基于LabVIEW的无人监测船水质采样系统设计

路春晖， 东 林， 付振楷， 尹美琳， 张嘉琪

（天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津300384）

0 引 言

我国对江河湖泊和海洋的监测大多采用重点污染源在线监控设备和人工采集的方式，定期对所在水域展开环境监测工作。前者弊端是工程造价高，其所使用的监测设备大多为国外产品，维修费用高，难以大规模布置；后者弊端是不够灵活，需要耗费大量的人力和物力，同时不能适用于复杂多变的水体环境，造成部分水域数据的空白［1］。随着互联网的普及，人类收集的关于水的数据量正在加速增长，许多数据源已经积累了大量的数据［2］。长期以来，我国现场采样设备技术比较落后，一直处于机械式采水技术的阶段。传统的南森瓶是一种结合了预设深度采样与固定颠倒温度表为一体的颠倒采水设备。南森采水器［3-5］适用于常规水文、海水化学和微生物调查。由于南森采水器的构造简单，使用方便，是各国常规使用的一种采水器。但这种采水器的采样精度无法保证，并且只是单纯的采集水样，无法对周围环境的参数进行采集，无法做到连续多次采样。在国家863计划等项目的支持下，海洋技术中心等单位研制了一批电控式采水装置及系统，推出了包括卡盖式采水器，高精度CTD采水器，大容量采水器等［6-11］。

目前，大量的海上无人平台正在开发和部署在众多的实际应用中［12］。利用无人船进行环境监测的技术已较为成熟。为了在环境监测领域获得真实、准确、完整的水质监测数据，实现有效的水质收集。本文开发了一种新型水样自动采集装置用于无人船监测水质。基于虚拟仪器LabVIEW平台开发控制软件，NI模块用于编程，利用电磁阀和真空泵采集水样。通过软件程序控制继电器、电磁阀和真空泵，可以获得3种采样模式：人工手动采样、顺序自动采样、逻辑关系自动采样。克服了采样误差大，监测频率低，监测数据分散，劳动强度大等问题。此外，为了避免真空泵的损坏和提高采样瓶的气密性，该装置采用气路和水路的双向设计。结果表明，该系统具有更高的可靠性和精度。

1 水质采样系统总体设计

根据水质采样系统功能需求的分析，除了实现自动或远程手动取样的核心功能外，系统还需要实现管路与采样瓶的润洗、各个传感器模块的读取与记录、GPS的读取与记录、时间记录、日志记录与存储等功能。在确定水质采样系统采用真空泵降低采样瓶内气压的取样方式和气路、水路分离的管路连接方式之后。为了了解采样瓶内部的压力状况，在采样系统的管路中加入压力传感器。

根据水质采样系统的总体功能，设计实现该系统的总体结构设计，除了上述所提到的需要实现的功能外，还包括以下电源模块、气水管路与真空抽气泵的控制模块、通信模块等（见图1）。

图1 总体设计框图

2 系统功能原理及采样实现步骤

2.1 采样工作原理

系统进行采样前需进行润洗工作，首先打开负压真空泵和采样瓶气水两路电磁阀。在采样瓶内保持一定真空度后，关闭负压真空泵和气路电磁阀，打开采样瓶进水管路电磁阀，水在大气压作用下进入采样瓶。一定量的水进入采集瓶后，同时打开正压真空泵和气路电磁阀。此时由于瓶内气压作用，瓶内的水通过进水管被压出采样瓶［13］。重复上述过程2或3次，完成采样前的润洗。

系统完成润洗工作后开始采样，采样过程与润洗过程基本相似，不同之处在于润洗需水量小而采样对水量有一定要求，所以本装置添加了液位传感器，通过液位传感器传输信号到控制系统判断出采样瓶内水位是否达标（见图2）。若达标则关闭采样瓶进水管路电磁阀，采样结束；若未达标则重复采样过程，添加水样至采样瓶直至达标后关闭采样瓶进水管路电磁阀，采样结束。此过程通过真空泵将采样瓶内部气压降低，在大气压作用下，水被压入采样瓶，所以不会产生采样瓶内满溢情况。

图2 水质采样系统平面图

2.2 采样实现步骤

（1）按照顺序设置采样点及每个采样点的采集量。

（2）装置系统向液位传感器发出指令，判断采样瓶中是否有残留水样。

（3）若有水，则系统自动打开正压真空泵和采样瓶气水两路电磁阀，提升瓶内气压。由于瓶内气压作用，瓶内的水通过进水管被压出采样瓶。若无水，则进行步骤（4）。

（4）排水后，系统控制所需采样瓶的气水两路电磁阀，通过真空泵调节瓶内气压，使少量水样进入管路和采样瓶，之后再将少量水样排出，完成采样瓶的润洗与排空，润洗2或3遍后，进入正式的采样工作。

（5）润洗后，系统控制打开所需采样瓶的气路和负压真空泵的电磁阀，将采样瓶抽成真空状态。

（6）抽真空后，关闭气路和负压真空泵的电磁阀，打开采样瓶水路电磁阀，水样在压力差作用下被压入采样管水路，进入采样瓶。

（7）在压力上升到达所设定的压力后，再判断采样瓶的液位是否达到水位线，若未达到，重复取样过程。若达到水位线，则完成采样。

采样系统流程图见图3。

图3 按地点顺序采样系统流程图

3 水质采样系统硬件及软件设计

水质采样系统主要由硬件和基于LabVIEW平台设计开发的控制软件两部分组成。该水质采样系统能与无人船设备的控制电脑和所搭载的各种传感器相互通信、读取传输数据。操作人员能够通过人机互动界面，远程进行操作取样或通过设置条件进行自动多点采样，并且能将所有的操作信息都生成文件保存起来，以便随时查阅历史操作。

3.1 系统硬件设计

全自动水质采样装置硬件部分包括采样瓶安置箱和水质采样控制箱。采样瓶安置箱包括瓶口开两孔的采样瓶、采样瓶固定槽、液位传感器、顶部开孔的采样瓶安置箱保护罩、安装采样瓶的支撑机构。采样瓶的支撑机构包括设置在底部用于固定采样瓶的安装座、底盘以及在中上部的起到固定采样瓶盖和液位传感器的金属槽。采样瓶放置在金属固定槽内，采用具有松紧性的织带固定，结构简单，便于拆装。液位传感器固定在采样瓶的侧面。采样瓶瓶口两孔安装有连接塑胶管的密封管路接头，进水孔接头连接长度为至瓶底的塑胶管，每组采样瓶侧面固定一组液位传感器，瓶口外部两孔管路接头通过塑胶管与控制箱正面相应的进水孔和气孔相连接（见图4）。

图4 采样瓶安置箱三维图

水质采样控制箱包括电磁阀、真空泵、侧面设有进水孔的金属挡板、正面有与采样瓶连接开孔的挡板、塑胶管、压力传感器、转换器、继电器、电源、安装控制系统的支撑结构。电磁阀通过塑胶管分别连接采样瓶和真空泵，并置于控制箱内与控制系统连接。两台真空泵分别与气路总管路连接。压力传感器连在真空抽气泵之后，利用一个三通快拧接入气路之中。进水孔和气孔都装有连接塑胶管的密封管路接头并固定在正面挡板开孔槽内。每个电磁阀通过塑胶管连接相应的气孔、进水孔和真空泵。电磁阀、真空泵、压力传感器、转换器、继电器、电源均固定在控制箱底部（见图5）。

图5 水质采样控制箱三维图

硬件设计选取非接触式液位传感器，能够对密闭容器内的液位的高度进行非接触检测［14］。可以有效检测正常情况下瓶内是否有水，采集时通过水位判断是否满足采集水量。当水位过高可以发出信号关闭进水管路电磁阀，控制水量。利用压力传感器，能够通过控制采样瓶所对应电磁阀的启动与关闭，来检测出各个采样瓶内部的压力变化，并且能够减少管路的复杂程度。采用真空泵、电磁阀、压力传感器、液位传感器，通过互相协调达到采样前期润洗管路和采样瓶，采样时有效控制采水量。采用真空泵还避免了之前采用蠕动泵时塑胶管需要定期更换的缺陷。

整体管路设计将气路与水路分成两路，互不干扰。采用气路、水路分离的管路设计方案可以避免真空抽气泵工作时容易将管路中的残余水样吸入泵中，造成气泵的损坏（见图6、7）。同时增加了采样瓶气密性，并且实现容器的润洗。通过实验验证，这种设计方案可以保证水不会倒流进真空气泵中。设计方案能够通过真空泵改变瓶中压力将水压出，以实现采样瓶的润洗，来达到减少误差的目的。

图6 无人监测船中的水质采样系统

图7 水质采样系统实物图

3.2 系统软件设计

本系统的控制软件是利用美国NI公司LabVIEW开发平台［15］，开发了水质采样系统的控制软件。控制软件实现水质采样系统的智能化与自动化水样采集功能，同时完成对各种传感器的读取与判断。在控制软件中设计编写了3种取样方式，操作人员可通过人机交互界面进行设置取样方式，在选择“顺序自动采样”后，系统可以按顺序完成水样的采集；在选择“人工手动采样”后，可通过在界面上指定采样瓶进行取样；在选择“逻辑自动采样”后，可以设置环境参数的条件，只要满足采样瓶所预设的条件就可以进行取样；其他还具有可以观察各个采样瓶的实时压力变化和采样瓶的液位是否处于水位线下的功能。控制软件人机交互界面如图8所示。

图8 控制软件人机交互界面

4 仿真实验

为了验证自动水质采样系统的实用性，通过无人监测船进行实地模拟操控。将采样系统安装到无人监测船，并将采样系统控制软件安装到无人船监测平台岸基站控制系统。在学校理工湖中进行功能试验（见图9），对自动水质采样系统的人工手动采样、顺序自动采样、逻辑关系自动采样功能进行实地验证。

图9 理工湖测试

在整个实验过程中，采样系统对岸基站管理软件发出的各种控制指令做出相应的响应动作。顺利完成人工远程操控采样，按事先设置好的地点、时间顺序采样，并且可完全按照各个采样点、不同采样水量要求进行采样。在系统工作后，系统中各个传感器的工作状态以及传感器采集的数据、当前时钟信息、各个采样单元的开闭状态、真空抽气泵的工作状态等都会被存储在文件中，随时调用历史文件功能也顺利完成。

5 结 语

针对自动水质采样系统的功能需求及存在的问题，基于LabVIEW编程技术，通过与无人监测船结合，进行实地采样模拟操控实验。实验结果表明，本系统克服了传统水样采集劳动强度大的缺点，实现了无人船远程自动采集水样。