专利名称：应用于水质应急监测的遥控立体采样系统及采样方法
技术领域：
本发明涉及一种采用嵌入式技术、无线通信技术、GPS定位技术的遥控立体采样系统及采样方法。
背景技术：
近年来，我国乃至全球的水污染事件发生频率不断上升，在应对突发性水污染事故时，由于缺乏现场机动监测设备，不能对污染水域进行移动监测，无法及时跟踪污染物扩散状况，难以对污染水域进行评估判断。传统人工划船取水测量，由于水域面积大，肉眼判断位置准确定度低且存在一定危险；现有的自动监测站由于位置固定，监测范围较小，不能全面反映水质状况，难以实时发现和跟踪污染；常用的应急监测手段多是船载专业人员现场测量，但这会带来较多的制造成本和劳力成本，且一旦水质事故发生，监测船的调度也并不能非常及时。如何快速获取有效水样本成为应急监测的一大难题。
在申请号为200910143532. X的中国发明专利中，所述的水样采集器能够接受岸上操作人员的指令到达指定地点采集水样，通过先前设定的采样深度，在不同地点采集不同深度水样，并返回出发处。但是采样地的地理位置和实际采样深度没能记录，不利于监测人员对水环境的评估，同时其执行机构单一，不能满足复杂水域的应急监测；此外该发明中对水样采集部分的描述过于简单，难以实现。在申请号为201110173075. 6的中国发明专利中，所设计的采样监测船配置水上、水下摄像头及基站中心视频监控功能，大大加强了对采样系统的调控能力，但对采样模块的描述仅仅为“单片机输出端接蠕动泵控制模块输入端， 控制泵的启停和样品量”，这对发明的实现和后续研究作用不大。当遇到突发水污染事故需要多个断面同时监测时，该发明内容无法满足要求。发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种应用于水质应急监测的遥控立体采样系统及采样方法。
本发明的目的是通过采用以下技术方案实现的一种应用于水质应急监测的遥控立体采样系统及采样方法，它包括基站监控终端、若干个手持遥控终端和若干个执行子系统，所有执行子系统均通过GPRS与基站监控终端通信，每个执行子系统均与一手持遥控终端无线通信。执行子系统由采样装置和控制装置相连组成。所述采样装置包括水管升降机、 蠕动泵、分流接头、涡轮流量计、若干电磁阀和若干保温储水槽。水管升降机由步进电机、卷盘、采样软管和支架组成，采样软管缠绕在卷盘上，卷盘用支架支撑固定，步进电机通过齿轮与卷盘连接，带动卷盘转动。采样软管的一端套上过滤网，另一端接金属弯管。金属弯管通过卷盘上的卷盘轴孔伸入卷盘内并与二向接头紧密连接。金属管的一端与二向接头的另一端相接，接口处套有橡皮圈与轴承。金属管的另一端接蠕动泵的输入端，蠕动泵、涡轮流量计和分流接头依次连接，分流接头分别通过管道与若干保温储水槽相连，每个管道上安装控制该管道通断的电磁阀。
控制装置由第一中央处理器、第一无线模块、GPRS模块、GPS模块、RS232接口电路、步进电机驱动模块、直流电机驱动模块、继电器开关电路、流量信号处理电路和电源模块组成；所述第一无线模块和GPRS模块通过RS232接口电路与第一中央处理器连接，流量信号处理电路接第一中央处理器输入端。第一中央处理器输出端分别接直流电机驱动模块、步进电机驱动模块和继电器开关电路，直流电机驱动模块连接蠕动泵的直流减速电机， 步进电机驱动模块连接步进电机，继电器开关电路模块连接电磁阀。
手持遥控终端由第二中央处理器、第二无线模块、TFT触摸显示屏、RS232接口电路、SD卡和电源模块组成；第二无线模块通过RS232接口电路与第二中央处理器连接，TFT 触摸显示屏和SD卡均与第二中央处理器连接。
基站监控终端为具有固定外网IP的计算机，通过监听IP数据，与执行子系统上的GPRS模块进行通信，发送控制指令，接收采样时间、位置、深度、样品量等信息，并调用 GOOGLE MAP定位跟踪。
一种应用上述采样系统的采样方法，包括如下步骤(1)将采样系统的若干执行子系统分布于待测水域位置，执行子系统上电并初始化后， 通过GPRS模块向基站监控终端发送相应分机编号；执行子系统的第一中央处理器处于串口中断待命状态；(2)基站监控终端或手持遥控终端将采样信息(包括采样位置、采样深度、采样量)发送到执行子系统；(3)执行子系统的GPRS模块或者第一无线模块接收到指令后，首先输入到第一中央处理器，第一中央处理器判断指令是否有效，若上一指令尚未执行完毕或者指令顺序有误， 则第一中央处理器返回错误警报，由GPRS模块发回基站监控终端或者由第一无线模块发回手持遥控终端；若指令有效，则第一中央处理器首先清除采样装置状态，停止所有电机运行，并进行指令解析；(4)第一中央处理器根据所解析的指令输出具体的控制信号执行相应操作；执行顺序为(4. I)第一中央处理器打开相应串口，读取GPS信息获取采样点经纬度；(4. 2)第一中央处理器输出启动信号到步进电机驱动模块，步进电机驱动模块控制步进电机正向转动， 将采样软管送至设定的深度；(4. 3)第一中央处理器输出导通信号到继电器开关电路，打开电磁阀，导通样品序号对应的管路；(4. 4)第一中央处理器输出启动信号到直流电机驱动模块，驱动蠕动泵的直流电机开始抽水；(4. 5)涡轮流量计实时检测管路流量信号输入到流量信号处理电路，信号处理后输入到第一中央处理器，第一中央处理器根据累计流量控制蠕动泵的启停，使取样量达到设定要求；(4. 6)—次取样结束后，第一中央处理器输入控制信号到步进电机驱动模块，步进电机驱动模块控制步进电机反向转动，收回采样软管； 或步进电机驱动模块控制步进电机正向转动另一角度，将采样软管送至另一个设定的深度，继续开始采样；(4. 7)待当前指令执行结束后，执行子系统的第一中央处理器重新处于串口中断待命状态；(5)第一中央处理器自收到指令到该指令执行结束整个过程中，每隔2s发回当前运行状态和位置信息，由GPRS模块发回基站监控终端或者由第一无线模块发回手持遥控终端。
本发明相对于现有技术，其有益效果是(I)本发明具备的功能满足《水质采样方案设计技术规定GB12997-91》，《水质采样器技术要求及监测办法HJ/J372-2007》相关规定，保证了采样点和采样深度的精确性，发送并保存米样信息。
(2)应对突发性水污染事故时，能够快速获取有效水样品，用于污染程度分析、污染源跟踪、污染模拟预测。
(3)系统配置若干个执行子系统可用于大型水域多断面采样监测，便于基站管理和数据处理。


图I是本发明的系统示意图；图2是本发明执行子系统采样装置结构图；图3是本发明执行子系统控制装置设计图；图4是本发明执行子系统控制装置流量信号处理电路图；图5是本发明执行子系统控制装置RS232接口电路图；图6是本发明手持遥控终端设计图；图7是本发明手持遥控终端工作流程图；图8是本发明基站监控界面设计图；图9是本发明执行子系统软件控制流程图；图中，采样装置I、控制装置2、执行子系统3、手持遥控终端4、基站监控终端5、步进电机6、齿轮7、卷盘8、过滤网9、采样软管10、二向接头11、金属弯管12、轴承13、卷盘轴孔 14、金属管15、支架16、蠕动泵17、分流接头18、涡轮流量计19、电磁阀20、保温储水槽21。
具体实施方式
如图I所示，本发明应用于水质应急监测的遥控立体采样系统及采样方法包括基站监控终端5、若干个手持遥控终端4和若干个执行子系统3，所有执行子系统3均通过 GPRS与基站监控终端通信，每个执行子系统3均与一手持遥控终端无线通信。执行子系统 3由采样装置I和控制装置2相连组成。
如图2所示,采样装置I包括水管升降机、螺动泵17、分流接头18、润轮流量计19、 若干电磁阀20和若干保温储水槽21。水管升降机由步进电机6、卷盘8、采样软管10和支架16组成，采样软管10缠绕在卷盘8上，卷盘8用支架16支撑固定，步进电机6通过齿轮7 与卷盘8连接，带动卷盘8转动。采样软管10的一端套上过滤网9，另一端接金属弯管12。 金属弯管12通过卷盘8上的卷盘轴孔14伸入卷盘8内并与二向接头11紧密连接。金属管15的一端与二向接头11的另一端相接，接口处套有橡皮圈与轴承13。金属管15的另一端接蠕动泵17的输入端，蠕动泵17、涡轮流量计19和分流接头18依次连接，分流接头18 分别通过管道与若干保温储水槽21相连，每个管道上安装控制该管道通断的电磁阀20。
如图3所示，控制装置2由第一中央处理器、第一无线模块、GPRS模块、GPS模块、 RS232接口电路、步进电机驱动模块、直流电机驱动模块、继电器开关电路、流量信号处理电路、电源模块组成。第一无线模块和GPRS模块通过RS232接口电路与第一中央处理器连接， 流量信号处理电路接第一中央处理器输入端。第一中央处理器输出端分别接直流电机驱动模块、步进电机驱动模块和继电器开关电路，直流电机驱动模块连接蠕动泵17的直流减速电机，步进电机驱动模块连接步进电机6，继电器开关电路连接电磁阀20。电源模块为各模块供电。
如图6所示，手持遥控终端4由第二中央处理器、第二无线模块、TFT触摸显示屏、 RS232接口电路、SD卡、电源模块组成。第二无线模块通过RS232信号转换电路与第二中央处理器连接，TFT触摸显示屏和SD卡均与第二中央处理器连接。电源模块为各模块供电。
基站监控终端5可以由具有固定外网IP的普通PC机实现。
实施例I:如图I所示，遥控立体采样系统包括基站监控终端5、若干手持遥控终端4、若干执行子系统3和设在执行子系统3上的控制装置2、采样装置I。
如图2所示,采样装置I包括水管升降机、螺动泵17、分流接头18、润轮流量计19、 若干电磁阀20和若干保温储水槽21。水管升降机由步进电机6、卷盘8、软管10和支架 16组成,步进电机6通过齿轮7与卷盘8连接,带动卷盘8转动。步进电机6可采用型号 86HS9850A4,具有静力矩8. 2N. m,由于其额定电流较大，额定电压较小，因此选用MD680模块进行驱动，该模块24V供电，设置为12800步数时振动较小，又满足深度调节的精度要求。 具有大扭矩的步进电机可实现功能。
水管升降机的构造为本发明重点，具体为采样软管10的一端套上过滤网9与250g 重物浸入待测水域中，采样软管10缠绕于卷盘8，采样软管10的另一端接金属弯管12。金属弯管12通过卷盘轴孔14伸入卷盘8轴内部，与二向接头11紧密连接。金属管15与二向接头11的另一端相接，接口处套有橡皮圈与轴承13，既保证管路的密封性，又减小二向接头11与金属管15之间的滑动摩擦力。其设计的目的是卷盘8带动采样软管10入水端升降，同时保证水管升降机出口端金属管15固定不动，连接蠕动泵17。
蠕动泵17由蠕动泵头和直流减速电机组成。蠕动泵头可采用型号YZ2515X，其具备的抽水能力为I. 7 1740mL/min，所配的软管型号为24# (内径6. 4mm，壁厚2. 5mm)。该配置能够保证5米深度内抽水流量不衰减，有效抽水深度达10米。带动蠕动泵头的电机可采用600转/分钟的直流减速电机，可用单片机的IO 口控制启停、调节转速，控制采样量。具备5米以上抽水能力的低电压水泵均可实现功能。
涡轮流量计19可采用型号LWGY-4，选用DN4 (I分管)的仪表口径，其测量范围为 60(T4000mL/min，适用于流量80(Tl500mL/min的采样装置。该流量计输出脉冲频率信号， 频率大小对应流量大小。信号通过图4的处理电路降压后输入单片机获取频率值，换算成累计流量值后反馈调节蠕动泵的抽水。由于该流量计的最大输出频率不超过4KHz，故所选电路元件均符合要求。
分流接头18输出端做成标准插口，电磁阀20和其所在管路可根据具体采样样品数量的增减直接插拔。电磁阀20可采用型号2W-06 二位二通直动式膜片电磁阀，选用(I分管)的仪表口径，所需的额定电压为12V，符合采样装置水样分离控制的需求。
所述保温储水槽21为手提结构，分内外两层。外层起到隔离保温左右，内层为洁净的玻璃器皿。水槽口通过旋钮与管路连接，方便装卸。
如图3所示，控制装置2包括第一中央处理器、第一无线模块、GPRS模块、GPS定位模块、RS232信号转换电路、步进电机驱动模块、直流电机驱动模块、继电器开关控制模块、 流量信号处理电路、电源模块。
第一中央处理器可采用STM32RBT6单片机，主要功能为两种通信实现数据收发、 解析指令并输出控制信号、读取流量数据、读取GPS。所述单片机共64管脚，三个USART串口资源，分别连接无线模块、GPRS模块、GPS模块，三个模块与单片机接口之间还需要RS232 接口电路进行信号转换，如图5。拥有三个串口资源的单片机基本可以实现功能。单片机通用I/O 口和PWM输出口用以控制步进电机驱动模块、直流减速电机驱动模块、电机开关控制模块。
第一无线模块可采用FHL0603系列433MHz无线数据传输模块，最大发射功率 500mW，可靠传输距离大于2km，实际有效通信距离大于1km，完全满足岸边遥控控制需求。 该模块可直接通过串口中断读取数据，无需附加程序驱动。具有较大范围通信能力的无线模块可以实现功能。所述GPRS与GPS模块可采用SM908集成芯片，通过单片机写入AT指令设置具体功能，使能后也可直接通过串口中断读取数据。
步进电机驱动模块可采用MD680，具备恒流输出和细分调节功能，可用单片机I/O 口交替脉冲信号控制。直流减速电机驱动模块采用L298N桥式电路，可用一组单片机PWM 输出控制转速。继电器开关控制模块控制电磁阀组的通断，采用30V/10A继电器组配以三极管隔离电路，利用单片机I/O 口高低电平控制。
电源模块包含24V蓄电池和两块12V蓄电池，构成24V、 z 12V电源，同时利用稳压芯片制作12V转5V、5V转3. 3V电路。
手持遥控终端4由第二中央处理器、第二无线模块、TFT触摸显示屏、RS232信号转换电路、SD卡、电源模块组成。触摸显示屏为2. 8寸TFTIXD，以字符串方式显示接收数据， 以触点区域识别方式捕捉屏幕按键，从而形成控制指令编码发送。所述第二中央处理器采用STM32RBT6单片机，其中34脚驱动显示屏，一个USART串口资源连接FHL0603第二无线模块，与执行子系统3进行IOOOm内短距离通信，一个SPI资源连接SD卡，记录接收到的采样信息。64脚以上的单片机可实现第二中央处理器的功能。手持遥控终端4的界面分为主菜单(功能选择)和子菜单(参数设定)，子菜单中设有参数发送栏和采样信息接收栏。手持遥控终端4的电源模块为5V电池和5V转3. 3V的稳压电路。手持遥控终端工作如图7所/Jn ο
所述基站监控终端5可以由具有固定外网IP的普通PC机实现，其上位监听界面如图8所示，包含本机IP设置栏、对方IP监听栏、指令发送栏、数据接收栏、GOOGLE MAP 显示栏。所述上位监听界面利用C#编写，利用本机IP地址和所选端口号创建Socket实例，建立TCPListener连接，与执行子系统3上的GPRS模块进行远程通信。使用C#中的 webBrowser控件调用访问GOOGLE MAP,根据接收到的GPS数据，在地图上描绘位置轨迹，掌握执行子系统的实时方位，进行综合调度管理。
如图9所示，本发明的采样过程如下1、将采样系统的若干执行子系统分布于待测水域位置，执行子系统上电并初始化后， 通过GPRS模块向基站监控终端发送相应分机编号；执行子系统的第一中央处理器处于串口中断待命状态；2、基站监控终端或手持遥控终端将采样信息(包括采样位置、采样深度、采样量)发送到执行子系统；
3、执行子系统的GPRS模块或者第一无线模块接收到指令后，首先输入到第一中央处理器，第一中央处理器判断指令是否有效，若上一指令尚未执行完毕或者指令顺序有误，则第一中央处理器返回错误警报，由GPRS模块发回基站监控终端或者由第一无线模块发回手持遥控终端；若指令有效，则第一中央处理器首先清除采样装置状态，停止所有电机运行，并进行指令解析；
4、第一中央处理器根据所解析的指令输出具体的控制信号执行相应操作；执行顺序为I)第一中央处理器打开相应串口，读取GPS信息获取采样点经纬度；2)第一中央处理器输出启动信号到步进电机驱动模块，步进电机驱动模块控制步进电机正向转动，将采样软管送至设定的深度；3)第一中央处理器输出导通信号到继电器开关电路，打开电磁阀，导通样品序号对应的管路；4)第一中央处理器输出启动信号到直流电机驱动模块，驱动蠕动泵的直流电机开始抽水；5)涡轮流量计实时检测管路流量信号输入到流量信号处理电路， 信号处理后输入到第一中央处理器，第一中央处理器根据累计流量控制蠕动泵的启停，使取样量达到设定要求；6) —次取样结束后，第一中央处理器输入控制信号到步进电机驱动模块，步进电机驱动模块控制步进电机反向转动，收回采样软管；或步进电机驱动模块控制步进电机正向转动另一角度，将采样软管送至另一个设定的深度，继续开始采样。7)待当前指令执行结束后，执行子系统的第一中央处理器重新处于串口中断待命状态。
5、第一中央处理器自收到指令到该指令执行结束整个过程中，每隔2s发回当前运行状态和位置信息，由GPRS模块发回基站监控终端或者由第一无线模块发回手持遥控终端。
权利要求
1.一种应用于水质应急监测的遥控立体采样系统，其特征在于，它包括基站监控终端(5)、若干个手持遥控终端(4)和若干个执行子系统(3)等，所有执行子系统(3)均通过GPRS 与基站监控终端通信，每个执行子系统(3)均与一手持遥控终端无线通信；执行子系统(3) 由采样装置(I)和控制装置(2)相连组成；所述采样装置(I)包括水管升降机、蠕动泵(17)、 分流接头(18)、涡轮流量计(19)、若干电磁阀(20)和若干保温储水槽(21);水管升降机由步进电机(6)、卷盘(8)、采样软管(10)和支架(16)组成，采样软管(10)缠绕在卷盘(8)上， 卷盘(8)用支架(16)支撑固定,步进电机(6)通过齿轮(7)与卷盘(8)连接,带动卷盘(8) 转动；采样软管(10)的一端套上过滤网(9)，另一端接金属弯管(12);金属弯管(12)通过卷盘(8)上的卷盘轴孔(14)伸入卷盘(8)内并与二向接头(11)紧密连接；金属管(15)的一端与二向接头(11)的另一端相接，接口处套有橡皮圈与轴承(13);金属管(15)的另一端接蠕动泵(17)的输入端，蠕动泵(17)、涡轮流量计(19)和分流接头(18)依次连接，分流接头(18)分别通过管道与若干保温储水槽(21)相连，每个管道上安装控制该管道通断的电磁阀 (20)。
2.根据权利要求I所述应用于水质应急监测的遥控立体采样系统，其特征在于，所述控制装置(2)由第一中央处理器、第一无线模块、GPRS模块、GPS模块、RS232接口电路、步进电机驱动模块、直流电机驱动模块、继电器开关电路、流量信号处理电路和电源模块组成； 所述第一无线模块和GPRS模块通过RS232接口电路与第一中央处理器连接，流量信号处理电路接第一中央处理器输入端；第一中央处理器输出端分别接直流电机驱动模块、步进电机驱动模块和继电器开关电路，直流电机驱动模块连接蠕动泵(17)的直流减速电机，步进电机驱动模块连接步进电机(6 )，继电器开关电路连接电磁阀(20 )。
3.根据权利要求I所述应用于水质应急监测的遥控立体采样系统，其特征在于，所述手持遥控终端(4)由第二中央处理器、第二无线模块、TFT触摸显示屏、RS232接口电路、SD 卡和电源模块组成；所述第二无线模块通过RS232接口电路与第二中央处理器连接，TFT触摸显示屏和SD卡均与第二中央处理器连接。
4.根据权利要求I所述应用于水质应急监测的遥控立体采样系统，其特征在于，基站监控终端(5)可以由具有固定外网IP的普通PC机实现。
5.一种应用权利要求I所述采样系统进行的采样方法，其特征在于，包括如下步骤(1)将采样系统的若干执行子系统分布于待测水域位置，执行子系统上电并初始化后， 通过GPRS模块向基站监控终端发送相应分机编号；执行子系统的第一中央处理器处于串口中断待命状态；(2)基站监控终端或手持遥控终端将采样信息(包括采样位置、采样深度、采样量)发送到执行子系统；(3)执行子系统的GPRS模块或者第一无线模块接收到指令后，首先输入到第一中央处理器，第一中央处理器判断指令是否有效，若上一指令尚未执行完毕或者指令顺序有误， 则第一中央处理器返回错误警报，由GPRS模块发回基站监控终端或者由第一无线模块发回手持遥控终端；若指令有效，则第一中央处理器首先清除采样装置状态，停止所有电机运行，并进行指令解析；(4)第一中央处理器根据所解析的指令输出具体的控制信号执行相应操作；执行顺序为(4. I)第一中央处理器打开相应串口，读取GPS信息获取采样点经纬度；(4. 2)第一中央处理器输出启动信号到步进电机驱动模块，步进电机驱动模块控制步进电机正向转动， 将采样软管送至设定的深度；(4. 3)第一中央处理器输出导通信号到继电器开关电路，打开电磁阀，导通样品序号对应的管路；(4. 4)第一中央处理器输出启动信号到直流电机驱动模块，驱动蠕动泵的直流电机开始抽水；(4. 5)涡轮流量计实时检测管路流量信号输入到流量信号处理电路，信号处理后输入到第一中央处理器，第一中央处理器根据累计流量控制蠕动泵的启停，使取样量达到设定要求；(4. 6)—次取样结束后，第一中央处理器输入控制信号到步进电机驱动模块，步进电机驱动模块控制步进电机反向转动，收回采样软管； 或步进电机驱动模块控制步进电机正向转动另一角度，将采样软管送至另一个设定的深度，继续开始采样；(4. 7)待当前指令执行结束后，执行子系统的第一中央处理器重新处于串口中断待命状态；(5)第一中央处理器自收到指令到该指令执行结束整个过程中，每隔2s发回当前运行状态和位置信息，由GPRS模块发回基站监控终端或者由第一无线模块发回手持遥控终端。
全文摘要
本发明公开了一种应用于水质应急监测的遥控立体采样系统及采样方法，包括基站监控终端、手持遥控终端和执行子系统。监控终端采用普通PC机，对执行子系统进行远程监控；手持遥控终端包括触摸显示屏、中央处理器、无线模块、SD卡存储，与执行子系统进行短距离通信；执行子系统包括控制装置和采样装置，采样装置包括水管升降机、蠕动泵、分流接头、涡轮流量计、电磁阀和保温储水槽，一次可采取多个不同深度的水样。执行子系统可用于水质突发事件的快速取样和地表水域的常规巡检，此外，基站监控支持多个执行子系统同时运作时的综合管理。本发明体积小，操作便捷，功能实用，节省人力且价格低廉，可较好地帮助有关部门应对水质突发事件。
文档编号G01N1/14GK102937538SQ201210444479
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月8日 优先权日2012年11月8日
发明者张光新, 鲁天龙, 侯迪波, 黄平捷, 包莹, 冯天恒, 陈骁 申请人:浙江大学