茫瑧?yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，從教育一直蔓延到工業(yè)控制，機(jī)器人研究，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)等等領(lǐng)域。樹莓派開發(fā)板如圖3.1所示。圖3.1 樹莓派開發(fā)板3.1.2 樹莓派編程與GPIO控制樹莓派默認(rèn)用Python作為其開發(fā)語言，但Python是一種解釋執(zhí)行語言，運(yùn)行效率比C/C+慢，因此本設(shè)計(jì)采用C+進(jìn)行開發(fā)。樹莓派運(yùn)行Raspain操作系統(tǒng)，類似于Ubuntu，是一種Linux操作系統(tǒng)。因此程序開發(fā)與在PC上開發(fā)并無兩樣。樹莓派上有40個(gè)IO口如圖3.2所示，本設(shè)計(jì)采用wiringPi驅(qū)動(dòng)來控制GP

45、IO和串口。wiringPi庫是由Gordon Henderson所編寫并維護(hù)的一個(gè)用C語言寫成的類庫。一開始，主要是作為BCM2835芯片的GPIO庫。但是現(xiàn)在，已經(jīng)發(fā)展的非常豐富，除了GPIO庫，還包括了I2C庫、SPI庫、UART庫和軟件PWM庫等。wiringPi 是應(yīng)用于樹莓派平臺(tái)的GPIO 控制庫函數(shù)，使用C或者C + + 開發(fā)，能夠控制樹莓派上提供的GPIO、UART、I2C、SPI 等資源。wiringPi 集成庫封裝了這些資源的控制函數(shù)，安裝該集成庫后，可對(duì)樹莓派硬件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行開發(fā) REF _Ref452029429 r h 8。由于其與Arduino的“wiring”系統(tǒng)較為

46、類似，所以以wiringPi命名。它是采用GNU LGPLv3許可證的，可以在C或C+上使用，而且在其他編程語言上也有對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展。wiringPi庫包含了一個(gè)命令行工具gpio，它可以用來謳置GPIO管腳，可以用來讀寫GPIO管腳，甚至可以在Shell腳本中使用來達(dá)到控制GPIO管腳的目的。樹莓派開發(fā)板的管腳分布如圖3.2所示。圖3.2 樹莓派GPIO管腳分布情況3.2 Qt程序設(shè)計(jì)整個(gè)上層的程序設(shè)計(jì)我們采用Qt來進(jìn)行編寫。Qt是由奇趣科技在1991年開發(fā)的跨平臺(tái)C+圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架 REF _Ref484613641 r h * MERGEFORMAT 12。Qt既可以用來開發(fā)G

47、UI程序，也可用于開發(fā)非GUI程序，例如控制臺(tái)工具和服務(wù)器。Qt是面向?qū)ο蟮目蚣埽褂锰厥獾拇a生成擴(kuò)展（稱為元對(duì)象編譯器(Meta Object Compiler, moc)）以及一些宏，易于擴(kuò)展，允許組件編程。Qt的最重要的優(yōu)點(diǎn)在于它能夠跨平臺(tái)使用，Qt支持Windows、Linux、Solaris， SunOS， HP-UX等操作系統(tǒng)。Qt是面向?qū)ο蟮目蚣埽姆庋b機(jī)制非常精妙，這使得其模塊化程度達(dá)到了一個(gè)很高的層次，有豐富的API和良好的重用性，它有將近250個(gè)C+類。難能可貴的一點(diǎn)是對(duì)嵌入式平臺(tái)具有良好的支持，具體表現(xiàn)在Qt可以直接操控framebuff，這種做法使得嵌入式產(chǎn)品的圖形

48、界面非常美觀，觀賞性提升了不止一個(gè)檔次。Q t/Embedded 的特性是可以直接在Framebuffer 上顯示圖形接口, 反應(yīng)的速度更快 REF _Ref452029436 r h 9。本設(shè)計(jì)上層程序采用Qt編寫界面與控制端，程序使用Qt編寫界面。Qt是一個(gè)基于C+的跨平臺(tái)的UI和應(yīng)用開發(fā)框架，它包括一套跨平臺(tái)的類庫、一整套整合的開發(fā)工具和一個(gè)跨平臺(tái)的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。使用Qt，我們可以有效的重用代碼，使用一個(gè)代碼庫既可以適配14個(gè)或者更多的主要的桌面、嵌入式和移動(dòng)平臺(tái)。3.3 手機(jī)端程序設(shè)計(jì)在目前社會(huì)，手機(jī)已經(jīng)成了人們?nèi)粘Ｉ畈荒茈x開的工具，利用手機(jī)技術(shù)來為本設(shè)計(jì)服務(wù)將使得整個(gè)設(shè)計(jì)

49、更加完美。目前手機(jī)系統(tǒng)大致分為Android操作系統(tǒng)和iOS操作系統(tǒng)以及其它等。本設(shè)計(jì)主要依賴于Qt在安卓系統(tǒng)上的技術(shù)應(yīng)用。Qt在Android上的模塊主要如表3.3所示。表3.3 Qt模塊在Android上的支持情況模塊Qt5.2Qt5.3Qt Core支持支持Qt Multimedia音頻、視頻、相機(jī)音頻、視頻、相機(jī)Qt Network支持支持Qt Quick Controls不支持安卓Native風(fēng)格不支持安卓Native風(fēng)格Qt SQLSQliteSQLiteQt WebKit不支持不支持Qt Widgets支持支持Qt GUI QML Qt Quick支持支持因此利用Qt在Andro

50、id上開發(fā)應(yīng)用程序完全可行，可以設(shè)計(jì)出和桌面應(yīng)用相媲美的APP程序。3.4 控制芯片的選擇在前期我們打算直接使用STM32單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)，STM32單片機(jī)簡(jiǎn)單易上手，功能豐富，資料相對(duì)齊全，同時(shí)也是我眾多單片機(jī)中運(yùn)用的比較熟悉的一款，STM32F103型的單片機(jī)主頻最高能到80Mhz左右，一般的程序應(yīng)該沒有問題，我們選用ALIENTEK MiniSTM32開發(fā)板，其上配有STM32F103RBT6，性價(jià)比較高，擁有128KB FLASH、20KB SRAM、2個(gè)SPI、3個(gè)串口、一個(gè)CAN、2個(gè)12位的ADC（16通道）、RTC、DMA、4個(gè)16位定時(shí)器、51個(gè)可用的I/O腳等 REF _Re

51、f452029436 r h 10。但是由于后期加入的算法異常龐大，并且STM32驅(qū)動(dòng)攝像頭本身就將消耗巨大資源，所以最終選擇放棄。接下來，我們轉(zhuǎn)戰(zhàn)ARM單片機(jī)，恰巧手上有一款友善之臂的ARM開發(fā)板，核心是三星的Exynos4412，是Coratx-A9的處理器，性能相當(dāng)強(qiáng)勁，但后期在實(shí)踐的過程中，由于資料和源碼實(shí)在太少，教程又難以找到，所以最終放棄。很早就知道有一款A(yù)RM開發(fā)板，是創(chuàng)客們的首選，它的資料相當(dāng)豐富，而且社區(qū)相當(dāng)龐大，在全球各地都有不少發(fā)燒友用它做出各種神奇的作品。因此最終我們選擇了樹莓派。本次待選擇的開發(fā)硬件如圖3.4所示。圖3.4 開發(fā)硬件選擇3.5 TCP/IP技術(shù)TCP/

52、IP技術(shù)的中文叫法是傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議，也叫做網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，這是Internet的最基礎(chǔ)的協(xié)議、Internet網(wǎng)國(guó)際連接的基礎(chǔ)。它由網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議和傳輸層的TCP協(xié)議組成。這個(gè)協(xié)議定義了電子設(shè)備連接互聯(lián)網(wǎng)的方法，傳輸數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議有4層層級(jí)結(jié)構(gòu)，大概的意思說就是：TCP主要負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)傳輸?shù)膯栴}，有問題就發(fā)出信號(hào)，要求重新傳輸，直到所有數(shù)據(jù)安全的傳輸?shù)侥康牡亍６鳬P給了因特網(wǎng)的每一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備一個(gè)地址。ISO制定的OSI參考模型非常的龐大、復(fù)雜，因此引起了很多人的批評(píng)。鑒于此技術(shù)人員們自己開發(fā)出了TCP/IP協(xié)議棧。TCP/IP協(xié)議棧是美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局計(jì)算機(jī)網(wǎng)（Advanc

53、ed Research Projects Agency Network，ARPANET）和其后繼因特網(wǎng)使用的參考模型。在不斷的發(fā)展后，最終ARPANET發(fā)展成為全球規(guī)模最大的互連網(wǎng)絡(luò)-因特網(wǎng)。TCP/IP參考模型主要分為四個(gè)層次：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)互連層和主機(jī)到網(wǎng)絡(luò)層。整個(gè)socket信息傳輸過程如圖3.5所示。圖3.5 socket通信流程3.5.1 Qt Socket技術(shù)這里我們使用Qt Socket的TCP通信編程。通常的Socket的通信異常復(fù)雜，包括bind()、listen()、connect()、accept()、read()、write()、close()等函數(shù)。使用起來相當(dāng)

54、復(fù)雜，需要經(jīng)過建立三次握手。這里我們使用的Qt Socket簡(jiǎn)化了大部分的操作，抽象出來了QtSocket類供我們調(diào)用，屏蔽了一些底層的代碼，使socket通信更加簡(jiǎn)單。在服務(wù)器端我們需要建立QTcpServer類，然后調(diào)用listen函數(shù)監(jiān)聽從任何IP地址和特定端口過來的連接。然后利用connect函數(shù)建立信號(hào)和槽連接。原型如下：connect(tcpServer,SIGNAL(newConnection(),this,SLOT(newConnect();當(dāng)有新的連接到來時(shí)，觸發(fā)此槽函數(shù)，發(fā)送信號(hào)newConnection()，然后調(diào)用newConnect()函數(shù)。這時(shí)我們可以在該函數(shù)中處理

55、連接過來的socket信息，不用去管連接的建立過程，這些工作都被qt在底層做好了，方便了應(yīng)用程序的快速開發(fā)。在客戶端我們需要建立QTcpSocket類，然后調(diào)用connectToHost函數(shù)連接服務(wù)器。然后我們可以在程序的任何地方調(diào)用write()函數(shù)向socket中寫入數(shù)據(jù)，qt會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器。3.6 CRC校驗(yàn)技術(shù)CRC校驗(yàn)即是循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種查錯(cuò)校驗(yàn)碼，它的特點(diǎn)明顯，可以任意設(shè)定校驗(yàn)字段和信息字段的長(zhǎng)度，是一種數(shù)據(jù)傳輸檢錯(cuò)功能，校驗(yàn)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式計(jì)算，把得到的結(jié)果添加到傳輸幀的后面，接收方也同樣進(jìn)行相同的算法，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院驼_性。這里

56、我們采用在嵌入式開發(fā)中經(jīng)常用到的CRC-16校驗(yàn)。首先我們將CRC寄存器的值設(shè)置為FFFF，然后將數(shù)據(jù)的第一個(gè)8-bit字符與16位CRC寄存器的最后8位進(jìn)行異或，然后把結(jié)果存入CRC寄存器。這時(shí)再講CRC寄存器向右邊移動(dòng)一位，最高位補(bǔ)一個(gè)0，移出最低位并且進(jìn)行檢查。如果最低位是0，在繼續(xù)讓CRC寄存器向右移動(dòng)，重復(fù)進(jìn)行最高位補(bǔ)0，依次移動(dòng)，并且檢查移出的最低位，如果最低位是1，那么將CRC寄存器與多項(xiàng)式碼進(jìn)行異或操作。重復(fù)進(jìn)行上述步驟，直到8次移位操作全部進(jìn)行完畢，這樣就完成了一個(gè)8-bit的數(shù)據(jù)操作，如果數(shù)據(jù)過多，則再次進(jìn)行上述操作，直到全部數(shù)據(jù)異或完畢，則CRC寄存器內(nèi)的值就是生成的校驗(yàn)

57、值。3.7 本地?cái)?shù)據(jù)庫存儲(chǔ)技術(shù)本文使用SQLite數(shù)據(jù)庫技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。SQLite是一款輕型的數(shù)據(jù)庫，遵守ACID的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)庫是嵌入式的，可以在許多嵌入式產(chǎn)品中使用，具有占用資源小的特點(diǎn)，支持Windows/Linux/Unix等操作系統(tǒng)，而且還能和多種程序語言結(jié)合，處理速度非常快。SQlite是一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的庫，它能夠自給自足，不需要其他服務(wù)器，無需配置的數(shù)據(jù)庫引擎。不需要任何配置意味著無需安裝或者管理，就能夠運(yùn)行，非常適合嵌入式的開發(fā)。SQlite數(shù)據(jù)庫是存儲(chǔ)在本地的磁盤文件，意味著移植與跨平臺(tái)非常方便。該數(shù)據(jù)庫非常小巧，是輕量級(jí)的，完全配置時(shí)小于400kb，而且

58、不需要任何的外部依賴。SQlite完全兼容ACID，允許從多個(gè)進(jìn)程或線程安全訪問。3.8 Visual Studio和VisualGDB平臺(tái)在開發(fā)arm處理器程序時(shí)，通常的方式大都是在Linux操作系統(tǒng)下進(jìn)行，但是樹莓派作為個(gè)人微型電腦，可以允許在多個(gè)平臺(tái)開發(fā)應(yīng)用程序，支持目前已知的多種編程語言。因此，為了本設(shè)計(jì)的代碼能夠跨平臺(tái)，故采用PC平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，編程語言采用C+語言。Visual studio是美國(guó)Microsoft公司開發(fā)的編程工具集合。功能非常強(qiáng)大，它集成了一個(gè)軟件在開發(fā)過程中所用到的大部分工具，包括代碼管理工具，集成開發(fā)環(huán)境，編譯運(yùn)行調(diào)試工具。其所開發(fā)的代碼可以在所有微軟的操作系

59、統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行。最新版本是基于.NET Framework4.5.2。Visual studio給了程序開發(fā)人員很多的便利之處，能夠讓其快速的進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)，其還能夠讓個(gè)人程序與團(tuán)隊(duì)程序進(jìn)行共享，保證團(tuán)隊(duì)開發(fā)的整個(gè)系統(tǒng)能夠保持同步更新，其軟件編程環(huán)境也取得了巨大的突破，具有良好的用戶體驗(yàn)，編程人員不在拘束于編程過程中出現(xiàn)的一些令人惱怒的小麻煩，讓編程人員專注于代碼的編寫。Visual studio具有功能異常強(qiáng)大的程序調(diào)試功能，能夠精確定位程序代碼所出現(xiàn)的問題。如上所述，只有visual studio無法開發(fā)其他操作系統(tǒng)下的程序，因此還需要插件的支持。在這里我們使用visualGDB插件進(jìn)行程

60、序的開發(fā)。VisualGDB插件允許我們?cè)赪indows操作系統(tǒng)下使用編程工具開發(fā)Linux程序。VisualGDB的原理是，通過ssh連接Linux主機(jī)，利用ssh下達(dá)Linux命令和程序文件。VisualGDB的配置菜單如圖3.4所示。圖3.6 visualGDB配置界面在visualGDB界面內(nèi)我們可以選擇創(chuàng)建Qt程序，插件會(huì)自動(dòng)通過ssh連接我們的Linux操作系統(tǒng)主機(jī)樹莓派開發(fā)板。如果我們沒有在樹莓派上安裝Qt的類庫，插件會(huì)自動(dòng)幫助我們安裝相關(guān)插件。然后就可以像在PC上開發(fā)程序一樣開發(fā)Linux程序。3.9 本章小結(jié)本章主要介紹了水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所使用的主要技術(shù)和開發(fā)框架。4 系