CN114659839B - 一种船载多点位多层水采样装置及采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船载多点位多层水采样装置及采样方法，属于水环境水样采集技术领域，包括取水模块、配水模块、定位模块和控制部；配水模块包括分流模块、来水手阀组、样品瓶组、排水手阀组、逆止阀组和汇流模块；分流模块包括分流板，分流板的每个出水口处安装一个电磁阀；在每根进水管上安装有第一手阀；每个样品瓶的出水口与汇流模块连接；每根出水管上安装有第二手阀和逆止阀；取水模块包括主框架和动力卷轴；动力卷轴上绕制有取水管；取水管的出水端穿出主框架后通过自吸泵与分流板连接；取水管的进水端穿出主框架后与过滤配种块连接；取水管的进水端设置有水深检测模块；控制部分别与取水模块、配水模块和定位模块进行数据交互。

Description

一种船载多点位多层水采样装置及采样方法

技术领域

本发明属于水环境水样采集技术领域，具体涉及一种船载多点位多层水采样装置及采样方法。

背景技术

水质分析作为水环境分析检测中的一项基础工作，其水体采样样品的准确性、有效性及代表性尤其重要。

为了保证水样的代表性，需在整片水质检测区布局多个采样点，并对不同层深水体进行取样工作。目前，水体采样工作主要以人工和固定测站为主，其中人工采样需要工作人员搭乘船只或者自身涉水，通过人工采样桶完成工作，其劳动强度大、危险系数高、工作效率低，而固定测站能够实现自动水质采样，但是仅能固定采集离岸较近水体，且站点固定，无法顾及整片水域。现今，随着导航及储能技术的发展，无人船搭载自动采样装置被越来越多用于水环境水样采集工作，其中有代表性的有CN201510926133.6、CN201710877883.8、CN201710912132.5、CN201820472770.X、CN201820784362.8、CN201922426270.X、CN202021583414.9等。CN201510926133.6中使用旋转机构切换样品瓶，采用水泵抽水通过单水管为样品瓶灌注水样，其能够实现自动表层水取样，但是由于供电问题无人船搭载的泵机功率一般较低，同时多点采样需要行进较远距离，单次航行往往耗时较长，采用无封口样品瓶，已采集水样有效性难以得到保证，同时，缺少取水口深度控制功能，仅能采集表层水样，水样的代表性有限；CN201710877883.8中，同CN201510926133.6一样采用旋转机构切换样品瓶，不同之处在于，设计了旋转的摆臂取水机构，能够采集浅层水样，但是该取水机构为刚性结构，如不采用伸缩机构，采集水样层深有限，如采用伸缩方式，增强取水深度的同时，必然增加装置的制作、操作及维护难度；CN201820472770.X中，同CN201510926133.6与CN201710877883.8一样采用旋转机构切换样品瓶，不同之处在于，采用转轮机构采集不同深度水样，然从说明书中，该机构收放取水软管，而取水软管另一端直接延伸至存水装置，一根完整软管一端入水一定长度，另一端必然需要同样长度软管补偿入滚轮机构，滚轮机构与储水机构间需留有较常软管余量，同时，未加传感器等装置，如再伴有较大水流，无法判断软管采水口是否已经抵达预定层深位置；CN201820784362.8中，同样采用转轮机构采集不同深度水样，更具其说明书附图结构及说明书内容，其并未解决或说明管路长度补偿问题，尽管加装了编码器，在伴有较大水流时，无法判断采水口是否已经抵达预定层深位置； CN201922426270.X与CN201820472770.X的采水及存水机构原理相同；CN202021583414.9，采用高架滑轮组的形式通过刚性伸缩节使管路垂直与水面，配合编码器能够获得较精确取水深度，但该结构体积大且复杂，并需要较强的连接结构固定，实际应用较为困难。

通过上述对水样采集方式方法分析，可以得出，目前的自动化水样采集装置可减少人工采样强度，增强采样密度，但是在方便实用、结构简单、取样深度、水样代表性和有效性上仍有提升给空间。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种船载多点位多层水采样装置及采样方法，针对现有自动化水样采集装置或结构复杂或取样深度有限或所取水样代表性和有效性受到影响等问题，可搭载于双体无人船及普通载人船只，实现多点、多层自动化水样采集工作。

本发明的第一目的是提供一种船载多点位多层水采样装置，包括取水模块(12)、配水模块(10)、定位模块、控制所述取水模块(12)和配水模块(10)工作状态的控制部；其中：

所述配水模块(10)包括分流模块(13)、来水手阀组(14)、样品瓶组(15)、排水手阀组(16)、逆止阀组(17)和汇流模块(18)；所述分流模块(13)包括空腔结构的分流板(1301)，所述分流板(1301)包括一个进水口和M+1个出水口，每个出水口处安装有一个电磁阀；所述样品瓶组(15)包括M个样品瓶；十号电磁阀(1311) 通过一根安装有逆止阀的侧管与汇流模块(18)连接；其余M个电磁阀，每个电磁阀通过一根进水管与一个样品瓶的进水口连接，在每根进水管上安装有第一手阀；每个样品瓶的出水口通过出水管与汇流模块(18)连接；在每根出水管上安装有第二手阀和逆止阀；M为大于1的自然数；

所述取水模块(12)包括密封结构的主框架(1216)、安装于主框架(1216)内的动力卷轴；在所述动力卷轴上绕制有取水管(1212)；所述取水管(1212)的出水端穿出主框架(1216)后通过自吸泵(11)与分流板(1301)的进水口连接；所述取水管(1212) 的进水端穿出主框架(1216)后与过滤配种块(1214)连接；

所述取水管(1212)的进水端设置有水深检测模块；

所述控制部分别与取水模块(12)、配水模块(10)和定位模块进行数据交互。

优选地，所述控制部包括核心控制板(8)，所述核心控制板(8)通过电磁阀组驱动模块(9)与电磁阀、逆止阀组(17)连接；所述核心控制板(8)通过RS-232串行总线与HMI(1)及船载航控器(2)进行数据交互；所述核心控制板(8)包括：

控制管路冲洗时长的第一定时器；

控制采水时长的第二定时器；

统计已采集完水样数量的第一计数器；

统计采样点位已完成采水层数的第二计数器。

优选地，所述动力卷轴包括主转轴(1203)、带动主转轴(1203)动作的直流减速电机(1201)；所述直流减速电机(1201)的电机齿轮(1202)与主转轴(1203)上的第一齿轮(1205)、第二齿轮(1206)啮合；所述主框架(1216)内安装有导向轴(1209)，所述导向轴(1209)上安装有连接取水管(1212)的管路导向器(1211)；所述主框架 (1216)内安装有接线模块(1204)，所述接线模块(1204)包括电源模块和RS485通信模块，所述直流减速电机(1201)通过电机驱动模块(1217)与接线模块(1204)连接；所述RS485通信模块分别与导电滑环(1207)、电机驱动模块连接。

优选地，所述主转轴(1203)的端部安装有旋转接头(1208)，所述主转轴(1203) 的右端开设有轴心孔，所述主转轴(1203)的侧壁开设有与轴心孔连通的侧孔，所述侧孔位于主框架(1216)内，所述主转轴(1203)的右端安装有旋转接头(1208)，所述取水管(1212)的出水端依次穿过侧孔、轴心孔、旋转接头(1208)后通过自吸泵(11) 与分流板(1301)的进水口连接。

优选地，所述控制部的工作分为三种模式：系统配置模式、全自动执行模式、半自动执行模式；其中：

配置模式需要配置的参数包括执行模式参数、采水点位参数、采水层数和层深参数、采水时间参数、管路冲洗时间参数，其中，所述执行模式参数用于配置系统执行过程模式，为单选项，选项包括设置为全自动执行模式、设置为半自动执行模式；采水点位参数用于配置待采样水域各采样点坐标位置和采样顺序；采水层数和层深参数主要配置各采样点需要采几层水样及每层水样的水深；采水时间参数用于配置每次采集水样接通自吸泵(11)电源的时间，通过该项参数间接配置单次采样的流量；管路冲洗时间参数用于配置每次冲洗管路接通自吸泵(11)电源的时间。

优选地，在三种模式下，系统工作前，通过扩充晶体管输出模块组(82)、电磁阀组驱动模块(9)、配水模块(10)扩充单次航行样品采集频次。

本发明的第二目的是提供一种船载多点位多层水采样方法，首先将上述的船载多点位多层水采样装置安装在无人船上；然后执行如下步骤：

SA1：控制无人船启动，通过核心控制板(8)向船载航控器(2)发送第一采水点位的坐标位置数据及启航指令，无人船启航；

SA2：无人船抵达预定采水点位，船载航控器(2)发送抵达目的地指令及其采集地位置坐标数据至核心控制板(8)；

SA3：根据设定的层深参数，控制滤配种块(1214)入水深度，自动采集水样；

SA4：采水完成，控制无人船启动，核心控制板(8)根据设定的采水点位参数及第一计数器的数据，判断是否已完成本次采样工作，如第一计数器的数值等于采水点位数量或第一计数器的数值等于M，完成本次采水工作，向船载航控器(2)发送返航指令；否则，向船载航控器(2)发送下一采水点位坐标位置数据及启航指令，控制无人船启动；

SA5：重复步骤SA2-SA4，直至采样工作结束，无人船返航。

优选地，所述SA3的具体步骤为：

SA3-1：比较判断滤配种块(1214)入水深度与设定的层深参数，驱动直流减速电机(1201)动作，核心控制板(8)读取水位计(1215)的数据，水位计(1215)用于测量滤配种块(1214)实时入水深度，当入水深度小于设定的层深参数时，向电机驱动模块(1217)发出电机正转入水指令，电机驱动模块(1217)控制直流减速电机(1201)正转，水管下放，当入水深度大于设定的层深参数时，向电机驱动模块(1217)发出电机反转出水指令，电机驱动模块(1217)控制直流减速电机(1201)反转，水管上提；

SA3-2：当滤配种块(1214)入水深度达到与预设层深参数之差小于1cm时，核心控制板(8)向电机驱动模块(1217)发出停转指令，电机驱动模块(1217)控制直流减速电机(1201)停转；

SA3-3：核心控制板(8)控制电磁阀组驱动模块(9)打开十号电磁阀(1311)；

SA3-4：核心控制板(8)控制电磁阀组驱动模块(9)打开接触器(19)，控制自吸泵(11)上电，开始冲洗工作，同时，第一定时器开始计时；

SA3-5：第一定时器计时结束，根据第一计数器的数值X1，核心控制板(8)控制电磁阀组驱动模块(9)打开N号电磁阀；N为1至9的自然数；

SA3-6：核心控制板(8)控制电磁阀组驱动模块(9)关闭十号电磁阀(1311)，启动第二定时器计时，为N号样品瓶采集水样；

SA3-7：第二定时器计时结束，核心控制板(8)控制电磁阀组驱动模块(9)关闭接触器(19)，切断自吸泵(11)电源；

SA3-8：核心控制板(8)控制电磁阀组驱动模块(9)关闭N号电磁阀(1302)，第一计数器的数值X1加1，第二计数器的数值X2加1，本次采样结束；

SA3-9：比较判断第二计数器的数值X2与预设采样层数，当X2小于预设采样层数时，重复执行步骤SA3-1至SA3-8，当X2大于预设采样层数时，核心控制板(8)向电机驱动模块(1217)发出电机反转出水指令，电机驱动模块(1217)控制直流减速电机 (1201)反转，直至滤配种块(1214)入水深度小于1cm，控制直流减速电机(1201) 停转，本点位采样结束。

本发明的第三目的是提供一种船载多点位多层水采样方法，首先将权利要求1-6任一项所述的船载多点位多层水采样装置安装在船只上；选择半自动执行模式，完成配置模式操作后，执行如下步骤，通过人工辅助半自动完成采样工作：

SB1：船只启航，核心控制板(8)通过定位模块及通信模块(7)采集坐标数据，并通过HMI实时显示；

SB2：判断实时坐标数据与预设采水点位参数是否相符，如相符，通过HMI显示已达预设采水点位；如不相符，船只启航调整位置，直至相符；

SB3：人工操作HMI，启动该点位自动水样采集工作；

SB4：通过HMI通知操作人员，该点位水样采集工作结束，前往其他点位或返航；

SB5：由操作人员选择返航或前往其他点位，如前往其他点位，重复步骤SB1至SB5。

本发明的第四目的是提供一种船载多点位多层水采样方法，首先将权利要求1-5任一项所述的船载多点位多层水采样装置安装在船只上；在半自动工作模式下，当所有样品瓶已装满样品，操作人员通过更换样品瓶及其前后来水和排水手阀，更新扩充系统可采集水样数量，具体方法步骤如下：

SC1：依次关闭来水手阀组(14)和排水手阀组(16)所有手阀；

SC2：依次断开来水手阀组(14)所有手阀前端管路及排水手阀组(16)所有手阀后端管路，并将样品瓶及于其相连接的管路和手阀取出，即为已采集水样；

SC3：将新的样品瓶及于其相连接的管路和手阀连接系统装置，其中来水手阀组(14) 的所有手阀前端依次分别连通分流板(1301)出水口，排水手阀组(16)的所有手阀后端分别依次通过管路连通逆止阀组(17)的逆止阀，更新扩充步骤结束。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明能够适用于各种水域，可搭载于双船体无人船及普通载人船只进行水体样品采集工作，其中取水模块运用卷线器原理并配套水位计使用，可将取水口自由提放定位于待采水层，可通过增加配水模块、核心控制板中晶体管输出模块及电磁阀组驱动模块配置或中途替换配水模块样品收集部分组件提升单次航行可采集水样数量，样品瓶下进水、上出水方案可减少水样与空气接触时间，从而降低样品变质速度；专门配备冲洗管路及功能，能够使用待采水样冲洗管路，尽量避免前次采样管路水样残留对下次采集水样的污染，进而实现快速、自动、多层、多点水样采集工作，能够提高样品的代表性、有效性，降低操作人员劳动强度及危险系数，提高其工作效率。装置结构简单、操作方便。

附图说明

图1为本发明优选实施例的结构图；

图2为本发明优选实施例的电气及管路连接图；

图3为本发明优选实施例中样品瓶的主视图；

图4为本发明优选实施例中样品瓶的俯视图；

图5为本发明优选实施例中三档转换开关面板示意图；

图6为本发明优选实施例搭载于无人船情况下全自动执行模式步骤图；

图7为本发明优选实施例搭载于载人船情况下半自动执行模式步骤图；

图8为本发明优选实施例中预设点位自动采水工作步骤图；

图9为本发明优选实施例中扩充单次航行样品采集频次方法步骤图；

图10为本发明优选实施例中HMI的电路图；

图11为本发明优选实施例中船载航控器的电路图；

图12为本发明优选实施例中三档转换开关的电路图；

图13为本发明优选实施例中开关电源的电路图；

图14为本发明优选实施例中电池组的电路图；

图15为本发明优选实施例中DC/DC变换器的电路图；

图16为本发明优选实施例中北斗+4G定位及通信模块的电路图；

图17为本发明优选实施例中接触器的电路图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的技术方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1至图17，

一种船载多点位多层水采样装置，包括取水模块12、配水模块10、定位模块、控制所述取水模块12和配水模块10工作状态的控制部；其中：

HMI1、船载航控器2、三档转换开关3、开关电源4、电池组5、DC/DC变换器6、北斗+4G定位及通信模块7、核心控制板8、电磁阀组驱动模块9、配水模块10、自吸泵 11、取水模块12、接触器19；HMI1与核心控制板8及船载航控器2与核心控制板8之间分别通过RS-232串行总线相连；开关电源4及电池组5输出端分别与三档转换开关3 输入端第一档和第三档电连；三档转换开关3输出端与DC/DC变换器6输入端电连； DC/DC变换器6输出端与北斗+4G定位及通信模块7、核心控制板8、HMI1、电磁阀组驱动模块9、取水模块12、接触器19的电源输入端电连；北斗+4G定位及通信模块7和取水模块12与核心控制板8之间通过RS-485串行总线相连；取水模块12和配水模块 10分别通过管路连接自吸泵11的入水口和出水口；核心控制板8分别于与电磁阀组驱动模块9之间电连；电磁阀组驱动模块9与接触器19及配水模块10电连；接触器19与自吸泵11电连；

所述配水模块10包括分流模块13、来水手阀组14、样品瓶组15、排水手阀组16、逆止阀组17和汇流模块18；所述分流模块13包括空腔结构的分流板1301，所述分流板 1301包括一个进水口和M+1个出水口，在本优选实施例中，M取值为9；每个出水口处安装有一个电磁阀；如图1所示，电磁阀从左到右依次编号为一号电磁阀1302、二号电磁阀1302、三号电磁阀、四号电磁阀、五号电磁阀、六号电磁阀、七号电磁阀、八号电磁阀、九号电磁阀、十号电磁阀1311，所述样品瓶组15包括M个样品瓶，如图1所示，样品瓶从左到右依次编号为一号样品瓶1501、二号样品瓶1502、三号样品瓶、四号样品瓶、五号样品瓶、六号样品瓶、七号样品瓶、八号样品瓶、九号样品瓶1509；十号电磁阀1311通过一根安装有逆止阀的侧管与汇流模块18连接；其余九个电磁阀，每个电磁阀通过一根进水管与一个样品瓶的进水口连接，在每根进水管上安装有第一手阀，如图2 所示，第一手阀从左到右依次编号为一号第一手阀1401、二号第一手阀1402、三号第一手阀、四号第一手阀、五号第一手阀、六号第一手阀、七号第一手阀、八号第一手阀、九号第一手阀1409；每个样品瓶的出水口通过出水管与汇流模块18连接；在每根出水管上安装有第二手阀和逆止阀；如图1所示，第二手阀从左到右依次编号为一号第二手阀 1601、二号第二手阀1602、三号第二手阀、四号第二手阀、五号第二手阀、六号第二手阀、七号第二手阀、八号第二手阀、九号第二手阀1609；如图1所示，逆止阀从左到右依次编号为一号逆止阀1701、二号逆止阀1702、三号逆止阀、四号逆止阀、五号逆止阀、六号逆止阀、七号逆止阀、八号逆止阀、九号逆止阀、十号逆止阀1710；M为大于1的自然数；

所述取水模块12包括密封结构的主框架1216、安装于主框架1216内的动力卷轴；在所述动力卷轴上绕制有取水管1212；所述取水管1212的出水端穿出主框架1216后通过自吸泵11与分流板1301的进水口连接；所述取水管1212的进水端穿出主框架1216 后与过滤配种块1214连接；

所述取水管1212的进水端设置有水深检测模块；

所述控制部分别与取水模块12、配水模块10和定位模块进行数据交互。

所述控制部包括核心控制板8，所述核心控制板8通过电磁阀组驱动模块9与电磁阀、逆止阀组17连接；所述核心控制板8通过HMI1与船载航控器2进行数据交互；所述核心控制板8包括：

控制管路冲洗时长的第一定时器；

控制采水时长的第二定时器；

统计已采集完水样数量的第一计数器；

统计采样点位已完成采水层数的第二计数器。

所述动力卷轴包括主转轴1203、带动主转轴1203动作的直流减速电机1201；所述直流减速电机1201的电机齿轮1202与主转轴1203上的第一齿轮1205、第二齿轮1206 啮合；所述主框架1216内安装有导向轴1209，所述导向轴1209上安装有连接取水管1212 的管路导向器1211；所述主框架1216内安装有接线模块1204，所述接线模块1204包括电源模块和RS485通信模块，所述直流减速电机1201通过电机驱动模块1217与接线模块1204连接；所述RS485通信模块分别与导电滑环1207、电机驱动模块连接。

所述主转轴1203的端部安装有旋转接头1208，所述主转轴1203的右端开设有轴心孔，所述主转轴1203的侧壁开设有与轴心孔连通的侧孔，所述侧孔位于主框架1216内，所述主转轴1203的右端安装有旋转接头1208，所述取水管1212的出水端依次穿过侧孔、轴心孔、旋转接头1208后通过自吸泵11与分流板1301的进水口连接。

系统内部各部分组装：

A：管路组装：将分流板1301入水口通过管路连通自吸泵11出水侧，10个电磁阀前端分别连通分流板1301出水口，10个电磁阀的前九个后端分别依次通过管路联通来水手阀组14的9个手阀的前端，来水手阀组14的9个手阀的后端分别依次通过管路连通样品瓶组15的9个样品瓶的入水口，样品瓶组15的9个样品瓶的出水口分别依次通过管路连通排水手阀组16的9个手阀的前端，排水手阀组16的9个手阀的后端分别依次通过管路连通逆止阀组17的10个逆止阀的前9个逆止阀的前端，逆止阀组17的10个逆止阀的后端分别依次通过管路连通汇流模块18的入水口，汇流模块出水口外接一段长度管路，该管路长度需使得管口另一侧没入待采样水体水面以下，分流模块13的十号电磁阀1311的后端通过管路连通逆止阀组17的十号逆止阀1710的前端；取水管1212与测深电缆1213之间使用绑带进行平行捆绑，并将管路出水口和电缆出线口一端穿过管路导向器1211，使取水管1212与测深电缆1213旋卷于主转轴1203之上；将过滤配种块 1214安装于取水管1212入水口端，并将取水管1212出水口端与主转轴1203右端侧壁入水口相连，主转轴1203出水口连接旋转接头1208的固定头，旋转接头1208的旋转头通过管路连接自吸泵11入水侧；

B：电气及机械组装：将三档转换开关3档位置于“OFF”档，联动开关31和32的第一档输入端分别与开关电源4的“AC/DC+”和“AC/DC-”接口电连，第二档输入端均空接，第三档输入端分别与电池组5的“DC+”和“DC-”接口电连，输出端分别与 DC/DC变换器6的“48V+”和“GND”接口电连；在存在交流220V电源情况下，开关电源4的输入端“220VA”和“220VB”分别与交流220V火线和零线电连，输出端经三档转换开关3第一档与DC/DC变换器6电连，在无市电情况下，开关电源4输入测空接，使用电池组5为系统提供直流48V电源，此时，电池组5输出端经三档转换开关3第三档与DC/DC变换器6电连；将HMI1的通信接口通过RS-232总线与核心控制板(8)的通用串口模块83中“RS-232/1”接口相连，将HMI1的电源接口“24V+”和“GND”分别与DC/DC变换器6的“24V+”和“GND”相连；将北斗+4G定位及通信模块7的通信接口通过RS-485总线与核心控制板8的通用串口模块83中“RS-485/2”接口相连，北斗+4G定位及通信模块7的电源接口“12V+”和“GND”分别与DC/DC变换器6的“12V+”和“GND”相连；将核心控制板8的电源模块81电源输入端“5V+”、“3.3V+”和“GND”分别与DC/DC变换器6的“5V+”、“3.3V+”和“GND”相连；将电磁阀组驱动模块9“+”、“-”端分别与DC/DC变换器6的“24V+”和“GND”相连；将 10个二进二出电磁阀励磁侧一端与DC/DC变换器6的“24V+”连接，另一端分别与电磁阀组驱动模块9输出引脚“O1”、“O2”...“O10”连接；将接线模块1204的通信接口通过RS-485总线与核心控制板的通用串口模块83中“RS-485/1”接口相连，接线模块1204的电源输入端“48V+”、“12V+”和“GND”分别与DC/DC变换器6的“48V+”、“12V+”和“GND”相连；将接触器19控制线圈两端分别与DC/DC变换器6“24V+”和电磁阀组驱动模块9输出引脚“O12”相连，常开触点触点“JcA”、“JcB”分别与 DC/DC变换器6“24V+”引脚及自吸泵11电源端“A”触点相连，自吸泵11电源端“B”触点与DC/DC变换器6的“GND”引脚相连；将晶体管输出模块组82的“P1”、“P2”... “P12”触点分别与电磁阀组驱动模块9的“IN1”、“INP2”...“IN12”触点相连；将电磁阀组驱动模块9的“COM”触点与核心控制板8的“GND”触点相连；将电机驱动模块1217的电源输入端通过电缆与接线模块1204的“48V+”和“GND”端子相连，电机驱动模块1217的串口输入端通过二芯屏蔽电缆与接线模块1204的“RS-485/1”端口相连；将导电滑环1207定子侧四路端子通过四芯屏蔽电缆分别连接接线模块1204的“12V+”、“GND”端子和“RS-485/1”端口，导电滑环1207转子侧四路端子与测深电缆1213出线端相连；将电机驱动模块1217的输出端口与直流减速电机1201输入端口通过三芯电缆相连；将主转轴1203横向安装于主框架1216中心位置，导向轴1209平行于主转轴1203横向安装于主框架1216前侧，直流减速电机1201、接线模块1204、电机驱动模块1217等安装于主框架1216上部；将电机齿轮1202安装于直流减速电机1201 驱动轴上，通过链条与安装在主转轴1203左侧上的第一齿轮1205相连，安装在主转轴 1203左侧上的第二齿轮1206与安装在导向轴1209左侧上的导向轴齿轮1210通过连条项链；将导电滑环1207安装于主转轴1203右端侧壁入水口与主框架1216之间；

装置安装于双体无人船上使用时，首先，需将无人船航行控制核心船载航控器2的通信接口通过RS-232总线与核心控制板8的通用串口模块83中“RS-232/2”接口相连，其他部分组装参照“系统内部各部分组装”；

系统安装完毕后，将三档转换开关3档位从“OFF”档置于“DC”档，由电池组5 为系统供电；

通过HMI1在系统配置模式将系统执行模式配置为全自动执行模式，设置采水点位参数、采水层数和层深参数、采水时间参数、管路冲洗时间参数等；

配置完成后，启动无人船，无人船接收装置核心控制板8发出坐标位置参数及指令，前预设点位进行自动水样采集工作，并按照点位顺序及水深层数自动依次进行作业，当作业完成，或操作人员通过移动端通过移动或北斗卫星短报文向北斗+4G定位及通信模块7发送返回指令时，无人船完成工作，自动返回出发或者预设的返回位置。

装置安装于普通载人动力船情况下，若船只能够提供交流220V市电，系统安装完毕后，将三档转换开关3档位从“OFF”档置于“AC/DC”档，由市电接开关电源4为系统供电，否则，将三档转换开关3档位从“OFF”档置于“DC”档，由电池组5为系统供电；

通过HMI1在系统配置模式将系统执行模式配置为半自动执行模式，设置采水点位参数、采水层数和层深参数、采水时间参数、管路冲洗时间参数等；

配置完成后，启动船只航行，操作人员可通过HMI1实时查看由北斗+4G定位及通信模块7采集的实时坐标定位数据，当抵达目的地后，HMI1将提醒操作人员，已抵达预设采水点位；

此时，操作人员通过HMI1启动该点位自动水样采集工作，当该点位自动采样完成后，HMI1提醒操作人员工作已完成，可前往下一采样点作业；

操作人员控制船只前往下一点位，开始下一轮作业，循环上述工作，直至操作人员控制船只返航结束工作。

上述优选实施例主要包括HMI1、船载航控器2、三档转换开关3、开关电源4、电池组5、DC/DC变换器6、北斗+4G定位及通信模块7、核心控制板8、电磁阀组驱动模块9、配水模块10、自吸泵11、取水模块12、接触器19；

核心控制板8主要包括电源模块81、晶体管输出模块组82、通用串口模块83、mcu及其外围电路模块84；

配水模块10包括分流模块13、来水手阀组14、样品瓶组15、排水手阀组16、逆止阀组17、汇流模块18；其中，分流模块13包括分流板1301及10个电磁阀组成的电磁阀组；来水手阀组14包括9个手阀；样品瓶组15包括9个样品瓶；排水手阀组16包括 9个手阀；逆止阀组17包括10个逆止阀；

取水模块12主要包括直流减速电机1201、电机齿轮1202、主转轴1203、接线模块1204、第一齿轮1205、第二齿轮1206、导电滑环1207、旋转接头1208、导向轴1209、导向轴齿轮1210、管路导向器1211、取水管1212、测深电缆1213、过滤配种块1214、水位计1215、主框架1216、电机驱动模块1217等；

三档转换开关3包括“AC/DC”档、“OFF”档、“DC”档，触电均为常开触电，包括至少2个联动开关31和32，其中，联动开关31和32的第一档输入端分别与开关电源 4的“AC/DC+”和“AC/DC-”接口电连，第二档输入端均空接，第三档输入端分别与电池组5的“DC+”和“DC-”接口电连，输出端分别与DC/DC变换器6的“48V+”和“GND”接口电连；

开关电源4在存在交流220V市电情况下，为系统提供直流48V电源，此时，输入端“220VA”和“220VB”分别与交流220V火线和零线电连，输出端经三档转换开关3第一档与DC/DC变换器6电连；

电池组5在无市电情况下，为系统提供直流48V电源，输出端经三档转换开关3第三档与DC/DC变换器6电连；

DC/DC变换器6为系统提供24V、12V、5V、3.3V直流电源；

HMI1的通信接口通过RS-232总线与核心控制板8的通用串口模块83中“RS-232/1”接口相连，用于装置的设置和水样采集手动控制，HMI1的电源接口“24V+”和“GND”分别与DC/DC变换器6的“24V+”和“GND”相连；

当装置搭载于无人船时，无人船航行控制核心船载航控器2的通信接口通过RS-232 总线与核心控制板8的通用串口模块83中“RS-232/2”接口相连；

北斗+4G定位及通信模块7的通信接口通过RS-485总线与核心控制板8的通用串口模块83中“RS-485/2”接口相连，为系统提供北斗卫星定位及北斗短报文和4G通信，北斗+4G定位及通信模块7的电源接口“12V+”和“GND”分别与DC/DC变换器6的“12V+”和“GND”相连；

核心控制板8的电源模块81电源输入端“5V+”、“3.3V+”和“GND”分别与DC/DC 变换器6的“5V+”、“3.3V+”和“GND”相连；

电磁阀组驱动模块9“+”、“-”端分别与DC/DC变换器6的“24V+”和“GND”相连；

配水模块10中分流模块13的10个电磁阀1302、1303...1311为二位二通电磁阀，电磁阀励磁侧一端与DC/DC变换器6的“24V+”连接，另一端分别与电磁阀组驱动模块9 输出引脚“O1”、“O2”...“O10”连接；

取水模块12中接线模块124的通信接口通过RS-485总线与核心控制板8的通用串口模块83中“RS-485/1”接口相连，电源输入端“48V+”、“12V+”和“GND”分别与 DC/DC变换器6的“48V+”、“12V+”和“GND”相连；

接触器19控制线圈两端分别与DC/DC变换器6“24V+”和电磁阀组驱动模块9输出引脚“O12”相连，接触器19触点为常开触点，触点“JcA”、“JcB”分别与DC/DC变换器6“24V+”引脚及自吸泵11电源端“A”触点相连，自吸泵11电源端“B”触点与 DC/DC变换器6的“GND”引脚相连；

核心控制板8至少包括一个晶体管输出模块组82，晶体管输出模块组82的“P1”、“P2”...“P12”触点分别与电磁阀组驱动模块9的“IN1”、“INP2”...“IN12”触点相连；

电磁阀组驱动模块9的“COM”触点与核心控制板8的“GND”触点相连；

配水模块10中，分流模块13的分流板1301入水口通过管路连通自吸泵11出水侧，10个电磁阀前端分别连通分流板1301出水口，10个电磁阀的前九个后端分别依次通过管路联通来水手阀组14的9个手阀的前端，来水手阀组14的9个手阀的后端分别依次通过管路连通样品瓶组15的9个样品瓶的入水口，样品瓶组15的9个样品瓶的出水口分别依次通过管路连通排水手阀组16的9个手阀的前端，排水手阀组16的9个手阀的后端分别依次通过管路连通逆止阀组17的10个逆止阀的前9个逆止阀的前端，逆止阀组17的10个逆止阀的后端分别依次通过管路连通汇流模块18的入水口，汇流模块18 出水口外接一段长度管路，该管路长度需使得管口另一侧没入待采样水体水面以下，分流模块13的电磁阀1311的后端通过管路连通逆止阀组17的逆止阀1710的前端；

取样过程中，如图2和图3所示，样品瓶的进水口位于样品瓶下端侧面，出水口位于样品瓶顶部；

取水模块12中，电机驱动模块1217的电源输入端通过电缆与接线模块1204的“48V+”和“GND”端子相连，电机驱动模块1217的串口输入端通过二芯屏蔽电缆与接线模块1204的“RS-485/1”端口相连；导电滑环1207为四路型，其中二路为电源回路，另外二路为通信回路，导电滑环1207定子侧四路端子通过四芯屏蔽电缆分别连接接线模块1204的“12V+”、“GND”端子和“RS-485/1”端口；电机驱动模块1217的输出端口与直流减速电机1201输入端口通过三芯电缆相连；电机齿轮1202安装于直流减速电机1201驱动轴上，通过链条与安装在主转轴1203左侧上的第一齿轮1205相连，安装在主转轴1203 左侧上的第二齿轮1206与安装在导向轴1209左侧上的导向轴齿轮1210通过连条项链；主转轴1203横向安装于主框架1216中心位置，导向轴1209平行于主转轴1203横向安装于主框架1216前侧，直流减速电机1201、接线模块1204、电机驱动模块1217等安装于主框架1216上部；导电滑环1207安装于主转轴1203右端侧壁入水口与主框架1216 之间；主转轴1203右侧内部存在联通管路，联通管路以主转轴1203右端侧壁为入水口，以右端面中心为出水口，其中，主转轴1203出水口连接旋转接头1208固定头，旋转接头1208的旋转头通过管路连接自吸泵11入水侧；取水管1212与测深电缆1213之间使用绑带平行捆绑，穿过管路导向器1211旋卷于主转轴1203之上；取水管1212入水口端接过滤配种块1214，取水管1212出水口端与主转轴1203右端侧壁入水口连接；测深电缆1213为四芯屏蔽电缆，其中二芯为电源线，另外二芯为通信线，测深电缆1213入水端与水位计1215电源输入及通信接口相连，测深电缆1213另一端与导电滑环1207转子侧四路端子相连；

装置系统中RS-232总线采用三线式，每个端口共三个端子，RS-485总线采用2线式，每个端口共2个端子；

系统工作分为三种模式系统配置模式、全自动执行模式、半自动执行模式；

当系统运行在配置模式，需要配置的参数包括执行模式参数、采水点位参数、采水层数和层深参数、采水时间参数、管路冲洗时间参数等，其中执行模式参数主要配置系统执行过程模式，为单选项，选项包括设置为全自动执行模式、设置为半自动执行模式；采水点位参数主要配置待采样水域各采样点坐标位置和采样顺序；采水层数和层深参数主要配置各采样点需要采几层水样及每层水样的水深；采水时间参数主要配置每次采集水样接通自吸泵11电源的时间，通过该项参数间接配置单次采样的流量；管路冲洗时间参数用于配置每次冲洗管路接通自吸泵11电源的时间；

核心控制板8具备定时器1、定时器2及计数器1和计数器2，定时器1计时时间等于管路冲洗时间参数，定时器2计时时间等于采水时间参数，计数器1记录已采集完水样的数量，此数量与盛满样品的样品瓶数量相等，计数器2记录某一采样点位已完成采水的层数；

在装置运行前，将来水手阀组14和排水手阀组16地全部手阀打开；

全自动执行模式仅适用于无人船搭载装置使用，完成配置模式操作后，当装置运行于全自动执行模式时，系统执行如下步骤SA，自动完成采样工作：

SA1：控制无人船启动，核心控制板8向船载航控器2发送第一采水点位坐标位置数据及启航指令，无人船启航；

SA2：无人船抵达预定采水点位，船载航控器2发送抵达目的地指令及其采集地位置坐标数据至核心控制板8；

SA3：根据设定的层深参数，控制滤配种块1214入水深度，自动采集水样；

SA4：采水完成，控制无人船启动，核心控制板8根据设定的采水点位参数及计数器1数据，判断是否已完成本次采样工作，如计数器1数值等于采水点位数量或计数器1 数值等于9，完成本次采水工作，向船载航控器2发送返航指令，否则向船载航控器2 发送下一采水点位坐标位置数据及启航指令，控制无人船启动；

SA5：重复步骤SA2-SA4，直至采样工作结束，无人船返航；

所述步骤SA3的具体步骤为：

SA3-1：比较判断滤配种块1214入水深度与设定的层深参数，驱动直流减速电机1201 动作，核心控制板8读取水位计1215数据测量滤配种块1214实时入水深度，当入水深度小于设定的层深参数时，向电机驱动模块1217发出电机正转入水指令，电机驱动模块1217控制直流减速电机1201正转，水管下放，当入水深度大于设定的层深参数时，向电机驱动模块1217发出电机反转出水指令，电机驱动模块1217控制直流减速电机1201反转，水管上提；

SA3-2：当滤配种块1214入水深度达与预设层深参数之差小于1cm时，核心控制板8向电机驱动模块1217发出停转指令，电机驱动模块1217控制直流减速电机1201停转；

SA3-3：核心控制板8控制电磁阀组驱动模块9打开电磁阀1311；

SA3-4：核心控制板8控制电磁阀组驱动模块9打开接触器19，控制自吸泵11上电，开始冲洗工作，同时，定时器1开始计时；

SA3-5：定时器1计时结束，根据计数器1数值X1，核心控制板8控制电磁阀组驱动模块9打开电磁阀1302+X1；

SA3-6：核心控制板8控制电磁阀组驱动模块9关闭电磁阀1311，启动定时器2计时，为样品瓶1501+X1采集水样；

SA3-7：定时器2计时结束，核心控制板8控制电磁阀组驱动模块9关闭接触器19，切断自吸泵11电源；

SA3-8：核心控制板8控制电磁阀组驱动模块9关闭电磁阀1302+X1，计数器1数值X1加1，计数器2数值X2加1，本次采样结束；

SA3-9：比较判断计数器2数值X2与预设采样层数，当X2＜预设采样层数，重复执行步骤SA3-1至SA3-8，当X2＞预设采样层数，核心控制板8，向电机驱动模块1217发出电机反转出水指令，电机驱动模块1217控制直流减速电机1201反转，直至滤配种块 1214入水深度小于1cm，控制直流减速电机1201停转，本点位采样结束；

进一步地，半自动执行模式适用于普通船只搭载装置使用，完成配置模式操作后，当装置运行于半自动执行模式时，系统执行如下步骤SB，人工辅助半自动完成采样工作：

SB1：船只启航，核心控制板8通过北斗+4G定位及通信模块7采集坐标数据，并通过HMI实时显示；

SB2：判断实时坐标数据与预设采水点位参数是否相符，如相符通过HMI显示已达预设采水点位；

SB3：人工操作HMI，启动该点位自动水样采集工作，步骤详情同步骤SA3；

SB4：通过HMI通知操作人员，该点位水样采集工作结束，可以前往其他点位或返航；

SB5：由操作人员选择返航或前往其他点位，如前往其他点位，重复步骤SB1至SB5；

进一步地，操作人员可使用移动端通过4G移动网络及北斗卫星短报文系统经由斗+4G 定位及通信模块7向核心控制板8发送指令及实时查看系统工作状态；

进一步地，在半自动工作模式下，当所有样品瓶已装满样品，现场操作人员可以通过更换样品瓶及其前后来水和排水手阀，更新扩充系统可采集水样数量，具体方法步骤如下：

SC1：依次关闭来水手阀组14和排水手阀组16所有手阀；

SC2：依次断开来水手阀组14所有手阀前端管路及排水手阀组16所有手阀后端管路，并将样品瓶及于其相连接的管路和手阀取出，即为已采集水样；

SC3：将新的样品瓶及于其相连接的管路和手阀连接系统装置，其中来水手阀组14的所有手阀前端依次分别连通分流板1301出水口，排水手阀组16的所有手阀后端分别依次通过管路连通逆止阀组17的逆止阀，更新扩充步骤结束；

在任何模式下，系统工作前，可通过扩充晶体管输出模块组82、电磁阀组驱动模块9、配水模块10扩充单次航行样品采集频次。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种船载多点位多层水采样装置，其特征在于，至少包括取水模块、配水模块、定位模块、控制所述取水模块和配水模块工作状态的控制部；其中：

所述配水模块包括分流模块、来水手阀组、样品瓶组、排水手阀组、逆止阀组和汇流模块；所述分流模块包括空腔结构的分流板，所述分流板包括一个进水口和M+1个出水口，每个出水口处安装有一个电磁阀；所述样品瓶组包括M个样品瓶；十号电磁阀通过一根安装有逆止阀的侧管与汇流模块连接；其余M个电磁阀，每个电磁阀通过一根进水管与一个样品瓶的进水口连接，在每根进水管上安装有第一手阀；每个样品瓶的出水口通过出水管与汇流模块连接；在每根出水管上安装有第二手阀和逆止阀；M为大于1的自然数；

所述取水模块包括密封结构的主框架、安装于主框架内的动力卷轴；在所述动力卷轴上绕制有取水管；所述取水管的出水端穿出主框架后通过自吸泵与分流板的进水口连接；所述取水管的进水端穿出主框架后与过滤配种块连接；

所述取水管的进水端设置有水深检测模块；

所述控制部分别与取水模块、配水模块和定位模块进行数据交互；

所述控制部包括核心控制板，所述核心控制板通过电磁阀组驱动模块与电磁阀、逆止阀组连接；所述核心控制板通过RS-232串行总线与HMI及船载航控器进行数据交互；所述核心控制板包括：

控制管路冲洗时长的第一定时器；

控制采水时长的第二定时器；

统计已采集完水样数量的第一计数器；

统计采样点位已完成采水层数的第二计数器；

所述动力卷轴包括主转轴、带动主转轴动作的直流减速电机；所述直流减速电机的电机齿轮与主转轴上的第一齿轮、第二齿轮啮合；所述主框架内安装有导向轴，所述导向轴上安装有连接取水管的管路导向器；所述主框架内安装有接线模块，所述接线模块包括电源模块和RS485通信模块，所述直流减速电机通过电机驱动模块与接线模块连接；所述RS485通信模块分别与导电滑环、电机驱动模块连接；

所述主转轴的端部安装有旋转接头，所述主转轴的右端开设有轴心孔，所述主转轴的侧壁开设有与轴心孔连通的侧孔，所述侧孔位于主框架内，所述主转轴的右端安装有旋转接头，所述取水管的出水端依次穿过侧孔、轴心孔、旋转接头后通过自吸泵与分流板的进水口连接；

所述控制部的工作分为三种模式：系统配置模式、全自动执行模式、半自动执行模式；其中：

配置模式需要配置的参数包括执行模式参数、采水点位参数、采水层数和层深参数、采水时间参数、管路冲洗时间参数，其中，所述执行模式参数用于配置系统执行过程模式，为单选项，选项包括设置为全自动执行模式、设置为半自动执行模式；采水点位参数用于配置待采样水域各采样点坐标位置和采样顺序；采水层数和层深参数主要配置各采样点需要采几层水样及每层水样的水深；采水时间参数用于配置每次采集水样接通自吸泵电源的时间，通过该项参数间接配置单次采样的流量；管路冲洗时间参数用于配置每次冲洗管路接通自吸泵电源的时间；

在三种模式下，系统工作前，通过扩充晶体管输出模块组、电磁阀组驱动模块、配水模块扩充单次航行样品采集频次。

2.一种船载多点位多层水采样方法，其特征在于，首先将权利要求1所述的船载多点位多层水采样装置安装在无人船上；然后执行如下步骤：

SA1：控制无人船启动，通过核心控制板向船载航控器发送第一采水点位的坐标位置数据及启航指令，无人船启航；

SA2：无人船抵达预定采水点位，船载航控器发送抵达目的地指令及其采集地位置坐标数据至核心控制板；

SA3：根据设定的层深参数，控制滤配种块入水深度，自动采集水样；

SA4：采水完成，控制无人船启动，核心控制板根据设定的采水点位参数及第一计数器的数据，判断是否已完成本次采样工作，如第一计数器的数值等于采水点位数量或第一计数器的数值等于M，完成本次采水工作，向船载航控器发送返航指令；否则，向船载航控器发送下一采水点位坐标位置数据及启航指令，控制无人船启动；

SA5：重复步骤SA2-SA4，直至采样工作结束，无人船返航。

3.根据权利要求2所述的船载多点位多层水采样方法，其特征在于，所述SA3的具体步骤为：

SA3-1：比较判断滤配种块入水深度与设定的层深参数，驱动直流减速电机动作，核心控制板读取水位计的数据，水位计用于测量滤配种块实时入水深度，当入水深度小于设定的层深参数时，向电机驱动模块发出电机正转入水指令，电机驱动模块控制直流减速电机正转，水管下放，当入水深度大于设定的层深参数时，向电机驱动模块发出电机反转出水指令，电机驱动模块控制直流减速电机反转，水管上提；

SA3-2：当滤配种块入水深度达到与预设层深参数之差小于1cm时，核心控制板向电机驱动模块发出停转指令，电机驱动模块控制直流减速电机停转；

SA3-3：核心控制板控制电磁阀组驱动模块打开十号电磁阀；

SA3-4：核心控制板控制电磁阀组驱动模块打开接触器，控制自吸泵上电，开始冲洗工作，同时，第一定时器开始计时；

SA3-5：第一定时器计时结束，根据第一计数器的数值X1，核心控制板控制电磁阀组驱动模块打开N号电磁阀；N为1至9的自然数；

SA3-6：核心控制板控制电磁阀组驱动模块关闭十号电磁阀，启动第二定时器计时，为N号样品瓶采集水样；

SA3-7：第二定时器计时结束，核心控制板控制电磁阀组驱动模块关闭接触器，切断自吸泵电源；

SA3-8：核心控制板控制电磁阀组驱动模块关闭N号电磁阀，第一计数器的数值X1加1，第二计数器的数值X2加1，本次采样结束；

SA3-9：比较判断第二计数器的数值X2与预设采样层数，当X2小于预设采样层数时，重复执行步骤SA3-1至SA3-8，当X2大于预设采样层数时，核心控制板向电机驱动模块发出电机反转出水指令，电机驱动模块控制直流减速电机反转，直至滤配种块入水深度小于1cm，控制直流减速电机停转，本点位采样结束。

4.一种船载多点位多层水采样方法，其特征在于，首先将权利要求1所述的船载多点位多层水采样装置安装在船只上；选择半自动执行模式，完成配置模式操作后，执行如下步骤，通过人工辅助半自动完成采样工作：

SB1：船只启航，核心控制板通过定位模块及通信模块采集坐标数据，并通过HMI实时显示；

SB2：判断实时坐标数据与预设采水点位参数是否相符，如相符，通过HMI显示已达预设采水点位；如不相符，船只启航调整位置，直至相符；

SB3：人工操作HMI，启动该点位自动水样采集工作；

SB4：通过HMI通知操作人员，该点位水样采集工作结束，前往其他点位或返航；

SB5：由操作人员选择返航或前往其他点位，如前往其他点位，重复步骤SB1至SB5。

5.一种船载多点位多层水采样方法，其特征在于，首先将权利要求1所述的船载多点位多层水采样装置安装在船只上；在半自动工作模式下，当所有样品瓶已装满样品，操作人员通过更换样品瓶及其前后来水和排水手阀，更新扩充系统可采集水样数量，具体方法步骤如下：

SC1：依次关闭来水手阀组和排水手阀组所有手阀；

SC2：依次断开来水手阀组所有手阀前端管路及排水手阀组所有手阀后端管路，并将样品瓶及于其相连接的管路和手阀取出，即为已采集水样；

SC3：将新的样品瓶及于其相连接的管路和手阀连接系统装置，其中来水手阀组的所有手阀前端依次分别连通分流板出水口，排水手阀组的所有手阀后端分别依次通过管路连通逆止阀组的逆止阀，更新扩充步骤结束。

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