一種多點定位采水系統(tǒng)設計構想

翟偉東

摘 要：本設計構想旨在設計一種多點定位采水系統(tǒng)，更具體的是一種能夠用來多點定位采集水樣并進行分瓶存儲的采水系統(tǒng)。

關鍵詞：多點定位;傾斜式排閥

0 引言

水是生命之源，人類的生產生活活動都離不開水，水質的好壞在很大程度上影響著工業(yè)品質量和生活質量。在水庫、公園、濕地這些水資源豐富并且其水質與大眾身心健康息息相關的地方，對水質進行定期定點監(jiān)測尤為重要。

對水質進行定期定點監(jiān)測是指針對某一水域，根據(jù)事先規(guī)劃好的路徑或是事先標記好的地點，按照一定的時間規(guī)律（比如每周一的上午）進行多點水質采樣，通過水質采樣并對所采集的樣本進行專業(yè)儀器的分析與檢測，從而實現(xiàn)定期監(jiān)測水質的功效。

目前大多數(shù)的湖泊、公園、濕地等水域都采取了這樣的檢查方式。按照河流型濕地公園、湖庫型濕地公園、沼澤型濕地公園的分類，每種類型濕地公園水環(huán)境監(jiān)測采樣點應能覆蓋所需的生態(tài)檢測和評價范圍，除特殊需要（因地形、水深和監(jiān)測目標所限制）外，所有采樣點應在檢測范圍內均勻布設，可采用網格式、斷面或梅花式等布設方式進行采樣點布置。并且為保證采樣的連續(xù)性和周期性，通常水環(huán)境中部分自然指標如水溫、PH、DO等數(shù)據(jù)需要進行實時連續(xù)的監(jiān)測，其他指標的監(jiān)測時間設置為豐水期、平水期、枯水期各采樣一到兩次。

為執(zhí)行上述任務，現(xiàn)在的濕地公園或是湖泊管理部門都采用了人工操作的人工取樣裝置，所使用的取樣設備十分簡陋，一般采用惰性材料（如不銹鋼、聚四氟乙烯等）制作成瓶狀的采樣器，而且操作方式為人工吊放，一方面僅就操作手法而言缺乏規(guī)范操作，容易由于人體與水樣接觸而影響采樣結果的準確性，另一方面則是由于所有的過程都是由人來手動控制，在造成效率低下的同時可能會造成管理上的疏忽導致進行多點采樣時出現(xiàn)混亂或是錯誤。

因此，亟需一種能夠提升采集效率，降低人為行動對所采水樣產生影響，并且能夠按照預設采水地點自行工作、自行記錄采水地點的一種自動化采水系統(tǒng)。

1 設計方案

本發(fā)明的目的在于：（1）解決人工采水過程中人為操作對所采水質產生的污染問題;（2）解決一次任務采集多地水樣時產生的水樣存儲問題;（3）解決在定時定點采水過程中所產生的管理調度問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案，主要包括兩個部分：傾斜式排閥、控制模塊。

1.1 傾斜式排閥

傾斜式排閥包括五個部分：進水導管、為微型水泵、傾斜式排閥、微型電磁閥以及儲水容器。它的入水口軸線與地面保持水平時，與入水口相連的水流管道與地面存在5度的夾角，在這個傾斜的水流管道的下方有數(shù)個開口，每個開口對應一個電磁閥與相應的水樣存儲裝置，在排閥與入水口相距最遠的一個開口所對應的電磁閥下方不放置水樣存儲裝置，而應為一條通向被采集水域或是廢水箱。整個下位機的控制由一塊微型處理器完成，所述微型處理器可以選用stm32c103型微型處理器。

1.2 控制模塊

采用了GPS定位系統(tǒng)，GPS在整個任務過程中可將任務過程中整個裝置的位置信息上傳至上位機部分。上位機的運行平臺是能夠運行Windows系統(tǒng)的手提電腦，通過Labview軟件開發(fā)。通過識別任務地點來控制下位機的運行與停止。

2 具體工作流程

首先，整個工作裝置通電并且調試GPS以及上下位機之間的通信，攜帶采水裝置前往工作水域，以湖泊型濕地公園為例，其整個工作區(qū)域采取網格式劃分，可由無人水質檢測船或是有人駕駛的小艇攜帶，整個裝置進入自動工作狀態(tài)。

到達第一處水質檢測點附近，GPS模塊將整個裝置的位置信息不斷傳到上位機，上位機通過比對目標地點的位置信息決定是否命令采水機械裝置開始工作，若GPS回傳的位置信息與目標地點之間距離達到某一數(shù)值（例如目標地點周圍5m的水域），上位機發(fā)出指令，采水裝置開始運行。水泵開始工作，水被抽入排閥當中，同時，打開第二個電磁閥（電磁閥的計數(shù)方式為，從最低的一個電磁閥為第一個電磁閥算起，依次遞增），水流進入容器中，直至容器充滿水樣后關閉第二個電磁閥。關閉第二個電磁閥的同時打開最后一個電磁閥（下文中稱作“排水閥”），水泵停止工作，等候數(shù)秒鐘，直至液體全部從排閥中流出。待排閥中液體流干后，前往下一處水樣采集點。在進行任務時，上位機自動對該地的位置信息進行編號，第一處到達的目標點標為點1，之后編號以此類推。

到達第二處水質檢測點附近后，同樣通過GPS位置信息與任務地點進行比對，符合要求后水泵重新開始工作，工作同時打開排水閥，用任務地點的水流對排閥內部進行沖刷，避免排閥內殘留的上個地點的液體對本次采樣造成過大影響。等待幾秒后，關閉排水閥，打開第三個電磁閥，待第二個儲水容器灌滿后關閉第三電磁閥，打開排水閥同時關閉水泵，等待幾秒，待排閥中液體流干后再前往下一處任務地點。

重復以上動作，在每個地點都根據(jù)GPS定位信息記錄船到達的先后順序，查到最后一個儲水容器灌滿后，算為一次工作循環(huán)結束，返回實驗室后將儲水容器取下并對水質進行實驗與檢測。每次進行完之后先用洗滌劑洗去油污，用自來水沖凈，再用10%鹽酸洗凈，自來水沖凈后備用。

3 結論

本文闡述了一種多點定位采水系統(tǒng)的設計方案，它能夠通過獨特的傾斜式門閥設計，以及GPS定位系統(tǒng)，實現(xiàn)多點定位水樣采集。該系統(tǒng)能夠大大減少水樣采集過程中人員的工作量，工作人員只需要攜帶整個裝置前往工作地點，一方面簡化了工作流程，另一方面由于整個設備本身的工作特性決定人員與水樣不會直接接觸，避免了采水過程中的二次污染，并且分離式采水裝置解決了任務過程中采集多地水樣所帶來的水樣分離存儲問題，利用GPS定位系統(tǒng)實現(xiàn)了水樣位置信息記錄，避免由于人工操作而帶來的種種不確定因素。

我國當前正處在生態(tài)文明建設的重要時期，而水質的監(jiān)測則是重中之重，可以看到，本文闡述的多點定位采水系統(tǒng)將在生態(tài)環(huán)境保護領域擁有廣闊的發(fā)展前景。

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