翟偉東

摘 要：本設(shè)計構(gòu)想旨在設(shè)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(jìn)行分瓶存儲的采水系統(tǒng)。

關(guān)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(chǎn)生活活動都離不開水，水質(zhì)的好壞在很大程度上影響著工業(yè)品質(zhì)量和生活質(zhì)量。在水庫、公園、濕地這些水資源豐富并且其水質(zhì)與大眾身心健康息息相關(guān)的地方，對水質(zhì)進(jìn)行定期定點監(jiān)測尤為重要。

對水質(zhì)進(jìn)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(biāo)記好的地點，按照一定的時間規(guī)律（比如每周一的上午）進(jìn)行多點水質(zhì)采樣，通過水質(zhì)采樣并對所采集的樣本進(jìn)行專業(yè)儀器的分析與檢測，從而實現(xiàn)定期監(jiān)測水質(zhì)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(yīng)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(biāo)所限制）外，所有采樣點應(yīng)在檢測范圍內(nèi)均勻布設(shè)，可采用網(wǎng)格式、斷面或梅花式等布設(shè)方式進(jìn)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(biāo)如水溫、PH、DO等數(shù)據(jù)需要進(jìn)行實時連續(xù)的監(jiān)測，其他指標(biāo)的監(jiān)測時間設(shè)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(wù)，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(shè)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(jié)果的準(zhǔn)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(dǎo)致進(jìn)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(chǎn)生影響，并且能夠按照預(yù)設(shè)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(shè)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(zhì)產(chǎn)生的污染問題;（2）解決一次任務(wù)采集多地水樣時產(chǎn)生的水樣存儲問題;（3）解決在定時定點采水過程中所產(chǎn)生的管理調(diào)度問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)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(jìn)水導(dǎo)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(yīng)一個電磁閥與相應(yīng)的水樣存儲裝置，在排閥與入水口相距最遠(yuǎn)的一個開口所對應(yīng)的電磁閥下方不放置水樣存儲裝置，而應(yīng)為一條通向被采集水域或是廢水箱。整個下位機(jī)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(wù)過程中可將任務(wù)過程中整個裝置的位置信息上傳至上位機(jī)部分。上位機(jī)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(wù)地點來控制下位機(jī)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(diào)試GPS以及上下位機(jī)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(wǎng)格式劃分，可由無人水質(zhì)檢測船或是有人駕駛的小艇攜帶，整個裝置進(jìn)入自動工作狀態(tài)。

到達(dá)第一處水質(zhì)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(jī)，上位機(jī)通過比對目標(biāo)地點的位置信息決定是否命令采水機(jī)械裝置開始工作，若GPS回傳的位置信息與目標(biāo)地點之間距離達(dá)到某一數(shù)值（例如目標(biāo)地點周圍5m的水域），上位機(jī)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(dāng)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(jìn)入容器中，直至容器充滿水樣后關(guān)閉第二個電磁閥。關(guān)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(jìn)行任務(wù)時，上位機(jī)自動對該地的位置信息進(jìn)行編號，第一處到達(dá)的目標(biāo)點標(biāo)為點1，之后編號以此類推。

到達(dá)第二處水質(zhì)檢測點附近后，同樣通過GPS位置信息與任務(wù)地點進(jìn)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(wù)地點的水流對排閥內(nèi)部進(jìn)行沖刷，避免排閥內(nèi)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(guān)閉排水閥，打開第三個電磁閥，待第二個儲水容器灌滿后關(guān)閉第三電磁閥，打開排水閥同時關(guān)閉水泵，等待幾秒，待排閥中液體流干后再前往下一處任務(wù)地點。

重復(fù)以上動作，在每個地點都根據(jù)GPS定位信息記錄船到達(dá)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(jié)束，返回實驗室后將儲水容器取下并對水質(zhì)進(jìn)行實驗與檢測。每次進(jìn)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(jié)論

本文闡述了一種多點定位采水系統(tǒng)的設(shè)計方案，它能夠通過獨特的傾斜式門閥設(shè)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(shè)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(wù)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(dāng)前正處在生態(tài)文明建設(shè)的重要時期，而水質(zhì)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(hù)領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展前景。

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