基于物聯網的城市下水道及化糞池可燃氣體監控預警系統的初步設計

四川理工學院 王紅旗

1.引言

城市下水道和化糞池擔負著生活污水、工業廢水的接納、輸送功能，但由于其相對封閉，環境特殊，污水中的有機和無機物質在密閉的管道中，在厭氧條件下受微生物作用，會分解產生多種有毒有害、易燃易爆氣體。如若管理不善，容易造成氣體蓄積，當達到一定濃度后，若泄漏會造成人員中毒，如遇明火則極易產生爆炸，造成傷亡事故，對人民群眾的人身和財產安全造成危害。近年來，由于下水道、化糞池內可燃氣體濃度過高，市政排污管道可燃氣體爆炸事故成了國內多發的事件。由于歷史的原因，我國城市下水道管網設置不夠合理，處理設施維護管理不規范；其次，城市化進程過快，城市人口密度大，管網設施使用負荷較高；同時，還與公民的環境教育、環境意識、環境道德，以及政府的環境立法、執法有關。顯然，除了積極開展正面的環境意識教育，完善設施維護以外，更重要的是建立一套可燃有害氣體監測預警機制，做到防患于未然。

為了達到安全性預報的目的，傳統的環境污染源應急監測主要基于單臺儀器的間斷方法，甚至是人工取樣、實驗室分析的非在線式監測。此方法存在三個方面的明顯不足：一是具有間斷性；二是無法實現數據共享、在線測量和遠程監控；三是需要花費大量的人力、物力、財力。

下水道、化糞池氣體的自動監測技術是一種最小人工干預的安全預警的實時在線連續監測并預警的自動化系統，它能夠通過網絡遠程中心，自動地監控下水管道設施內可燃氣體狀態，實現在線、動態、實時的監測與控制。所以，開展城市市政下水道、化糞池的長期、遠程在線監控研究意義重大。

2.系統設計方案

本系統的研究目標是設計一種可燃氣體的智能監控預警系統，即用于市政下水道和化糞池中可燃沼氣濃度和相關信息的實時采集和遠程監測，對市政污水管網設施的安全運行實現監控和預警，確保污水管網設施的穩定和安全運行。

本系統基于物聯網平臺，利用高靈敏度、性能穩定的紅外氣體傳感器和無線傳感網絡，傳輸數據實時、穩定、可靠；系統監控中心能及時發現可燃氣體的異常信息，并發出警報。系統由三個子系統組成：氣體濃度檢測系統、數據傳輸系統和監控中心系統。氣體傳感器實現監測目標氣體濃度的檢測，數據傳輸系統完成監控中心與濃度檢測系統之間的無線數據通信傳輸；監控中心系統通過合理的軟件結構設計，實現可燃氣體濃度的實時監測和安全監控預警功能。

為了實現對城市市政下水道和化糞池可燃氣濃度的預警監控，滿足監測的自動化、網絡化和實時性要求，在進行廣泛調研現有技術現狀后，本設計提出了以下的預警監控系統設計思路和設計方案。采用模塊化的思想，將系統設計為三個子系統：氣體監測與數據采集子系統、數據傳輸子系統、數據處理與監控中心子系統。其結構如圖1所示。

預警監控系統主要包括：現場儀器：用于現場數據采集，包括氣體濃度傳感器和數據采集儀器；傳輸網絡：用于進行數據傳輸；監控中心：對系統進行控制、對數據進行分析處理。監控中心通過傳輸網絡與污染監測點的監測設備、數據采集系統聯網，進行監測數據交換、實況監測、指令應答和決策調度，從而實現對監控目標的遠程、實時監控。監控系統總體結構示意圖如圖2所示。

3.系統的主要技術路線

3.1 可燃氣體檢測

非分散紅外（NDIR：Non Dispersive Infrared）氣體分析儀作為一種快速、準確的氣體分析技術，特別連續污染物監測系統（CEMS）以及機動車尾氣檢測應用中十分普遍。隨著紅外光源、傳感器及電子技術的發展，NDIR氣體傳感器在國內外得到了迅速的發展。主要表現在采用新型紅外傳感器及電調制光源，在儀器電路上采用了低功耗嵌入式系統，使得儀器在體積、功耗、性能、價格上具有以往儀器無法比擬的優勢。

3.2 物聯網

物聯網即EPC（ElectronicProduct-Code產品電子代碼）系統是在計算機互聯網和射頻技術RFID的基礎上，利用全球統一標識系統編碼技術給每一個實體對象一個唯一的代碼，構造了一個實現全球物品信息實時共享的實物互聯網“Internet of things”。EPC系統是一個非常先進的、綜合性的和復雜的系統，其最終目標是為每一實體對象建立全球的、開放的標識標準，主要由6個方面組成：EPC編碼標準、RFID標簽（Tag）、閱讀器（Reader）、神經網絡（Savant）系統、對象名解析服務（ONS）、實體標記語言（PML）。

3.3 射頻識別技術

射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）是一種高級的自動識別技術，利用它通過無線射頻方式進行非接觸式的全雙工數據通信，以對實物目標加以識別；閱讀器（Reader）可控制射頻模塊向電子標簽發射讀取信號，并接收標簽的應答信號，同時可對電子標簽的對象標識信息進行解碼，從而將對象標識信息連帶電子標簽上的其它相關信息傳輸到Savant系統以供處理；Savant是一種軟件技術，在EPC網絡中扮演中樞神經的角色并負責信息的管理和流動，減少從閱讀器傳往企業應用的數據量，確保現有的網絡不超負荷運作；對象名解析服務（ONS）是聯系前臺Savant軟件和后臺PML服務器的網絡樞紐，把Savant引入儲存該產品信息的企業數據庫；實體標記語言（PML）是EPC網絡中的通用語言，用來定義物理對象的數據。

圖1 監控子系統結構框圖

圖2 監控系統總體結構

3.4 系統軟件總體設計

監控中心數據服務器軟件以Windows為工作平臺，采用先進的軟件開發環境和軟件開發工具，充分利用可視化及事件驅動特點，采用對象化結構，具有用戶界面友好、函數資源豐富、開發工作量較小的優點，易于實現模塊化，觀測結果存放采用后臺Access數據庫，并具有觀測點數據統計、歷史數據查詢等功能，使大量人工勞作由計算機快速而準確地完成。從軟件功能上，系統由組態軟件、數據服務器軟件、監控軟件構成。組態軟件負責完成數據庫組態，主要組態內容包括監控節點組態、報警上、下限組態、報警動作組態等。數據服務器軟件負責完成數據的發送和接收，監控節點狀態檢測，報警檢測，報警信息的發送以及短息查詢處理等。而監控軟件負責現場監控節點實時數據的顯示，監控中心報警處理，歷史趨勢處理，報表處理等。

4.主要技術關鍵及技術指標

4.1 主要技術關鍵

1）采用感應器對下水道及化糞池中可燃氣體進行監控并預警；2）建立可燃氣體模型，采用智能控制技術對監測設備進行實時控制；3）使用物聯網技術實現數據傳輸；4）系統接口還保留許多擴充部分，如增加其他傳感器，只需再經過進一步軟件擴充與完善，就能實現其他更多氣體的監測；5）無線傳輸可執行一對多的方式（即一個監控中心，接收多個監測點發出的不同數據）。

4.2 主要技術指標

工作溫度：-4O°C～+7O°C（可燃氣）；工作濕度：＜95%RH（非冷凝）；檢測誤差：＜5%F.S；防護等級：IP66；輸出信號：4～2OmA模擬信號；工作電源：1O～3OV DC。

5.結語

該自動監控系統將無線傳感器網絡技術運用于市政排水管道可燃氣體監測，并從基于物聯網傳輸技術的遠程數據傳輸系統的設計，基于先進的氣體傳感器檢測技術和數據獲取，基于尋找一種具備統一性、開放性的環境監測體系結構和成本相對較低的網絡傳輸結構來組成這種環境監測的體系，基于設定一套統一的預警監控技術標準，實現大范圍環境自動監控系統的數據共享、業務協同等幾個方面開展工作，通過實際建設將研究成果直接應用于城市下水管道和化糞池設施的實踐過程中，有較高創新性研究成果和實用價值。

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