一种多点定位采水系统设计构想

    翟伟东

    摘 要：本设计构想旨在设计一种多点定位采水系统，更具体的是一种能够用来多点定位采集水样并进行分瓶存储的采水系统。

    关键词：多点定位;倾斜式排阀

    0 引言

    水是生命之源，人类的生产生活活动都离不开水，水质的好坏在很大程度上影响着工业品质量和生活质量。在水库、公园、湿地这些水资源丰富并且其水质与大众身心健康息息相关的地方，对水质进行定期定点监测尤为重要。

    对水质进行定期定点监测是指针对某一水域，根据事先规划好的路径或是事先标记好的地点，按照一定的时间规律（比如每周一的上午）进行多点水质采样，通过水质采样并对所采集的样本进行专业仪器的分析与检测，从而实现定期监测水质的功效。

    目前大多数的湖泊、公园、湿地等水域都采取了这样的检查方式。按照河流型湿地公园、湖库型湿地公园、沼泽型湿地公园的分类，每种类型湿地公园水环境监测采样点应能覆盖所需的生态检测和评价范围，除特殊需要（因地形、水深和监测目标所限制）外，所有采样点应在检测范围内均匀布设，可采用网格式、断面或梅花式等布设方式进行采样点布置。并且为保证采样的连续性和周期性，通常水环境中部分自然指标如水温、PH、DO等数据需要进行实时连续的监测，其他指标的监测时间设置为丰水期、平水期、枯水期各采样一到两次。

    为执行上述任务，现在的湿地公园或是湖泊管理部门都采用了人工操作的人工取样装置，所使用的取样设备十分简陋，一般采用惰性材料（如不锈钢、聚四氟乙烯等）制作成瓶状的采样器，而且操作方式为人工吊放，一方面仅就操作手法而言缺乏规范操作，容易由于人体与水样接触而影响采样结果的准确性，另一方面则是由于所有的过程都是由人来手动控制，在造成效率低下的同时可能会造成管理上的疏忽导致进行多点采样时出现混乱或是错误。

    因此，亟需一种能够提升采集效率，降低人为行动对所采水样产生影响，并且能够按照预设采水地点自行工作、自行记录采水地点的一种自动化采水系统。

    1 设计方案

    本发明的目的在于：（1）解决人工采水过程中人为操作对所采水质产生的污染问题;（2）解决一次任务采集多地水样时产生的水样存储问题;（3）解决在定时定点采水过程中所产生的管理调度问题。

    为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，主要包括两个部分：倾斜式排阀、控制模块。

    1.1 倾斜式排阀

    倾斜式排阀包括五个部分：进水导管、为微型水泵、倾斜式排阀、微型电磁阀以及储水容器。它的入水口轴线与地面保持水平时，与入水口相连的水流管道与地面存在5度的夹角，在这个倾斜的水流管道的下方有数个开口，每个开口对应一个电磁阀与相应的水样存储装置，在排阀与入水口相距最远的一个开口所对应的电磁阀下方不放置水样存储装置，而应为一条通向被采集水域或是废水箱。整个下位机的控制由一块微型处理器完成，所述微型处理器可以选用stm32c103型微型处理器。

    1.2 控制模块

    采用了GPS定位系统，GPS在整个任务过程中可将任务过程中整个装置的位置信息上传至上位机部分。上位机的运行平台是能够运行Windows系统的手提电脑，通过Labview软件开发。通过识别任务地点来控制下位机的运行与停止。

    2 具体工作流程

    首先，整个工作装置通电并且调试GPS以及上下位机之间的通信，携带采水装置前往工作水域，以湖泊型湿地公园为例，其整个工作区域采取网格式划分，可由无人水质检测船或是有人驾驶的小艇携带，整个装置进入自动工作状态。

    到达第一处水质检测点附近，GPS模块将整个装置的位置信息不断传到上位机，上位机通过比对目标地点的位置信息决定是否命令采水机械装置开始工作，若GPS回传的位置信息与目标地点之间距离达到某一数值（例如目标地点周围5m的水域），上位机发出指令，采水装置开始运行。水泵开始工作，水被抽入排阀当中，同时，打开第二个电磁阀（电磁阀的计数方式为，从最低的一个电磁阀为第一个电磁阀算起，依次递增），水流进入容器中，直至容器充满水樣后关闭第二个电磁阀。关闭第二个电磁阀的同时打开最后一个电磁阀（下文中称作“排水阀”），水泵停止工作，等候数秒钟，直至液体全部从排阀中流出。待排阀中液体流干后，前往下一处水样采集点。在进行任务时，上位机自动对该地的位置信息进行编号，第一处到达的目标点标为点1，之后编号以此类推。

    到达第二处水质检测点附近后，同样通过GPS位置信息与任务地点进行比对，符合要求后水泵重新开始工作，工作同时打开排水阀，用任务地点的水流对排阀内部进行冲刷，避免排阀内残留的上个地点的液体对本次采样造成过大影响。等待几秒后，关闭排水阀，打开第三个电磁阀，待第二个储水容器灌满后关闭第三电磁阀，打开排水阀同时关闭水泵，等待几秒，待排阀中液体流干后再前往下一处任务地点。

    重复以上动作，在每个地点都根据GPS定位信息记录船到达的先后顺序，查到最后一个储水容器灌满后，算为一次工作循环结束，返回实验室后将储水容器取下并对水质进行实验与检测。每次进行完之后先用洗涤剂洗去油污，用自来水冲净，再用10%盐酸洗净，自来水冲净后备用。

    3 结论

    本文阐述了一种多点定位采水系统的设计方案，它能够通过独特的倾斜式门阀设计，以及GPS定位系统，实现多点定位水样采集。该系统能够大大减少水样采集过程中人员的工作量，工作人员只需要携带整个装置前往工作地点，一方面简化了工作流程，另一方面由于整个设备本身的工作特性决定人员与水样不会直接接触，避免了采水过程中的二次污染，并且分离式采水装置解决了任务过程中采集多地水样所带来的水样分离存储问题，利用GPS定位系统实现了水样位置信息记录，避免由于人工操作而带来的种种不确定因素。

    我国当前正处在生态文明建设的重要时期，而水质的监测则是重中之重，可以看到，本文阐述的多点定位采水系统将在生态环境保护领域拥有广阔的发展前景。

    参考文献：

    [1]黄海明，徐春莲，戴健坤，王文君，武少伟.一种废水在线监测多点采样系统：中国，CN201120557057.3.2011-12-28.

    [2]马锐，陈光建，贾金玲，郝祺林.基于Zigbee和GPRS的多参数水质监测系统设计[J].自动化与仪表，2014，（10）：33-36.

    [3]吴忠标.环境检测[M].北京：化学工业出版社，2003.