模块化的高效率分层采水装置的制作方法

本实用新型涉及电路技术领域，尤其涉及一种模块化的高效率分层采水装置。

背景技术：

目前的水体分层现象是水体(尤其是深水)重要的物理特征。在其分层结构中，不同水层的水温、各类物质的溶解度、ph值等有着一定的梯度差异。这些参数的规律不仅会影响水体的生态分布、及水体内生物的分布，也会对农业生产、渔业捕捞、自来水供应、污水处理等多方面产生影响。因此单一的水质采集获得的信息是远远不够的，对水体进行分层采集才能获得相对完整的信息资料。

目前实际应用的分层取水方法大致分为两种：一种为手动分层采水，通过手动将采水筒下放到指定深度处后，回收细绳提取预定深处的水样，费时费力，且存在提拉过程中水样污染的情况。

另一种是电动分层采水，如专利号cn207763995u公布的一种有分层采集功能的定位采水装置，它由主体支架、电线盒、水泵、常闭电磁阀、浮力盒、取水袋、定深绳等部分组成，电线盒、水泵、常闭电磁阀、浮力盒、取水袋固定在主体支架上组成一取水单元。若干取水单元通过定深绳和导线依次相连，各单元接受共同控制，但独立完成水样采集。该装置结构简单，但结构相对固定、不便携，适用于固定位置的分层采水。

如专利号cn207976318u公布的一种河湖库渠的分层采水装置，集水筒通过镶装的连接环连接钢丝绳；水管直接接入集水筒内，水管与钢丝绳通过环套连接，水管的末端连接抽水泵；钢丝绳、水管和环套收至回收器内。该装置无需将集水筒提出水面后收集水体，且能避免集水筒在回收过程中因故障或不稳定而使得取得的水样非目标水深处的水样的问题。该装置与cn207763995u相比移动性较高，但该装置结构复杂，不方便搬运，且使用容器下沉来采水的方式可靠性不高，很容易出现缠绕、等问题，并且效率还不够高，若要采集8个深度的水，则整个采水装置需要反复移动8次之多，除此之外，集水桶的设定也有些多余，采集的水样也需要另外的容器来存放。可见，传统的采水装置往往存在结构复杂，导致相应取水操作复杂的问题。

技术实现要素：

针对以上问题，本实用新型提出一种模块化的高效率分层采水装置。

为实现本实用新型的目的，提供一种模块化的高效率分层采水装置，包括采水箱及分层装置；

所述采水箱包括水泵、电磁阀分液组、采水瓶、和控制驱动电路，所述采水箱的一侧设有对外接口；所述水泵通过对外接口采水至所述采水瓶，并通过对外接口将采水瓶多余的水排出；所述控制驱动电路用于驱动所述水泵和所述电磁阀分液组；所述电磁阀分液组用于在切换采水深度时预先将采水瓶的水管中的余水从对外接口中排出；

所述分层装置包括管道、铅块、结构支架、安装支架、绞盘和步进减速电机；所述步进减速电机负责卷绕管道以控制采水深度，步进减速电机的主轴上装有卷绕软管的绞盘，步进减速电机的三个引脚连接采水箱；所述管道单层不重叠地缠绕在绞盘上，管道的一端悬挂铅块以保证相对竖直地沉入水中，管道的另一端连接采水箱的进水口负责送水，所述结构支架用于固定绞盘和步进减速电机，所述安装支架用于承载所述分层装置的各部分结构。

具体地，所述采水箱内设置第一隔区、第二隔区和第三隔区；

所述第一隔区用于安放控制驱动电路，所述第二隔区用于安放水泵和电磁阀分液组；所述第三隔区用于安放采水瓶。

具体地，所述对外接口包括进水口、排水口、电源接口、串口接口和步进电机机接口；所述进水口为整个采水箱的水流入口，所述排水口用于排出采水深度切换后管道内的余水，所述电源接口为采水箱的电源输入口，所述串口接口用于与外部的上位机通信，所述步进电机机接口用于连接三线步进减速电机。

具体地，所述进水口及出水口分别采用旋接式宝塔头。

具体地，所述电源接口、串口接口、步进电机机接口分别采用3芯航空插头。

具体地，所述控制驱动电路包括微处理器，电平转换芯片、和n-mos驱动管，所述微处理器用于处理串口信号，转换为对应操作，同时检测采水瓶中水位是否超标；所述电平转换芯片用于驱动n-mos驱动管以及抬高水位传感器的电压；所述n-mos驱动管用于驱动水泵及电磁阀分液组。

具体地，所述电磁阀分液组包括多个电磁阀，各个电磁阀分别对应一个采水瓶。

上述模块化的高效率分层采水装置，在整个采水过程中无需容器沉入水中，只需要步进电机转动即可改变采集深度，可以高效地采集不同深度的水样；其结构简单，没有机械结构沉入水中，采水的可靠性高；采用模块化设计，采水箱与分层装置分离，均可以手提拿取，移动性、便携性更高，且可以兼顾普通船只上采水及无人遥控船采水两种应用场景；其中的电磁阀分液组中还可以单独设置更新阀，确保了采取的水样为所需采集的深度的水样；在采集水样后无需另置容器存放水样，只需将采水箱一同携带即可，方便水样的保存和运输。

附图说明

图1是一个实施例的模块化的高效率分层采水装置结构示意图；

图2是一个实施例的采水箱外观示意图；

图3是一个实施例的采水箱内部结构俯视图；

图4是一个实施例的分层装置结构示意图；

图5是一个实施例的电磁阀分液组及水泵结构示意图；

图6是一个实施例的采水流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参考图1所示，图1为一个实施例的模块化的高效率分层采水装置结构示意图，包括采水箱100及分层装置200；

所述采水箱100包括水泵、电磁阀分液组、采水瓶、和控制驱动电路，所述采水箱的一侧设有对外接口；所述水泵通过对外接口采水至所述采水瓶，并通过对外接口将采水瓶多余的水排出；所述控制驱动电路用于驱动所述水泵和所述电磁阀分液组；所述电磁阀分液组用于在切换采水深度时预先将采水瓶的水管中的余水从对外接口中排出；

所述分层装置200包括管道、铅块、结构支架、安装支架、绞盘和步进减速电机；所述步进减速电机负责卷绕管道以控制采水深度，步进减速电机的主轴上装有卷绕软管的绞盘，步进减速电机的三个引脚连接采水箱；所述管道单层不重叠地缠绕在绞盘上，管道的一端悬挂铅块以保证相对竖直地沉入水中，管道的另一端连接采水箱的进水口负责送水，所述结构支架用于固定绞盘和步进减速电机，所述安装支架用于承载所述分层装置的各部分结构。

具体地，分层装置主体包括管道、铅块、结构支架、安装支架、步进减速电机五部分，步进减速电机负责卷绕管道以控制采水深度，其主轴上装有卷绕软管的绞盘，电机的三个引脚用sp13-3接头连接采水箱；管道单层不重叠地缠绕在绞盘上，一端悬挂铅块以保证相对竖直地沉入水中，另一端连接采水箱的进水口负责送水，结构支架用于固定绞盘、电机，安装支架确保整个装置放置、安装的稳定性。

上述模块化的高效率分层采水装置，在整个采水过程中无需容器沉入水中，只需要步进电机转动即可改变采集深度，可以高效地采集不同深度的水样；其结构简单，没有机械结构沉入水中，采水的可靠性高；采用模块化设计，采水箱与分层装置分离，均可以手提拿取，移动性、便携性更高，且可以兼顾普通船只上采水及无人遥控船采水两种应用场景；其中的电磁阀分液组中还可以单独设置更新阀，确保了采取的水样为所需采集的深度的水样；在采集水样后无需另置容器存放水样，只需将采水箱一同携带即可，方便水样的保存和运输。

在一个实施例中，所述采水箱内设置第一隔区、第二隔区和第三隔区；

所述第一隔区用于安放控制驱动电路，所述第二隔区用于安放水泵和电磁阀分液组；所述第三隔区用于安放采水瓶。

本实施例中，第一隔区用于安放控制驱动电路，第二隔区用于安放水泵和电磁阀分液组；第三隔区用于安放采水瓶，这样控制驱动电路、水泵和电磁阀分液组、采水瓶分别安放在三个隔区中，可以实现水电分离，增加可靠性。

在一个实施例中，所述对外接口包括进水口、排水口、电源接口、串口接口和步进电机机接口；所述进水口为整个采水箱的水流入口，所述排水口用于排出采水深度切换后管道内的余水，所述电源接口为采水箱的电源输入口，所述串口接口用于与外部的上位机通信，所述步进电机机接口用于连接三线步进减速电机。

具体地，所述进水口及出水口分别采用旋接式宝塔头。

具体地，所述电源接口、串口接口、步进电机机接口分别采用3芯航空插头。

进一步地，对外接口具体可以包括一个进水口，一个排水口，一个电源接口，一个串口接口及一个步进电机机接口。在结构上，进水口及出水口可以分别采用6mm外径的旋接式宝塔头，既能保证使用时连接可靠，也能保证可拆卸性高，便于拆开携带；电源接口、串口接口、步进电机机接口采用3芯航空插头，航空插头具有抗震、防水、接触电阻小、可多次插拔的特点，因而采用航空接头使得采水箱能耐受采水环境的泼溅情况，同时也便于拆开携带；功能上，进水口为整个采水箱的水流入口，出水口用于排出采水深度切换后管道内的余水，电源接口为采水箱的电源输入口，连接无人船电池或外部电源，采水箱为12v供电，三芯插头的三根线分别接正极，负极，以及地线，另一极空置，串口接口用于与上位机通信，三芯插头的三根线分别为txd，rxd，地线，步进电机机接口用于连接三线步进减速电机，三根线分别为步进电机的w、u、v线。

在一个实施例中，所述控制驱动电路包括微处理器，电平转换芯片、和n-mos驱动管，所述微处理器用于处理串口信号，转换为对应操作，同时检测采水瓶中水位是否超标；所述电平转换芯片用于驱动n-mos驱动管以及抬高水位传感器的电压以确保线路电阻不会造成检测干扰；所述n-mos驱动管用于驱动水泵及电磁阀分液组。

本实施例中，采水箱的控制驱动电路具体可以包括：stm32f103微处理器，txs0108e电平转换芯片、n-mos驱动管。微处理器用于处理串口信号，转换为对应操作，同时检测采水瓶中水位是否超标；电平转换芯片用于驱动mos管以及抬高水位传感器的电压以确保线路电阻不会造成检测干扰；nmos管用于驱动水泵及电磁阀。

在一个实施例中，所述电磁阀分液组包括多个电磁阀，各个电磁阀分别对应一个采水瓶。

具体地，电磁阀分液组可以包括0,1,2,...,n个电磁阀，其中1,2，...，n分别通往对应采水瓶，0号电磁阀可以为更新阀，用于在切换采水深度时预先将水管中的余水从排水口中排出。水泵为12v隔膜泵，从而在保证扬程足够的情况下确保采水的纯净度。

每个采水瓶有一个进水口连接对应电磁阀，一个出气孔在采集水样时排出瓶内气体，及一个塑料浮球检测水位是否超标。

在一个实施例中，参考图2、图3所示，图2为采水箱外观示意图，图3为采水箱内部结构俯视图。如图示，采水箱上设有如下结构：提手1、电源插口2、串口插口3、步进电机插口4、进水口5、排水口6、采水箱上盖7、采水箱主体8、控制电路隔区9、水泵及电磁阀分液组隔区10、采水瓶进水管11、采水瓶通气孔12、采水瓶浮球传感器13、采水瓶14、和采水箱上盖15。

参考图4所示，图4为本实施例的分层装置结构示意图，如图示，分层装置设有如下结构：步进减速电机16、水管17、铅块18、结构支架/19、安装支架20、手拧螺丝21、水管22、.绞盘23、和步进电机插头24。

参考图5所示，图5为本实施例的电磁阀分液组及水泵结构示意图，如图示，电磁阀分液组及水泵结构设有如下结构：水泵25、进水管26、电磁阀27、电磁阀出水口(连接采水瓶)28、由软管和四通组成的水管网络29、和排水管30。

在一个示例中，对模块化的高效率分层采水装置各部分结构及其工作过程进行描述。

采水箱中：微处理器用于处理串口信号，转换为对应操作，同时检测采水瓶中水位是否超标；电平转换芯片用于驱动mos管以及抬高水位传感器的电压以确保线路电阻不会造成检测干扰；nmos管用于驱动水泵及电磁阀。电磁阀分液组为0，1,2，...，n个电磁阀，其中1,2，...，n分别通往对应采水瓶，0号为更新阀，用于在切换采水深度时预先将水管中的余水从排水口中排出。水泵为12v隔膜泵，从而在保证扬程足够的情况下确保采水的纯净度。每个采水瓶有一个进水口连接对应电磁阀，一个出气孔排出气体，及一个塑料浮球检测水位是否超标。分层装置中：步进减速电机负责卷绕管道以控制采水深度。

在采水的过程中，首先将分层装置的安装支架上的手拧螺丝拧松，将分层装置放在适宜平台上后拧紧手拧螺丝固定，然后将采水箱的进水口连接分层装置的管道，步进电机线连接分层装置的步进电机，排水口用短管连接另一端送入水中，串口插口连接usb-uart转接卡或无人船上位机，电源插口连接12v电源。

串口指令为at指令，分别有指令对应为：(1)设定k(k＝1,2，...，n)号瓶采集深度；(2)采集k(k＝1,2，...，n)号瓶；(3)自动采集；(4)更新管道；(5)中止；(6)停止并清零。

以下为各条指令的运行原理及采水箱的实现方式可以参考图6所示，包括如下过程：

(1)设定k瓶采集深度：

将分层装置安装或排放稳固，拨动绞盘，使铅块一端的水管刚好接触水面后，连接采水箱，连接电源，由电脑或上位机向采水箱发送串口指令(例如：at+set1+0.5,stm32解析at指令为设置1号瓶深度为0.5m)，并存储至相应变量中。

(2)采集k号瓶：

在stm32的程序中，本发明给主程序设定了两个int型变量status_old、status_new用于保存上次及本次动作(初始值均为为0)，并给每个瓶分别设定了一个float型变量，用于存储(1)中的采水深度，默认值为0；以及一个bool型变量，用于判定该瓶是否已被采集过。当stm32接收到采集k号瓶的指令时，首先判断采水深度变量是否为0，如果为0则返回“parameterunset”，再判断上述bool型变量是否为1，如果为1则返回“alreadyfunctioned”。如果上述判断均通过，则k号瓶的bool型变量赋值为1，将status_new赋值为k，进入执行阶段。

首先stm32计算出转动相应角度(角度计算公式为θ＝(d-d')/c*2π，d为设定深度，d’为上次采水的深度，c为绞盘卷绕周长)，发送相应数量的pwm脉冲给分层装置的减速步进电机，减速电机带动绞盘转动相应角度，由于软管末端装有铅块，因而在绞盘转动过程中软管始终保持竖直，从而改变软管末端在水中的深度，即采水深度。随后更新管内余水，stm32串口返回“sweeping”，拉高水泵及0号电磁阀对应io引脚电平，经过txs0108e转换电平后触发nmos，驱动水泵及0号电磁阀，水泵工作，0号电磁阀打开，其余电磁阀保持关闭，此时水从管道流入采水箱，经过电磁阀分液组后从排水口流出。更新余水10秒后，stm32串口返回“bottlekactivated”并拉高k号电磁阀对应io引脚电平，经过驱动后打开k号电磁阀，水开始流入k号瓶中，然后将0号电磁阀对应io引脚电平复位，0号电磁阀关闭，水不再从排水口中流出。20秒(时间取决于瓶的大小)后stm32控制驱动电路依次打开0号电磁阀、关闭k号电磁阀、关闭水泵，将status_old赋值为k，串口返回“bottlekfunctioned”进入待机状态。在以上20秒中，如果瓶中浮球上浮，即瓶满了，则执行提前终止，串口返回“bottlekfullunexpectedly”。

(3)自动采集：

当stm32接收到自动采集的at指令后，串口返回“automode”,从1号瓶开始到n号瓶结束依次执行(2)中的判断过程及执行步骤。

(4)更新管道：

当stm32接收到更新管道的at指令后，将status_new赋值为-1，stm32串口返回“sweeping”，拉高水泵及0号电磁阀对应io引脚电平，经过txs0108e转换电平后触发nmos，驱动水泵及0号电磁阀，水泵工作，0号电磁阀打开，其余电磁阀保持关闭，此时水从管道流入采水箱，经过电磁阀分液组后从排水口流出。更新余水10秒后，stm32控制驱动电路关闭0号电磁阀、关闭水泵，将status_old赋值为-1，进入待机状态。

(5)中止：

当stm32接收到暂停/继续的at指令后，立即停止所有动作，关闭所有电磁阀，将status_old赋值为status_new，串口返回“manuallystopped”。

(6)停止并清零：

当stm32接收到停止并清零的at指令后，首先将status_new赋值为0，再判断status_old是否为-1或0，如果成立，则不更新管道余水，否则更新管道余水，接着关闭所有电磁阀及水泵，将绞盘转回初始位置，并将status_old、status_new、以及每个瓶的两个变量复位,串口返回“resetsuccessfully”。

本实施例的采水装置在整个采水过程中无需容器沉入水中，只需要步进电机转动即可改变采集深度，可以高效地采集不同深度的水样；采水装置结构简单，没有机械结构沉入水中，采水的可靠性高；采用模块化设计，采水箱与分层装置分离，均可以手提拿取，移动性、便携性更高，且可以兼顾普通船只上采水及无人遥控船采水两种应用场景；电磁阀组中单独设置了更新阀，确保了采取的水样为所需采集的深度的水样；在采集水样后无需另置容器存放水样，只需将采水箱一同携带即可，方便水样的保存和运输。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。