技术领域本发明属于环境监测、环境治理及计算机控制技术领域，具体涉及到一种基于LabVIEW上位机的悬浮物采样装置及方法。
背景技术：
水体悬浮物是指悬浮在水中的某些物质，主要包括无机物、高分子有机物、泥沙、粘土、原生动物、藻类、细菌、以及病毒等。各地水源水库作为当地居民日常用水的主要来源，在人类社会中长期发挥着举足轻重的作用。水源水库长年累月地蓄水、供水运行过程中，水体悬浮物的状态也在不断地变化。其中，粒径较大的悬浮物逐渐沉淀到水库底部，粒径较小的则逐渐吸附凝聚在一起，悬浮在水库中下层水体中。因此，采集水体悬浮物并分析其中的成分，对于解决水源污染，缓解日益严峻的居民用水需求具有重要的现实意义与研究价值。目前，国内外水资源防治研究领域中，大多直接使用采水设备或者使用浮游微生物网进行悬浮物样本的采集。由于不需要使用特定的仪器设备来采集悬浮物样本，因此直接使用采水器进行采样的方法广泛应用于各类水质情况调查研究的工作当中。虽然该方法学习成本较低，适用范围较广，但是其采样过程操作繁琐，需要重复进行“先采集、后过滤”的工作，自动化程度很低，进而导致整个采样过程效率低下；另一种使用浮游微生物筛网进行悬浮物样本采集的方法则比较适合应用于采样深度较深、采样量较大的工作条件。由于该方法难以定量地采集所需的悬浮物样本，进而对后续水体质量的各项参数分析造成了较大的影响，因此该方法同样存在一定的不足。随着计算机智能化程度的不断提高，水体检测技术也得到了进一步地发展，计算机程序与水体检测方法的结合正如一场技术革命，越来越多地得到本领域专家学者的认可。然而，一般的文本式编程方法比较复杂，对工作人员的要求较高，而LabVIEW软件的出现很好地解决了这一问题。LabVIEW软件使用非常直观的图形化编程方法代替了传统的文本代码编程，其功能强大，并提供了包括数据采集、GRIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等在内的丰富的函数库。同时，LabVIEW软件还提供了很多与传统仪器相类似的控件，例如波形图表与控制按钮等，可以用来方便快捷地创建用户界面，相比文本式编程语言具有极大的优势，因此被广泛地应用于工业自动化、测试测量、图像处理和嵌入式应用等诸多领域。LabVIEW软件开发的虚拟仪器往往需要建立在其支持的数据采集硬件上，比如各种数据采集卡。然而，这些数据采集卡的价格通常比较昂贵，使用成本较高。因此，需要设计研发一套既能充分利用LabVIEW软件强大的数据采集与处理能力，又能尽量降低设计成本，同时能够实现悬浮物采样工作进行时工作状态及各项参数精确记录的采样系统。本发明研究在国家自然科学基金委科学仪器基础研究专项项目(51327004)资助下完成。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于LabVIEW上位机的悬浮物采样装置及方法，该悬浮物采样装置基于LabVIEW图形化编程软件，在悬浮物采样工作时能够精确记录装置的各项参数；即该套装置能够通过下位机实时采集当前时刻悬浮物采样装置所处的深度数据，采样装置周围水体中悬浮物样本的浓度数据，以及采样装置上直流抽水泵出水口的流量数据等；通过下位机与上位机的通信传输，将采集到的数据实时显示到上位机界面中，并以表格的形式保存到上位机中；通过在上位机中观察到的采样装置的工作状态，确定下一步的采样动作。下位机的实时数据采集，以及下位机与上位机的即时通讯大大提高了悬浮物样本采集的效率。为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种基于LabVIEW上位机的悬浮物采样装置，主要包括LabVIEW上位机、下位机、悬浮物采集仪和RS485串口通信模块。所述的悬浮物采集仪为分级过滤水体式悬浮物采集仪；悬浮物采集仪内安装压力传感器、浊度传感器和电磁流量计，通过导线与下位机相连。所述的RS485串口通信模块连接上位机PC与下位机，进行数据传输与指令传输。所述的下位机包括单片机为控制核心的单片机控制模块、数据采集模块、压力传感器测量模块、浊度传感器测量模块以及电磁流量计测量模块。所述的压力传感器测量模块用于测量悬浮物采集仪当前所处的深度；所述浊度传感器测量模块用于测量悬浮物采集仪周围水体中悬浮物样本的浓度；所述电磁流量计测量模块用于测量悬浮物采集仪上直流抽水泵出水口的流量数据；所述的数据采集模块为AD转换模块，将电信号转换为目标数据信号。各模块之间通过导线连接，将传感器的探头部分暴露在采样环境中，实现对不同深度、不同浓度的自然水体进行定深、定量采样。电路部分密封安装在所设计的密封盒内，密封盒安装在悬浮物采集仪上，随采样装置一同入水进行数据采集。所述的LabVIEW上位机包括上位机PC与上位机程序界面。所述的上位机搭载用LabVIEW软件编写的上位机程序，上位机选用便携式笔记本，便携式笔记本具有操作简便、易携带、工作时间较长等特点；上位机PC通过电缆线与下位机连接。上位机程序界面主要包括深度曲线、浓度曲线、流量曲线等波形图表显示窗口；串口、波特率、数据位、校验位、停止位等系统参数选择按钮；采样时间、采样地点等工作条件选择按钮；开始测量、停止测量、读取数据、写入数据库、以及添加新表等控制按钮。上位机程序运行时，在上位机界面中以波形图表的形式实时显示接收到的深度信号、浓度信号，以及流量信号，并根据这些实时显示的信号判断悬浮物采样装置当前的工作状态。本发明基于LabVIEW上位机的悬浮物采样装置，通过单片机控制模块将采集到的数据发送到上位机PC，并在上位机界面中实时显示悬浮物采集仪当前的工作状态。通过观察上位机界面中显示的各参数的状态，选择相应的操作按钮，通过上位机PC控制与其连接的下位机，进而控制悬浮物采集仪的采样动作。一种采用上述装置进行悬浮物采样的方法，具体步骤包括：第一步：完成悬浮物样本采集前的各项准备工作检查LabVIEW上位机、下位机、悬浮物采集仪和RS485串口通信模块是否正常工作。具体包括检查便携式笔记本工作情况；检查分级过滤水体式悬浮物采集仪工作情况；检查下位机密封性；检查单片机控制模块、数据采集模块、压力传感器测量模块、浊度传感器测量模块、电磁流量计测量模块、压力传感器、浊度传感器、以及电磁流量计等工作情况。第二步，在LabVIEW上位机界面中设置系统参数和采样条件；所述的系统参数包括选择串口、波特率、数据位、校验位和停止位；所述的采样条件包括采样时间和采样地点。第三步，运行LabVIEW上位机程序，下位机在水下开始采集数据：压力传感器测量模块测量悬浮物采集仪当前所处的深度；浊度传感器测量模块测量悬浮物采集仪周围水体中悬浮物样本的浓度；电磁流量计测量模块测量悬浮物采集仪上直流抽水泵出水口的流量数据；数据采集模块将这三部分传感器测量模块采集到的数据分别进行AD转换后，由RS485串口通信模块传送至LabVIEW上位机，通过上位机界面判断数据是否显示正常，若不正常，排除故障后重复上述步骤；若正常，LabVIEW上位机对接受的数据实时地处理分析，并通过上位机界面中各个控制按钮向单片机控制模块发送操作命令，通过RS485串口通信模块将操作指令实时地发送给下位机，进而控制悬浮物采集仪下一步的采样动作。第四步，下放悬浮物采集仪，点击上位机界面中的“读取深度值”与“读取浓度值”按钮，上位机界面开始记录相应的深度值与浓度值。下放过程中，判断是否满足采样深度的要求，若不满足，则继续下放悬浮物采集仪；若满足进行第五步。第五步，打开悬浮物采集仪的直流抽水泵，使悬浮物采集仪处于工作状态，点击上位机界面中的“读取流量值”，上位机界面开始记录相应流量值。采样装置运行一段时间后，判断是否满足采样时间的要求，若不满足，则维持悬浮物采集仪的工作状态；若满足，进行下一步。第六步，通过RS485串口通信模块将采集到的深度、浓度与流量数据传送至上位机PC；压力传感器测量模块、浊度传感器测量模块和电磁流量计测量模块停止数据测量。点击上位机界面中的“添加新表”，以备下一次采样时保存新的数据。第七步：回收悬浮物采集仪，结束悬浮物采样过程。相比于现有的悬浮物采样器，本发明的效果和益处在于，选用便携式笔记本作为上位机PC，具有操作简便、易携带、且工作时间较长等优点，能够很好地满足悬浮物样本自动化采集的要求。同时，使用LabVIEW程序编写的上位机界面简洁、直观，可以准确地观察出深度曲线、浓度曲线、流量曲线及其对应数值的实时变化，并且能够根据这些参数的变化情况，选择相应的控制按钮发送操作指令。通过RS485串口通信的连接，实现上位机与下位机的数据传输与指令传输。设计合理，操作方便，避免了现有悬浮物采样器工作时一系列繁琐的操作，大大提高了悬浮物采样过程的自动化程度，节省了操作者大量的劳动和时间，有效地提高了工作效率。附图说明图1是基于LabVIEW上位机的悬浮物采样装置的整体结构图；图2是基于LabVIEW上位机的悬浮物采样装置的下位机示意图；图3是基于LabVIEW上位机的悬浮物采样装置的上位机界面；图4是基于LabVIEW的上位机界面的操作流程图；图中：1LabVIEW上位机；2下位机；3悬浮物采集仪；2-1单片机控制模块；2-2数据采集模块；2-3压力传感器测量模块；2-4浊度传感器测量模块；2-5电测流量计测量模块；3-1压力传感器；3-2浊度传感器；3-3电磁流量计。具体实施方式以下是结合技术方案(和附图)详细叙述本发明的具体实施方式。一种基于LabVIEW上位机的悬浮物采样装置主要包括：LabVIEW上位机1、下位机2、悬浮物采集仪3和RS485串口通信模块。具体地，选用便携式笔记本作为上位机PC；选用分级过滤水体式悬浮物采集仪作为悬浮物采集仪3；选用包括以STC51单片机为控制核心的单片机控制模块2-1、以TLC2543芯片为核心的AD转换模块2-2、压力传感器测量模块2-3、浊度传感器测量模块2-4和电磁流量计测量模块2-5等在内的各模块作为采样系统的下位机2；选用以MAX485芯片为核心的RS485串口通信模块。图3中，上位机界面中主要数值显示为：深度曲线图表及深度值、浓度曲线图表及浓度值、流量曲线图表及流量值；系统参数设置：包括串口选择、波特率选择、数据位选择、校验位选择、停止位选择；采样条件设置：包括采样时间选择、采样地点选择；控制选项：包括开始测量、读取深度值、读取浓度值、读取流量值、写入数据库、停止测量、添加新表。使用基于LabVIEW上位机的悬浮物采样装置辅助进行悬浮物样本自动采样的具体实施步骤如下：步骤1：完成悬浮物样本采集前的各项准备工作，包括便携式笔记本工作情况的检查；分级过滤水体式悬浮物采集仪3工作情况的检查；下位机2密封性的检查；单片机控制模块2-1、数据采集模块2-2、压力传感器测量模块2-3、浊度传感器测量模块2-4、电磁流量计测量模块2-5、压力传感器3-1、浊度传感器3-2、以及电磁流量计3-3等工作情况的检查等，检查本系统能否正常工作；步骤2：在LabVIEW上位机界面中进行系统参数设置，包括：串口选择、波特率选择、数据位选择、校验位选择、以及停止位选择；在LabVIEW上位机界面中进行采样条件设置，包括：采样时间设置、以及采样地点的选择。步骤3：在LabVIEW上位机界面窗口菜单栏上点击“运行”按钮，则上位机程序开始运行。点击上位机界面中“开始测量”按钮，则下位机2在水下开始采集数据，具体地，压力传感器测量模块2-3开始测量悬浮物采集仪3当前所处的深度，浊度传感器测量模块2-4开始测量悬浮物采集仪3周围水体中悬浮物样本的浓度，电磁流量计测量模块2-5开始测量悬浮物采集仪3上直流抽水泵出水口的流量数据。数据采集模块2-2将这三部分传感器测量模块采集到的数据分别进行AD转换，并经由RS485串口通信模块传送至LabVIEW上位机1。此时，通过上位机界面判断示数是否显示正常，若不正常，则在排除故障后，重新运行本系统。步骤4：下放悬浮物采集仪3，观察上位机界面中的深度曲线与浓度曲线，并点击上位机界面中的“读取深度值”与“读取浓度值”按钮，此时上位机程序界面开始记录相应的深度值与浓度值。下放过程中，判断是否满足采样深度的要求，若不满足，则继续下放悬浮物采集仪3。步骤5：打开直流抽水泵，使悬浮物采集仪3处于工作状态，观察上位机界面中的流量曲线，并点击上位机界面中的“读取流量值”，此时上位机界面开始记录相应的流量值。采样装置运行一段时间后，判断是否满足采样时间的要求，若不满足，则维持悬浮物采集仪3的工作状态。步骤6：点击上位机界面中的“写入数据库”按钮，将采集到的深度、浓度与流量数据保存到事先在便携式笔记本上建立的数据库文件中。点击上位机界面中的“停止测量”按钮，压力传感器测量模块2-3、浊度传感器测量模块2-4、以及电磁流量计测量模块2-5分别停止数据测量。点击上位机界面中的“添加新表”，在便携式笔记本中建立新的数据库文件，以备下一次采样时保存新的数据。步骤7：回收悬浮物采集仪3，则使用基于LabVIEW上位机的悬浮物采样系统辅助进行悬浮物样本自动采样的过程全部结束。图4是将本采样系统应用于水库进行悬浮物样本自动采样的操作流程图。步骤S400开始运行悬浮物样本自动采样系统。进行步骤S401进行参数设置，包括串口选择、波特率选择、数据位选择、校验位选择、以及停止位选择，参数设置好后，则进行步骤S402。步骤S402进行采样条件的设置，包括采样时间设置、以及采样地点选择，采样条件设置好后，则进行步骤S403。点击LabVIEW上位机界面中窗口菜单栏上的“运行”按钮，或选择快捷键“Ctrl+R”，则上位机程序开始运行，程序运行后，进行步骤S404。点击上位机界面中的“开始测量”控制按钮，则下位机在水下开始采集数据，AD转换模块将数据分别进行AD转换后，并经由RS485串口通信模块传送至上位机。进行步骤S405，观察此时上位机界面中的示数是否显示正常？如果示数显示不正常，则进行步骤S406，点击LabVIEW上位机界面中窗口菜单栏上的“停止”按钮，或选择快捷键“Ctrl+.”，停止当前程序，并进行步骤S407，检查电路连接，排除故障之后，重新进行步骤S403；如果示数显示正常，则进行步骤S408，下放悬浮物采集仪，观察上位机界面中的深度曲线与浓度曲线，并点击上位机界面中的“读取深度值”与“读取浓度值”按钮。进行步骤S409，判断此时是否已经满足采样深度的要求？如果未满足，则进行步骤S410，继续下放悬浮物采集仪；如果已经满足采样深度要求，则进行步骤S411，打开直流抽水泵，使采样装置工作，观察上位机界面中的流量曲线，并点击上位机界面中的“读取流量值”。采样装置运行一段时间后，进行步骤S412，判断此时是否满足采样时间的要求？如果未满足，则进行步骤S413，维持悬浮物采集仪当前的状态，工作一段时间后，继续进行步骤S412；如果已经满足采样时间的要求，则进行步骤S414，点击上位机界面中的“写入数据库”按钮，将采集到的数据保存到事先在上位机PC上建立的数据库文件中。进行步骤S415，点击上位机界面中的“停止测量”，则下位机停止测量数据。进行步骤S416，点击上位机界面中的“添加新表”，在上位机PC中添加新的数据库文件，以备下一次采样时保存新的数据。步骤S417结束本次悬浮物样本的自动采样过程。