一種振動(dòng)式沉積物采集儀的手持終端監(jiān)控裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于自動(dòng)化與水利工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于嵌入式控制器的沉積物采集儀的手持終端監(jiān)控系統(tǒng)。
技術(shù)背景
[0002]水底沉積物的采集與保存是水質(zhì)監(jiān)測(cè)與保護(hù)的基礎(chǔ)。多年來(lái)受到人類活動(dòng)的影響，包括河流、湖泊與水庫(kù)等在內(nèi)的水源地都受到了不同程度的影響。除此之外，水中生物新陳代謝、自然降雨、地表徑流以及大氣沉降等因素導(dǎo)致水中較大的顆粒逐步沉降形成水底沉積物，隨著時(shí)間積累，水底沉積物逐漸增加。這些沉積物中包含著大量的污染物，對(duì)水源水質(zhì)產(chǎn)生著持久的污染。尤其是在我國(guó)的東北地區(qū)，由于降雨量較小，人類活動(dòng)頻繁，水底交換效率低等原因，造成湖庫(kù)等水源地水底沉積物逐年累加。因此河流、湖泊以及水庫(kù)等水源地水底沉積物的采集與研究對(duì)水源地水質(zhì)的監(jiān)測(cè)與保護(hù)具有重要的意義，如何高效地采集到具有代表性的沉積物樣本成為水源水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)與保護(hù)的重要環(huán)節(jié)。
[0003]由于沉積物的狀態(tài)、特性以及來(lái)源不同，在不同深度上的組分與濃度也產(chǎn)生很大的差別。水底沉積物可以劃分成兩種，一種是表層沉積物，該種沉積物的特征是含水量比較大，物理結(jié)構(gòu)比較松散，受到外界干擾時(shí)其形態(tài)與特征也很容易發(fā)生變化;另一種是深層沉積物，該沉積物是長(zhǎng)期積累的結(jié)果，含水量相對(duì)較少，物理結(jié)構(gòu)比較結(jié)實(shí)，外界因素對(duì)其難以產(chǎn)生較大的影響。目前獲取水底沉積物的采集方式有多種，常用的方法包括抓斗式、重力式與振動(dòng)式。抓斗式沉積物采集儀是依靠觸底后抓斗閉合進(jìn)行采集沉積物，該種采集方式對(duì)沉積物的物理結(jié)構(gòu)影響較大而且只能采集到表層。重力式沉積物采集儀是依靠其自身的重力深入沉積物中完成采集任務(wù)，該種采集方式過(guò)分依賴自身重力，比較笨重，操作非常不便，而且在下降過(guò)程中受到水流的影響，容易發(fā)生傾斜，時(shí)常有采集不到樣品的情況發(fā)生?，F(xiàn)有的振動(dòng)式沉積物采集儀是近幾年新出現(xiàn)的采集設(shè)備，但是該種采集儀主要沒(méi)有配置監(jiān)控裝置，工作人員并不能監(jiān)測(cè)采集儀的工作狀態(tài)，也不能觀測(cè)到整個(gè)采集過(guò)程，時(shí)常產(chǎn)生采集不到沉積物樣本的情況，采樣成功率也較低。
[0004]由于當(dāng)前的沉積物采集設(shè)備多為水下盲區(qū)操作，無(wú)法了解采集器的水下工作狀態(tài)。為了提高采樣效率，監(jiān)控其采樣過(guò)程從而及時(shí)做出調(diào)整是一種有效的辦法。通常水下設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)將PC機(jī)作為上位機(jī)。但實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)PC機(jī)體積比較大，重量比較重，在實(shí)際采樣過(guò)程中攜帶與使用均會(huì)帶來(lái)不便，另外PC機(jī)耗電量大，尤其是在連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間采樣中經(jīng)常因?yàn)殡娏坎蛔愕脑驅(qū)е卤O(jiān)控中斷，而且PC機(jī)的比較昂貴，開發(fā)基于嵌入式的手持終端可以節(jié)約成本。
[0005]顯然，目前振動(dòng)式沉積物采集儀由于缺乏對(duì)水下工作信息、環(huán)境條件的掌握，不能很好地適應(yīng)其工作環(huán)境。為了快速有效地完成沉積物采集任務(wù)，需要開發(fā)基于嵌入式的振動(dòng)式沉積物采集儀手持終端系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的使用方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在沉積物采樣過(guò)程中缺乏監(jiān)控、采樣成功率低的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于振動(dòng)式沉積物采集儀的手持終端監(jiān)控裝置與方法。利用該監(jiān)控裝置與方法可及時(shí)了解采集儀的工作情況，及時(shí)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)保障樣品的代表性。
[0007]本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案是:
[0008]一種振動(dòng)式沉積物采集儀的手持終端監(jiān)控裝置，包括水上部分和水下部分，兩部分通過(guò)電纜10連接，其中，水上部分包括手持終端設(shè)備I與電源模塊2，水下部分包括下位機(jī)與水下攝像模塊9。
[0009]所述的手持終端設(shè)備I包括中央處理器單元和人機(jī)交互單元。
[0010]所述的中央處理器單元包括基于嵌入式的中央處理器、Flash儲(chǔ)存器、RAM隨機(jī)存儲(chǔ)器、SD卡接口電路、RS485串口電路和USB接口電路。中央處理器通過(guò)I/O接口連接外部接口電路與存儲(chǔ)器，所述的外部接口電路包括SD卡接口電路、RS485串口電路與USB接口電路，SD卡接口電路存儲(chǔ)下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)與攝像模塊攝像得到的視頻，RS485串口電路連接下位機(jī)與中央處理器，傳輸沉積物采集儀工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，USB接口負(fù)責(zé)連接水下攝像模塊9與中央處理器，傳輸視頻數(shù)據(jù);所述的存儲(chǔ)器包括RAM隨機(jī)存儲(chǔ)器與Flash存儲(chǔ)器，F(xiàn)lash儲(chǔ)存器存儲(chǔ)程序與數(shù)據(jù)，RAM隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)；中央處理器作為整個(gè)振動(dòng)式沉積物采集儀手持終端的核心，負(fù)責(zé)運(yùn)行整個(gè)操作系統(tǒng)和上位機(jī)的程序。
[0011 ]所述的人機(jī)交互單元包括電容觸摸屏與LCD接口電路，LCD接口電路與電容觸摸屏和中央處理器連接。人機(jī)交互單元為工作人員提供操作界面，通過(guò)操作界面了解采集儀的工作情況，同時(shí)通過(guò)操作界面向下位機(jī)發(fā)送操作指令。
[0012]所述的下位機(jī)包括數(shù)據(jù)采集模塊4、振頻傳感器模塊5、姿態(tài)傳感器模塊6、內(nèi)壓傳感器模塊7和深度傳感器模塊8;下位機(jī)放置在密封箱3內(nèi)，由電源模塊2通過(guò)電纜10供電;數(shù)據(jù)采集模塊4通過(guò)I/O接口與振頻傳感器模塊5、姿態(tài)傳感器模塊6、內(nèi)壓傳感器模塊7和深度傳感器模塊8連接，用于采集它們檢測(cè)到的信號(hào)。采集的信號(hào)經(jīng)由RS485串口電路傳輸至上位機(jī)手持終端設(shè)備中。下位機(jī)的主要作用是測(cè)量沉積物采集儀的工作狀態(tài)，包括工作姿態(tài)、入水深度狀態(tài)、密封箱密封狀態(tài)以及振動(dòng)電機(jī)振動(dòng)狀態(tài)等。
[0013]所述的水下攝像模塊9通過(guò)USB接口與手持終端設(shè)備連接，利用V4L2編寫視頻采集程序，完成攝像模塊的驅(qū)動(dòng)與圖像采集。密封箱3下部依次連接水下攝像支架11和采樣管12，水下攝像模塊9與水下攝像支架11固定連接，水下攝像模塊9方向朝下;工作人員在采樣前利用水下攝像模塊9觀測(cè)水下沉積物的形態(tài)以及采集儀的姿態(tài)，在采樣時(shí)觀測(cè)沉積物采集儀的工作過(guò)程。水下攝像模塊9將采集到的視頻信號(hào)通過(guò)電纜10傳輸至手持終端設(shè)備中，由人機(jī)交互單元進(jìn)行顯示，并且將采集得到的視頻保存到SD卡中。
[0014]—種采用上述手持終端監(jiān)控裝置進(jìn)行手持終端監(jiān)控方法，包括以下步驟:
[0015]第一步，將下位機(jī)固定于沉積物采集儀的密封箱3中，將水下攝像模塊9安裝于采集儀的攝像模塊支撐架11上;水下部分與水上部分通過(guò)電纜10連接，電纜10用于傳輸信號(hào)與電能。
[0016]第二步，初始化上位機(jī)程序與下位機(jī)程序。
[0017]第三步，利用繩纜逐漸下放沉積物采集儀，通過(guò)觀測(cè)內(nèi)壓傳感器模塊7傳遞的參數(shù)監(jiān)測(cè)密封箱3是否發(fā)生漏水;通過(guò)觀測(cè)深度傳感器模塊8傳遞的參數(shù)監(jiān)測(cè)沉積物采集儀是否到達(dá)水底。
[0018]第四步，當(dāng)沉積物采集儀到達(dá)水底后，開啟水下攝像模塊9進(jìn)行攝像并將視頻存儲(chǔ)至SD卡;工作人員在采集沉積物過(guò)程中，通過(guò)手持終端的操作界面監(jiān)測(cè)采集儀的各種狀態(tài)，如果各部分出現(xiàn)不良情況需要采取必要的措施。在操作界面中將采集到的狀態(tài)信息保存在手持終端中；所述狀態(tài)的包括采集儀工作姿態(tài)，密封狀態(tài)以及振動(dòng)狀態(tài)。
[0019]第五步，采集完沉積物后，關(guān)閉電源，提拉采集儀至甲板;觀測(cè)沉積物原始物理狀態(tài)，拍照記錄，取樣保存，至此采樣結(jié)束。
[0020]基于嵌入式的振動(dòng)式沉積物采集儀手持終端采用的操作系統(tǒng)是Linux，上位機(jī)界面程序采用Qt/Embedded設(shè)計(jì)。上位機(jī)程序固化在Flash中。
[0021 ]本發(fā)明的有益效果為:(I)設(shè)計(jì)手持終端，采用嵌入式處理器作為控制核心，在滿足使用需求的同時(shí)減小上位機(jī)體積，節(jié)省電量與成本，提高采集效率；(2)采用Qt/Embedded編寫上位機(jī)程序，設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)相應(yīng)的人機(jī)交互界面，通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)與水下振動(dòng)式沉積物采集儀的交互；(3)搭載下位機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振動(dòng)式沉積物采集儀的多種工作狀態(tài)，包括水平工作狀態(tài)，入水深度狀態(tài)，密封狀態(tài)以及振動(dòng)狀態(tài)等，便于及時(shí)了解采集儀的工作情況。該方法適用于河流、湖泊與水庫(kù)等水源地的沉積物樣本采集；(4)該裝置具有攜帶方便，操作簡(jiǎn)單，耗電量小與成本少的特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是本發(fā)明手持終端監(jiān)控裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是振動(dòng)式沉積物采集儀整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3是本發(fā)明手持終端監(jiān)控裝置的監(jiān)控原理示意圖；
[0025]圖4是本發(fā)明手持終端監(jiān)控裝置功能示意圖；
[0026]圖5是本發(fā)明手持終端監(jiān)控方法的工作流程圖；
[0027]圖中:I手持終端設(shè)備;2電源模塊;3密封箱;4數(shù)據(jù)采集模塊;5振頻傳感器模塊;6姿態(tài)傳感器模塊;7內(nèi)壓傳感器模塊;8深度傳感器模塊;9水下攝影模塊；10電纜；11攝像模塊支撐架;12采樣管。
具體實(shí)施方案
[0028]以下結(jié)合技術(shù)方案(和附圖)對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)敘述。
[0029]—種振動(dòng)式沉積物采集儀的手持終端監(jiān)控裝置及方法的具體說(shuō)明如下:
[0030]參見圖1是本發(fā)明專利一種振動(dòng)式沉積物采集儀的手持終端監(jiān)控裝置及方法的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖?；赒t/Embedded的上位機(jī)程序由該手持終端硬件運(yùn)行，在上位機(jī)中讀取下位機(jī)傳輸上來(lái)的信號(hào)。通過(guò)顯示屏可以觀測(cè)與控制整個(gè)振動(dòng)式沉積物采集儀的工作情況。電源模塊2為整個(gè)上位機(jī)系統(tǒng)提供電能，也通過(guò)電纜10為下位機(jī)的各個(gè)模塊供電。密封箱3中密封著各個(gè)電路模塊，包括數(shù)據(jù)采集模塊4、振頻傳感器模塊5、姿態(tài)傳感器模塊6、內(nèi)壓傳感器模塊7與深度傳感器模塊8，這些電路模塊構(gòu)成下位機(jī)單元。下位機(jī)單元的功能是監(jiān)測(cè)采集儀的工作狀態(tài)，振頻傳感器模塊5監(jiān)測(cè)振動(dòng)電機(jī)振動(dòng)狀態(tài)，判斷電機(jī)是否正常工作;在整個(gè)下放與采集過(guò)程中，受到水流與振動(dòng)的影響，經(jīng)常使得采集儀發(fā)生傾斜，姿態(tài)傳感器模塊6用來(lái)監(jiān)測(cè)采集儀工作時(shí)是否發(fā)生傾斜；內(nèi)壓傳感器模塊7監(jiān)測(cè)密封箱的內(nèi)部壓力是否發(fā)生變化，即密封狀態(tài)是否良好;深度傳感器模塊8監(jiān)測(cè)采集儀在下放時(shí)是否到達(dá)底部。下位機(jī)單元通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊的RS485串口電路將采集的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)手持終端
I。水下攝影模塊9的功能是觀測(cè)水下沉積物狀態(tài)與振動(dòng)式沉積物采集儀工作情況，將采集的視頻信號(hào)通過(guò)電纜10傳輸至手持終端設(shè)備I中，在手持終端人機(jī)交互單元的電容觸摸屏中進(jìn)行顯示。
[0031]參見圖2是本發(fā)明專利一種振動(dòng)式沉積物采集儀的手持終端監(jiān)控裝置及方法的整體結(jié)構(gòu)示意圖。密封箱3中密封著振動(dòng)電機(jī)與各個(gè)電路模塊，安裝于振動(dòng)式沉積物采集儀的最頂部，用于提供采樣的動(dòng)力與監(jiān)控整個(gè)采樣的狀態(tài)。攝像模塊安裝支撐架11固定于密封箱3與采樣