本發(fā)明涉及一種用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)及其應(yīng)用，屬于海洋大氣監(jiān)測的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

作為陸源污染物進(jìn)入海洋的主要通道，同時作為陸海相互作用的主要橋梁，海洋大氣環(huán)境已成為全球環(huán)境變化研究的主要內(nèi)容之一，其相關(guān)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展也在研究過程中發(fā)揮極其重要的作用。依據(jù)現(xiàn)有的海洋大氣監(jiān)測技術(shù)規(guī)程，海洋大氣監(jiān)測項(xiàng)目主要包括懸浮顆粒物測量和降水測量，其中懸浮顆粒物項(xiàng)目的樣品采集工作由大氣采樣器和采樣濾膜共同完成。中國專利CN103278356B公開了一種懸浮顆粒物測量的裝置及采樣方法。

走航式測量是海洋大氣監(jiān)測最常見和最有效的主要測量方法。在走航式測量的過程中，大氣采樣器通常會被固定于航行船舶的頂層甲板，用于避免海水浪花對樣品的影響，待采樣濾膜固定好以后，船舶啟航并開始不間斷的采樣，直至預(yù)定時間結(jié)束采樣完成。但在下列兩種特殊情況下，大氣采樣器需要暫時停止采樣：一是降雨，二是停船。前者主要為了采集無降雨?duì)顟B(tài)下的懸浮顆粒物樣品，后者則主要為了避免停船時船舶排放的煙塵對樣品造成可能的影響?，F(xiàn)有技術(shù)中實(shí)用的大氣采樣器在遇到上述兩種情況時，需要人工進(jìn)行手動操作。采樣人員在降雨或停船情況出現(xiàn)時到頂層甲板關(guān)閉大氣采樣器，暫停采樣，等降雨停止或船舶起航后重新開啟大氣采樣器，繼續(xù)采樣。這就給走航測量帶來了不便：一方面，海上天氣情況多變，尤其夜間無法及時獲取降雨信息從而影響樣品的采集；另一方面，不定時的往返頂層甲板不僅增加了采樣人員的工作量，海況惡劣時也給采樣人員的人身安全帶來隱患。除此之外，現(xiàn)有技術(shù)中采用的大氣采樣器工作狀態(tài)無法遠(yuǎn)程顯示，為避免儀器故障等因素影響樣品采集，需要采樣人員定時到頂層甲板查看儀器工作狀態(tài)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)。

本發(fā)明還提供一種利用上述系統(tǒng)進(jìn)行大氣采樣器走航測量的自動控制方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，包括分別與控制器連接的感雨模塊、船舶啟停感應(yīng)模塊和大氣采樣器；大氣采樣器通過繼電器與控制器連接。感雨模塊控制降雨時大氣采樣器的自動關(guān)閉和降雨結(jié)束后的自動開啟。船舶啟停感應(yīng)模塊控制停船時大氣采樣器的自動關(guān)閉和船舶啟動后的自動開啟。大氣采樣器在控制器的控制下進(jìn)行大氣采樣。

優(yōu)選的，控制器為MSP430F149控制器。

進(jìn)一步優(yōu)選的，MSP430F149控制器連接有HEADER-7X2POL Jtag下載模塊、32768Hz晶振電路和復(fù)位電路。上述三個模塊功能上分別實(shí)現(xiàn)控制器程序的寫入和下載、為控制器提供時鐘信號和復(fù)位功能。

優(yōu)選的，感雨模塊包括感雨板及與感雨板連接的LM392比較器，LM392比較器內(nèi)存儲有雨量閾值；船舶啟停感應(yīng)模塊包括GPS模塊，GPS模塊與控制器連接，控制器內(nèi)存儲有航速閾值。當(dāng)降雨發(fā)生時，感雨板產(chǎn)生感應(yīng)信號，感應(yīng)信號進(jìn)入LM392比較器與雨量閾值比較，如果感應(yīng)信號的信號強(qiáng)度大于雨量閾值，則LM392比較器輸出TTL低電平，控制器輸出TTL低電平驅(qū)動繼電器打開，大氣采樣器停止采樣。感雨模塊對降雨的感應(yīng)靈敏度可通過設(shè)定雨量閾值來實(shí)現(xiàn)，此功能一方面可根據(jù)需要設(shè)定大氣采樣器對不同降雨大小的響應(yīng)，另一方面可以甄別海上水汽在感雨板凝結(jié)引發(fā)的假信號，避免控制器因工作環(huán)境濕度大而非降雨錯誤打開繼電器。無降雨時，感雨板無感應(yīng)信號，LM392比較器輸出TTL高電平信號。

航速閾值用于判定船舶的啟停?？刂破鲗?shí)時采集GPS模塊的船舶航速并與設(shè)定的航速閾值進(jìn)行比較，如果船舶航速小于航速閾值，判定船舶停船，GPS模塊輸出TTL低電平，驅(qū)動繼電器打開，大氣采樣器停止采樣。當(dāng)船舶航速大于航速閾值，判定船舶航行，GPS模塊輸出TTL高電平信號。

控制器實(shí)現(xiàn)感雨模塊和GPS模塊輸出信號的邏輯控制，只有當(dāng)二者的輸出信號同時為TTL高電平時控制器輸出TTL高電平，大氣采樣器正常開啟。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述大氣采樣器自動控制系統(tǒng)還包括室內(nèi)PC終端及分別與控制器連接的聲傳感器模塊和Zigbee無線傳輸模塊；控制器內(nèi)存儲有工作時長T。聲傳感器模塊和Zigbee無線傳輸模塊功能上共同實(shí)現(xiàn)大氣采樣器工作狀態(tài)的自動診斷和無線發(fā)送；大氣采樣器的工作狀態(tài)無線傳輸?shù)绞覂?nèi)PC終端進(jìn)行遠(yuǎn)程顯示。

再進(jìn)一步優(yōu)選的，聲傳感器模塊包括話筒及與話筒連接的LM393比較器；LM393比較器內(nèi)設(shè)置有噪音閾值。將大氣采樣器不工作時的背景噪聲設(shè)定為噪音閾值。話筒通過采集大氣采樣器周圍環(huán)境的噪音強(qiáng)度并與噪音閾值比較判斷大氣采樣器是否工作。噪音強(qiáng)度大于噪音閾值，表明大氣采樣器正常工作；噪音強(qiáng)度與閾值相當(dāng)，則表明大氣采樣器停止工作。

再進(jìn)一步優(yōu)選的，GPS模塊和ZigBee無線傳輸模塊通過ADM3202ARN芯片與控制器連接。ADM3202ARN芯片為高速、雙通道RS232/V.28接口器件，采用+3.3V單電源供電。ADM3202ARN芯片功能上實(shí)現(xiàn)控制器與GPS模塊和ZigBee無線傳輸模塊的串口連接。

優(yōu)選的，大氣采樣器自動控制系統(tǒng)還包括設(shè)置有MAX738A芯片的+5V供電電路和設(shè)置有LM1117芯片的+3.3V供電電路。供電電路滿足電路系統(tǒng)中各部件工作電壓的需要。

一種利用上述系統(tǒng)進(jìn)行大氣采樣器走航測量的自動控制方法，包括步驟如下：

1)大氣采樣器停止采樣；

A、船舶停航判斷：

GPS模塊實(shí)時向控制器上傳船舶航速；控制器將船舶航速與航速閾值進(jìn)行比較，如果船舶航速小于航速閾值，判定船舶停船，GPS模塊輸出TTL低電平驅(qū)動繼電器打開，大氣采樣器停止采樣；如果船舶航速大于航速閾值，判定船舶航行，GPS模塊輸出TTL高電平；

B、降雨判斷：

當(dāng)降雨發(fā)生時，感雨板產(chǎn)生感應(yīng)信號，感應(yīng)信號進(jìn)入LM392比較器與雨量閾值比較，如果感應(yīng)信號的信號強(qiáng)度大于雨量閾值，則LM392比較器輸出TTL低電平，繼電器打開，大氣采樣器停止采樣；無降雨時，感雨板無感應(yīng)信號，LM392比較器輸出TTL高電平；

2)大氣采樣器恢復(fù)采樣；

當(dāng)感雨模塊和GPS模塊均輸出TTL高電平時，控制器輸出TTL高電平，繼電器打開，大氣采樣器正常采樣；控制器記錄和存儲控制器輸出TTL高電平的總時間t?？刂破鬏敵鯰TL高電平的總時間，即為大氣采樣器的工作時間。

3)當(dāng)控制器輸出TTL高電平的總時間t達(dá)到設(shè)定的工作時長T時，大氣采樣器停止采樣。該步驟的目的是提醒操作者進(jìn)行換樣。

優(yōu)選的，步驟2)之后還包括自動診斷大氣采樣器工作狀態(tài)及無線傳輸工作狀態(tài)的步驟：

4)話筒采集的噪音強(qiáng)度在LM393比較器中與噪音閾值比較，如果噪音強(qiáng)度大于噪音閾值，則判定大氣采樣器的工作狀態(tài)為“正常采樣”；如果噪音強(qiáng)度小于等于噪音閾值，則判定大氣采樣器不工作；

5)當(dāng)步驟4)中判定大氣采樣器不工作時，控制器判斷GPS模塊和LM392比較器的輸出信號；如果GPS模塊或LM392比較器的輸出信號為輸出TTL低電平，則判定大氣采樣器的工作狀態(tài)為“暫停采樣”；如果GPS模塊和LM392比較器的輸出信號均為TTL高電平，則進(jìn)入步驟6)進(jìn)行進(jìn)一步的狀態(tài)判斷；

6)如果控制器輸出TTL高電平的總時間t達(dá)到設(shè)定的工作時長T，則判定大氣采樣器的工作狀態(tài)為“換樣提醒”；否則，判定大氣采樣器的工作狀態(tài)為“儀器故障”；當(dāng)大氣采樣器的工作狀態(tài)為“換樣提醒”，控制器對輸出TTL高電平的總時間t進(jìn)行清零。

優(yōu)選的，控制器將大氣采樣器的工作狀態(tài)通過Zigbee無線傳輸模塊傳輸?shù)绞覂?nèi)PC終端?？刂破髯詣优卸ù髿獠蓸悠鞯墓ぷ鳡顟B(tài)后，判定結(jié)果連同實(shí)時經(jīng)緯度信息生成數(shù)據(jù)包輸出至ZigBee無線傳輸模塊的射頻芯片，射頻芯片通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送室內(nèi)PC終端并遠(yuǎn)程顯示。

該發(fā)明的有益之處是：

1、本發(fā)明所述用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，在降雨和停船情況下實(shí)現(xiàn)了大氣采樣器的自動啟停，并完整記錄自動啟停過程中的時間、位置等信息，滿足監(jiān)測要求的同時，有效節(jié)約了人力成本；

2、本發(fā)明所述用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大氣采樣器工作狀態(tài)的自動診斷及遠(yuǎn)程顯示，工作人員在室內(nèi)便可對頂層甲板的大氣采樣器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，極大提高了工作效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明所述大氣采樣器的工作狀態(tài)診斷邏輯圖；

圖3為Jtag下載模塊、32768Hz晶振電路、復(fù)位電路與控制器連接及GPS模塊和ZigBee無線傳輸模塊通過ADM3202ARN芯片與控制器連接的電路圖；

圖4a為聲傳感器模塊電路圖；

圖4b為感雨模塊電路圖；

圖5為GPS模塊和ZigBee無線傳輸模塊與ADM3202ARN芯片連接的電路圖；

圖6為復(fù)位電路的電路圖；

圖7為+5V供電電路圖；

圖8為+3.3V供電電路圖；

圖9為本發(fā)明所述大氣采樣器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。

實(shí)施例1

如圖1所示。

一種用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，包括分別與控制器連接的感雨模塊、船舶啟停感應(yīng)模塊和大氣采樣器；大氣采樣器通過繼電器與控制器連接。感雨模塊控制降雨時大氣采樣器的自動關(guān)閉和降雨結(jié)束后的自動開啟。船舶啟停感應(yīng)模塊控制停船時大氣采樣器的自動關(guān)閉和船舶啟動后的自動開啟。大氣采樣器在控制器的控制下進(jìn)行大氣采樣。

實(shí)施例2

如圖3所示。

如實(shí)施例1所述的用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，所不同的是，控制器為MSP430F149控制器(大氣采樣器的電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示)。

實(shí)施例3

如實(shí)施例2所述的用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，所不同的是，MSP430F149控制器連接有HEADER-7X2POL Jtag下載模塊、32768Hz晶振電路和復(fù)位電路(如圖3、圖6所示)。上述三個模塊功能上分別實(shí)現(xiàn)控制器程序的寫入和下載、為控制器提供時鐘信號和復(fù)位功能。

實(shí)施例4

如實(shí)施例1所述的用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，所不同的是，感雨模塊包括感雨板及與感雨板(感雨板為深圳市時代華信科技有限公司生產(chǎn)的型號為HL-83的感雨板)連接的LM392比較器(感雨模塊的電路圖如圖4b所示)，LM392比較器內(nèi)存儲有雨量閾值；船舶啟停感應(yīng)模塊包括GPS模塊，GPS模塊與控制器連接，控制器內(nèi)存儲有航速閾值。當(dāng)降雨發(fā)生時，感雨板產(chǎn)生感應(yīng)信號，感應(yīng)信號進(jìn)入LM392比較器與雨量閾值比較，如果感應(yīng)信號的信號強(qiáng)度大于雨量閾值，則LM392比較器輸出TTL低電平，控制器輸出TTL低電平驅(qū)動繼電器打開，大氣采樣器停止采樣。感雨模塊對降雨的感應(yīng)靈敏度可通過設(shè)定雨量閾值來實(shí)現(xiàn)，此功能一方面可根據(jù)需要設(shè)定大氣采樣器對不同降雨大小的響應(yīng)；另一方面可以甄別海上水汽在感雨板凝結(jié)引發(fā)的假信號，避免控制器因工作環(huán)境濕度大而非降雨錯誤打開繼電器。無降雨時，感雨板無感應(yīng)信號，LM392比較器輸出TTL高電平信號。

航速閾值用于判定船舶的啟停?？刂破鲗?shí)時采集GPS模塊的船舶航速并與設(shè)定的航速閾值進(jìn)行比較，如果船舶航速小于航速閾值，判定船舶停船，GPS模塊輸出TTL低電平，驅(qū)動繼電器打開，大氣采樣器停止采樣。當(dāng)船舶航速大于航速閾值，判定船舶航行，GPS模塊輸出TTL高電平信號。

控制器實(shí)現(xiàn)感雨模塊和GPS模塊輸出信號的邏輯控制，只有當(dāng)二者的輸出信號同時為TTL高電平時控制器輸出TTL高電平，大氣采樣器正常開啟。

實(shí)施例5

如實(shí)施例4所述的用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，所不同的是，所述大氣采樣器自動控制系統(tǒng)還包括室內(nèi)PC終端及分別與控制器連接的聲傳感器模塊和Zigbee無線傳輸模塊；控制器內(nèi)存儲有工作時長T。聲傳感器模塊和Zigbee無線傳輸模塊功能上共同實(shí)現(xiàn)大氣采樣器工作狀態(tài)的自動診斷和無線發(fā)送；大氣采樣器的工作狀態(tài)無線傳輸?shù)绞覂?nèi)PC終端進(jìn)行遠(yuǎn)程顯示。

實(shí)施例6

如圖4a所示。

如實(shí)施例5所述的用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，所不同的是，聲傳感器模塊包括話筒及與話筒連接的LM393比較器；LM393比較器內(nèi)設(shè)置有噪音閾值。將大氣采樣器不工作時的背景噪聲設(shè)定為噪音閾值。話筒通過采集大氣采樣器周圍環(huán)境的噪音強(qiáng)度并與噪音閾值比較判斷大氣采樣器是否工作。噪音強(qiáng)度大于噪音閾值，表明大氣采樣器正常工作；噪音強(qiáng)度與閾值相當(dāng)，則表明大氣采樣器停止工作。

實(shí)施例7

如圖5所示。

如實(shí)施例5所述的用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，所不同的是，GPS模塊和ZigBee無線傳輸模塊通過ADM3202ARN芯片與控制器連接；ADM3202ARN芯片為高速、雙通道RS232/V.28接口器件，采用+3.3V單電源供電。ADM3202ARN芯片功能上實(shí)現(xiàn)控制器與GPS模塊和ZigBee無線傳輸模塊的串口連接。

實(shí)施例8

如圖7-8所示。

如實(shí)施例1所述的用于走航測量的大氣采樣器自動控制系統(tǒng)，所不同的是，大氣采樣器自動控制系統(tǒng)還包括設(shè)置有MAX738A芯片的+5V供電電路和設(shè)置有LM1117芯片的+3.3V供電電路。供電電路滿足電路系統(tǒng)中各部件工作電壓的需要。

實(shí)施例9

如圖2所示。

一種利用實(shí)施例1-8任意一項(xiàng)所述系統(tǒng)進(jìn)行大氣采樣器走航測量的自動控制方法，包括步驟如下：

1)大氣采樣器停止采樣；

A、船舶停航判斷：

GPS模塊實(shí)時向控制器上傳船舶航速；控制器將船舶航速與航速閾值進(jìn)行比較，如果船舶航速小于航速閾值，判定船舶停船，GPS模塊輸出TTL低電平驅(qū)動繼電器打開，大氣采樣器停止采樣；如果船舶航速大于航速閾值，判定船舶航行，GPS模塊輸出TTL高電平；

B、降雨判斷：

當(dāng)降雨發(fā)生時，感雨板產(chǎn)生感應(yīng)信號，感應(yīng)信號進(jìn)入LM392比較器與雨量閾值比較，如果感應(yīng)信號的信號強(qiáng)度大于雨量閾值，則LM392比較器輸出TTL低電平，繼電器打開，大氣采樣器停止采樣；無降雨時，感雨板無感應(yīng)信號，LM392比較器輸出TTL高電平；

2)大氣采樣器恢復(fù)采樣；

當(dāng)感雨模塊和GPS模塊均輸出TTL高電平時，控制器輸出TTL高電平，繼電器打開，大氣采樣器正常采樣；控制器記錄和存儲控制器輸出TTL高電平的總時間t?？刂破鬏敵鯰TL高電平的總時間，即為大氣采樣器的工作時間。

3)當(dāng)控制器輸出TTL高電平的總時間t達(dá)到設(shè)定的工作時長T時大氣采樣器停止采樣。該步驟的目的是提醒操作者進(jìn)行換樣。

實(shí)施例10

如實(shí)施例9所述大氣采樣器走航測量的自動控制方法，所不同的是，步驟2)之后還包括自動診斷大氣采樣器工作狀態(tài)及無線傳輸工作狀態(tài)的步驟：

4)話筒采集的噪音強(qiáng)度在LM393比較器中與噪音閾值比較，如果噪音強(qiáng)度大于噪音閾值，則判定大氣采樣器的工作狀態(tài)為“正常采樣”；如果噪音強(qiáng)度小于等于噪音閾值，則判定大氣采樣器不工作；

5)當(dāng)步驟4)中判定大氣采樣器不工作時，控制器判斷GPS模塊和LM392比較器的輸出信號；如果GPS模塊或LM392比較器的輸出信號為輸出TTL低電平，則判定大氣采樣器的工作狀態(tài)為“暫停采樣”；如果GPS模塊和LM392比較器的輸出信號均為TTL高電平，則進(jìn)入步驟6)進(jìn)行進(jìn)一步的狀態(tài)判斷；

6)如果控制器輸出TTL高電平的總時間t達(dá)到設(shè)定的工作時長T，則判定大氣采樣器的工作狀態(tài)為“換樣提醒”；否則，判定大氣采樣器的工作狀態(tài)為“儀器故障”；當(dāng)大氣采樣器的工作狀態(tài)為“換樣提醒”，控制器對輸出TTL高電平的總時間t進(jìn)行清零。

實(shí)施例11

如實(shí)施例9所述大氣采樣器走航測量的自動控制方法，所不同的是，控制器將大氣采樣器的工作狀態(tài)通過Zigbee無線傳輸模塊傳輸?shù)绞覂?nèi)PC終端?？刂破髯詣优卸ù髿獠蓸悠鞯墓ぷ鳡顟B(tài)后，判定結(jié)果連同實(shí)時經(jīng)緯度信息生成數(shù)據(jù)包輸出至ZigBee無線傳輸模塊的射頻芯片，射頻芯片通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送室內(nèi)PC終端并遠(yuǎn)程顯示。