CN105675835A - 一种振动式沉积物采集仪的手持终端监控装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种振动式沉积物采集仪的手持终端监控装置，该装置包括水上部分和水下部分，两部分通过电缆连接，水上部分包括手持终端设备与电源模块，水下部分包括下位机与水下摄像模块。采用嵌入式处理器作为手持终端控制核心，采用Qt/Embedded编写操作界面，并且搭载下位机与水下摄像头，实时监测水底沉积物的形态与振动式采集仪的工作状态，可及时了解采集仪的工作情况，以便于及时调整设备运行状态从而保障样品的代表性。本发明的有益效果是采样过程动态监控，缩小上位机体积，减少成本，节省用电量并增加了采集效率。该方法适用于河流、湖泊与水库等水源地的沉积物样本采集。

Description

一种振动式沉积物采集仪的手持终端监控装置及方法

技术领域

本发明属于自动化与水利工程技术领域，涉及一种基于嵌入式控制器的沉积物采集仪的手持终端监控系统。

技术背景

水底沉积物的采集与保存是水质监测与保护的基础。多年来受到人类活动的影响，包括河流、湖泊与水库等在内的水源地都受到了不同程度的影响。除此之外，水中生物新陈代谢、自然降雨、地表径流以及大气沉降等因素导致水中较大的颗粒逐步沉降形成水底沉积物，随着时间积累，水底沉积物逐渐增加。这些沉积物中包含着大量的污染物，对水源水质产生着持久的污染。尤其是在我国的东北地区，由于降雨量较小，人类活动频繁，水底交换效率低等原因，造成湖库等水源地水底沉积物逐年累加。因此河流、湖泊以及水库等水源地水底沉积物的采集与研究对水源地水质的监测与保护具有重要的意义，如何高效地采集到具有代表性的沉积物样本成为水源水库水质监测与保护的重要环节。

由于沉积物的状态、特性以及来源不同，在不同深度上的组分与浓度也产生很大的差别。水底沉积物可以划分成两种，一种是表层沉积物，该种沉积物的特征是含水量比较大，物理结构比较松散，受到外界干扰时其形态与特征也很容易发生变化；另一种是深层沉积物，该沉积物是长期积累的结果，含水量相对较少，物理结构比较结实，外界因素对其难以产生较大的影响。目前获取水底沉积物的采集方式有多种，常用的方法包括抓斗式、重力式与振动式。抓斗式沉积物采集仪是依靠触底后抓斗闭合进行采集沉积物，该种采集方式对沉积物的物理结构影响较大而且只能采集到表层。重力式沉积物采集仪是依靠其自身的重力深入沉积物中完成采集任务，该种采集方式过分依赖自身重力，比较笨重，操作非常不便，而且在下降过程中受到水流的影响，容易发生倾斜，时常有采集不到样品的情况发生。现有的振动式沉积物采集仪是近几年新出现的采集设备，但是该种采集仪主要没有配置监控装置，工作人员并不能监测采集仪的工作状态，也不能观测到整个采集过程，时常产生采集不到沉积物样本的情况，采样成功率也较低。

由于当前的沉积物采集设备多为水下盲区操作，无法了解采集器的水下工作状态。为了提高采样效率，监控其采样过程从而及时做出调整是一种有效的办法。通常水下设备监控系统将PC机作为上位机。但实际应用中发现PC机体积比较大，重量比较重，在实际采样过程中携带与使用均会带来不便，另外PC机耗电量大，尤其是在连续长时间采样中经常因为电量不足的原因导致监控中断，而且PC机的比较昂贵，开发基于嵌入式的手持终端可以节约成本。

显然，目前振动式沉积物采集仪由于缺乏对水下工作信息、环境条件的掌握，不能很好地适应其工作环境。为了快速有效地完成沉积物采集任务，需要开发基于嵌入式的振动式沉积物采集仪手持终端系统，并设计相应的使用方法。

发明内容

针对现有技术中存在沉积物采样过程中缺乏监控、采样成功率低的问题，本发明提供一种基于振动式沉积物采集仪的手持终端监控装置与方法。利用该监控装置与方法可及时了解采集仪的工作情况，及时调整设备运行状态保障样品的代表性。

本发明采用的具体技术方案是：

一种振动式沉积物采集仪的手持终端监控装置，包括水上部分和水下部分，两部分通过电缆10连接，其中，水上部分包括手持终端设备1与电源模块2，水下部分包括下位机与水下摄像模块9。

所述的手持终端设备1包括中央处理器单元和人机交互单元。

所述的中央处理器单元包括基于嵌入式的中央处理器、Flash储存器、RAM随机存储器、SD卡接口电路、RS485串口电路和USB接口电路。中央处理器通过I/O接口连接外部接口电路与存储器，所述的外部接口电路包括SD卡接口电路、RS485串口电路与USB接口电路，SD卡接口电路存储下位机采集的数据与摄像模块摄像得到的视频，RS485串口电路连接下位机与中央处理器，传输沉积物采集仪工作状态数据，USB接口负责连接水下摄像模块9与中央处理器，传输视频数据；所述的存储器包括RAM随机存储器与Flash存储器，Flash储存器存储程序与数据，RAM随机存储器存储临时数据；中央处理器作为整个振动式沉积物采集仪手持终端的核心，负责运行整个操作系统和上位机的程序。

所述的人机交互单元包括电容触摸屏与LCD接口电路，LCD接口电路与电容触摸屏和中央处理器连接。人机交互单元为工作人员提供操作界面，通过操作界面了解采集仪的工作情况，同时通过操作界面向下位机发送操作指令。

所述的下位机包括数据采集模块4、振频传感器模块5、姿态传感器模块6、内压传感器模块7和深度传感器模块8；下位机放置在密封箱3内，由电源模块2通过电缆10供电；数据采集模块4通过I/O接口与振频传感器模块5、姿态传感器模块6、内压传感器模块7和深度传感器模块8连接，用于采集它们检测到的信号。采集的信号经由RS485串口电路传输至上位机手持终端设备中。下位机的主要作用是测量沉积物采集仪的工作状态，包括工作姿态、入水深度状态、密封箱密封状态以及振动电机振动状态等。

所述的水下摄像模块9通过USB接口与手持终端设备连接，利用V4L2编写视频采集程序，完成摄像模块的驱动与图像采集。密封箱3下部依次连接水下摄像支架11和采样管12，水下摄像模块9与水下摄像支架11固定连接，水下摄像模块9方向朝下；工作人员在采样前利用水下摄像模块9观测水下沉积物的形态以及采集仪的姿态，在采样时观测沉积物采集仪的工作过程。水下摄像模块9将采集到的视频信号通过电缆10传输至手持终端设备中，由人机交互单元进行显示，并且将采集得到的视频保存到SD卡中。

一种采用上述手持终端监控装置进行手持终端监控方法，包括以下步骤：

第一步，将下位机固定于沉积物采集仪的密封箱3中，将水下摄像模块9安装于采集仪的摄像模块支撑架11上；水下部分与水上部分通过电缆10连接，电缆10用于传输信号与电能。

第二步，初始化上位机程序与下位机程序。

第三步，利用绳缆逐渐下放沉积物采集仪，通过观测内压传感器模块7传递的参数监测密封箱3是否发生漏水；通过观测深度传感器模块8传递的参数监测沉积物采集仪是否到达水底。

第四步，当沉积物采集仪到达水底后，开启水下摄像模块9进行摄像并将视频存储至SD卡；工作人员在采集沉积物过程中，通过手持终端的操作界面监测采集仪的各种状态，如果各部分出现不良情况需要采取必要的措施。在操作界面中将采集到的状态信息保存在手持终端中；所述状态的包括采集仪工作姿态，密封状态以及振动状态。

第五步，采集完沉积物后，关闭电源，提拉采集仪至甲板；观测沉积物原始物理状态，拍照记录，取样保存，至此采样结束。

基于嵌入式的振动式沉积物采集仪手持终端采用的操作系统是Linux，上位机界面程序采用Qt/Embedded设计。上位机程序固化在Flash中。

本发明的有益效果为：(1)设计手持终端，采用嵌入式处理器作为控制核心，在满足使用需求的同时减小上位机体积，节省电量与成本，提高采集效率；(2)采用Qt/Embedded编写上位机程序，设计监控系统相应的人机交互界面，通过触摸屏实现与水下振动式沉积物采集仪的交互；(3)搭载下位机，实时监测振动式沉积物采集仪的多种工作状态，包括水平工作状态，入水深度状态，密封状态以及振动状态等，便于及时了解采集仪的工作情况。该方法适用于河流、湖泊与水库等水源地的沉积物样本采集；(4)该装置具有携带方便，操作简单，耗电量小与成本少的特点。

附图说明

图1是本发明手持终端监控装置的结构示意图；

图2是振动式沉积物采集仪整体结构示意图；

图3是本发明手持终端监控装置的监控原理示意图；

图4是本发明手持终端监控装置功能示意图；

图5是本发明手持终端监控方法的工作流程图；

图中：1手持终端设备；2电源模块；3密封箱；4数据采集模块；5振频传感器模块；6姿态传感器模块；7内压传感器模块；8深度传感器模块；9水下摄影模块；10电缆；11摄像模块支撑架；12采样管。

具体实施方案

以下结合技术方案(和附图)对本发明的具体实施方式进行详细叙述。

一种振动式沉积物采集仪的手持终端监控装置及方法的具体说明如下：

参见图1是本发明专利一种振动式沉积物采集仪的手持终端监控装置及方法的监控系统结构示意图。基于Qt/Embedded的上位机程序由该手持终端硬件运行，在上位机中读取下位机传输上来的信号。通过显示屏可以观测与控制整个振动式沉积物采集仪的工作情况。电源模块2为整个上位机系统提供电能，也通过电缆10为下位机的各个模块供电。密封箱3中密封着各个电路模块，包括数据采集模块4、振频传感器模块5、姿态传感器模块6、内压传感器模块7与深度传感器模块8，这些电路模块构成下位机单元。下位机单元的功能是监测采集仪的工作状态，振频传感器模块5监测振动电机振动状态，判断电机是否正常工作；在整个下放与采集过程中，受到水流与振动的影响，经常使得采集仪发生倾斜，姿态传感器模块6用来监测采集仪工作时是否发生倾斜；内压传感器模块7监测密封箱的内部压力是否发生变化，即密封状态是否良好；深度传感器模块8监测采集仪在下放时是否到达底部。下位机单元通过数据采集模块的RS485串口电路将采集的数据传输至上位机手持终端1。水下摄影模块9的功能是观测水下沉积物状态与振动式沉积物采集仪工作情况，将采集的视频信号通过电缆10传输至手持终端设备1中，在手持终端人机交互单元的电容触摸屏中进行显示。

参见图2是本发明专利一种振动式沉积物采集仪的手持终端监控装置及方法的整体结构示意图。密封箱3中密封着振动电机与各个电路模块，安装于振动式沉积物采集仪的最顶部，用于提供采样的动力与监控整个采样的状态。摄像模块安装支撑架11固定于密封箱3与采样管12的中间，用于支撑与固定水下摄像模块9。水下摄像模块9方向朝下，用于观测水下沉积物的形态以及采集仪的姿态，在采样时观测沉积物采集仪的工作过程。采样管12用于采集水底沉积物样本。

参见图3是本发明专利一种振动式沉积物采集仪的手持终端监控装置及方法的工作原理示意图。基于嵌入式的振动式沉积物采集仪手持终端监控系统由中央处理单元、人机交互单元、下位机单元、电源模块、水下摄像模块以及电缆构成。中央处理器以I/O接口与各个外围电路相连接。中央处理单元以Cortex-A8为处理核心，外围包括以RAM、NANDFlash与SD卡及其接口电路构成的存储器，RS485串口电路与USB接口电路构成外部接口电路。存储器用来存放数据，其中RAM是配合处理器临时数据的读取与保存，Flash中存放操作系统与应用程序，SD卡用来与外界数据进行交换。RS485串口电路完成与下位机的通讯，USB接口电路负责连接水下摄像模块。人机交互单元由电容触摸屏与LCD接口电路构成，电容触摸屏用来显示上位机操作界面应用程序，通过上位机操作界面显示下位机的工作状态与显示水下摄像结果，LCD接口是连接触摸屏与处理器的电路。电源模块为中央处理单元、人机交互单元、下位机单元与水下摄像模块提供电能。下位机单元由数据采集模块、振频传感器模块、姿态传感器模块、内压传感器模块与深度传感器模块构成，负责监测振动器的运行状态，并将采集数据通过RS485串口电路传输至上位机中。水下摄像模块通过USB接口电路与手持终端设备连接，负责监测水底沉积物状态与采集仪状态。

参见图4是本发明专利一种振动式沉积物采集仪的手持终端监控装置及方法操作界面功能示意图。振动式沉积物采集仪手持终端监控系统操作界面功能可以划分为三个，分别是监测采集仪工作状态、存储数据与水下摄像。采集仪工作状态监测功能包括串口参数设置、采集仪姿态监测、采集仪入水深度监测、密封箱密封状态监测与振动电机振频监测。数据存储功能包括数据库参数设置与数据存储，在本手持终端中采用的是SQLITE数据库。针对不同数据需要设置不同的参数，例如采样数据的维数与个数，采样时间与地点等，根据数据的不同参数建立不同表格，设置好相关参数后对采集的数据进行保存。水下摄像包括摄像模块参数设置、水下视频显示与水下视频存储。

本发明一种振动式沉积物采集仪的手持终端监控装置及方法具体实施方法如下：

第一步，采样前正确连接监控装置的各个模块，并初始化相应程序。连接手持终端设备1、电源2、下位机、水下摄像模块9与电缆10。在密封箱3中固定好下位机并且按照图2正确安装整套采集仪，将监控系统搭载在振动式沉积物采集仪上。

第二步，初始化上位机手持终端Qt/E应用程序与下位机各部分采集程序，确保整套仪器正确运行。

第三步，连接好各部分后，开始逐渐下放采集仪，这整个下放的过程中读取搭载在采集仪上的内压传感器模块7与深度传感器模块8参数，用以判断仪器是否到达水底与密封箱是否发生漏水。上述采集仪状态参数的是由下位机采集，由RS485接口传输至手持终端中。

第四步，当深度传感器数值不再发生变化时，这时说明仪器到达水底，开启水下摄像模块9，在整个采样的过程需要摄像并且存储视频至SD卡。工作人员由手持终端1读取姿态传感器6，判断此时仪器是否处于竖直状态，如果不垂直，需要缓慢调整采集仪使其竖直。待仪器竖直后，开启振动电机进行沉积物采集。在采集沉积物过程中，通过下位机监测采集仪的各种状态，包括工作姿态，密封箱3密封状态以及振动器振动状态，如果各部分出现不良情况需要采取必要的措施。上述过程在需要与手持终端进行通讯时均需要经过RS485串口模块。在操作界面中采用SQLITE数据库对采集仪的各项参数进行保存。

第五步，采集完指定深度沉积物后，关闭整个系统的电源，缓慢提拉采集仪至甲板。先观看沉积物的原始物理状态，拍照记录，然后将采集的样品从采样管中取出然后进行妥善保存，以便后期做相关分析，至此采样结束。

下面结合图5是本发明专利一种振动式沉积物采集仪的手持终端监控装置及方法工作流程示意图对手持终端使用方法做进一步说明。

在步骤S500开始进行沉积物采集。在步骤S501初始化各部分控制程序，包括手持终端上位机操作界面与数据存储程序以及下位机数据采集与数据传输程序。并且给定初始化信号检查整个振动器的运行状况，待检查完毕各部分确保运行良好后，进行步骤S502开始释放采集仪。在步骤S503通过手持终端不断读取深度传感器与内压传感器测得的沉积物采集仪的工作状态。通过观察手持终端操作界面的各种信息，进行步骤S504判断搭载着下位机的密封箱是否密封良好，如果发生密封箱进水，需要对整个仪器进行断电处理以保护振动电机与下位机。如果未产生漏水情况，则进行步骤S505判断采集仪是否到达水底，如果采集仪未达到水底则还需要继续释放。如果仪器达到水底，则进行步骤S506判断采集仪是否垂直于水底，如果采集仪不竖直于水底则需要进行步骤S507，将采集仪缓慢调整使其依靠重力竖直向下。如果仪器竖直向下，则进行步骤S508开启摄像模块开始对水底进行摄像，并且保存录像。接着进行步骤S509开启振动电机。随着采集仪逐渐深入水底沉积物中，则需进行步骤S510在手持终端中不断读取采集仪各项工作状态，在步骤S511中判断搭载着下位机的密封箱是否密封良好，如果发生密封箱进水现象，需要对整个仪器进行断电处理，在步骤S512判断采集仪是否垂直，如果采集仪不垂直则需要进行步骤S513，将采集仪缓慢调整使其依靠重力垂直向下。如果采集仪运转状态良好，待步骤S514完成采集任务，则进行步骤S515关闭电源，提拉采集仪至甲板。至此完成步骤S516，结束采样。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (2)

1.一种振动式沉积物采集仪的手持终端监控装置，其特征在于，该装置包括水上部分和水下部分，两部分通过电缆(10)连接，其中，水上部分包括手持终端设备(1)与电源模块(2)，水下部分包括下位机与水下摄像模块(9)；

所述的手持终端设备(1)包括中央处理器单元和人机交互单元；所述的中央处理器单元包括基于嵌入式的中央处理器、Flash储存器、RAM随机存储器、SD卡接口电路、RS485串口电路和USB接口电路；中央处理器通过I/O接口连接外部接口电路与存储器；所述的外部接口电路包括SD卡接口电路、RS485串口电路与USB接口电路，SD卡接口电路存储下位机采集的数据与水下摄像模块(9)得到的视频，RS485串口电路连接下位机与中央处理器，传输沉积物采集仪工作状态数据，USB接口连接水下摄像模块(9)与中央处理器，传输视频数据；所述的存储器包括RAM随机存储器与Flash存储器，Flash储存器存储程序与数据，RAM随机存储器存储临时数据；

所述的人机交互单元包括电容触摸屏与LCD接口电路；LCD接口电路连接电容触摸屏和中央处理器，人机交互单元提供操作界面，观测沉积物采集仪工作情况，并通过操作界面向下位机发送操作指令；

所述的下位机包括数据采集模块(4)、振频传感器模块(5)、姿态传感器模块(6)、内压传感器模块(7)和深度传感器模块(8)；下位机放置在密封箱(3)内，由电源模块(2)通过电缆10供电，数据采集模块(4)通过I/O接口与振频传感器模块(5)、姿态传感器模块(6)、内压传感器模块(7)和深度传感器模块(8)连接，采集检测到的信号；采集的信号由RS485串口电路传输至手持终端设备(1)中；

所述的水下摄像模块(9)通过USB接口与手持终端设备连接，密封箱(3)下部依次连接水下摄像支架(11)和采样管(12)，水下摄像模块(9)与水下摄像支架(11)连接，水下摄像模块(9)方向朝下；水下摄像模块(9)将采集到的视频信号通过电缆(10)传输至手持终端设备(1)中，由人机交互单元显示，并且将采集视频保存到SD卡中，完成水下摄像模块(9)的驱动与图像采集。

2.一种采用上述手持终端监控装置进行手持终端监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将下位机固定于沉积物采集仪的密封箱(3)中，将水下摄像模块(9)安装于沉积物采集仪的摄像模块支撑架(11)上；水下部分与水上部分通过电缆(10)连接，电缆(10)用于传输信号与电能；

第二步，初始化上位机程序与下位机程序；

第三步，利用绳缆下放沉积物采集仪，观测内压传感器模块(7)传递的参数监测密封箱(3)是否发生漏水；观测深度传感器模块(8)传递的参数监测沉积物采集仪是否到达水底；

第四步，当沉积物采集仪到达水底后，开启水下摄像模块(9)进行摄像并将视频存储至SD卡；工作人员在采集沉积物过程中，通过操作界面监测沉积物采集仪的各种状态，在操作界面中将采集到的状态信息保存在手持终端设备(1)中；所述状态的包括沉积物采集仪工作姿态，密封状态以及振动状态；

第五步，采集完沉积物后，关闭电源，提拉沉积物采集仪至甲板；观测沉积物原始物理状态，拍照记录，取样保存，至此采样结束。