一種綜合水處理裝置的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改造

裴靜++尹曙輝

摘 要：對(duì)水環(huán)境處理的環(huán)保設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化、智能化和現(xiàn)代化改造是大勢(shì)所趨?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的綜合水處理裝置改造研究項(xiàng)目，針對(duì)無(wú)線(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和污水處理設(shè)備的智能化設(shè)計(jì)改造，主要是構(gòu)建基于ZigBee協(xié)議無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境信息采集系統(tǒng)，同時(shí)有手機(jī)射頻通信和短信報(bào)警功能。依據(jù)信息采集后集中反映在監(jiān)控上位PC機(jī)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)射頻發(fā)送到移動(dòng)處理裝置的觸摸屏中，嵌入觸摸屏監(jiān)控技術(shù)、伺服電機(jī)、變頻器控制等現(xiàn)代電工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)參數(shù)信息顯示與設(shè)備即時(shí)控制。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)組網(wǎng) 監(jiān)測(cè)傳感 射頻技術(shù) PLC技術(shù) 觸摸屏控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP30 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）12（a）-0012-04

該項(xiàng)目為利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)信息采集到位（作為環(huán)保設(shè)備運(yùn)行的依據(jù)），系統(tǒng)集成運(yùn)算后實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和智能處理的工作。傳感技術(shù)綜合采用單參數(shù)和整合型自動(dòng)化信號(hào)采集儀器，采集點(diǎn)用低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)。通過(guò)對(duì)比預(yù)設(shè)定參數(shù)運(yùn)算處理后，系統(tǒng)控制自動(dòng)化控制裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理。主要通過(guò)PLC、變頻器等控制設(shè)備對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，控制對(duì)象主要有電機(jī)帶動(dòng)的泵（控制其流量和壓力）、伺服電機(jī)（控制轉(zhuǎn)矩、位置、轉(zhuǎn)速等等機(jī)械參數(shù)）、電磁閥、電機(jī)的調(diào)速等等。

1 水環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)技術(shù)的組網(wǎng)

1.1 整體方案設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)主要有若干個(gè)固定式監(jiān)測(cè)點(diǎn)和浮動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成。固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置依據(jù)是河流斷面、行政交接點(diǎn)、主要污染源監(jiān)控點(diǎn)。浮動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要布置在湖泊中間面、河湖斷面以及飲用水水源地等。固定點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)選用現(xiàn)成的檢測(cè)設(shè)備[1]。該項(xiàng)目選用了德國(guó)ADCON的型號(hào)為Adcon_WQ？的在線(xiàn)多參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備。浮動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)由于考慮到實(shí)際工作環(huán)境與壽命等因素，只能檢測(cè)部分主要參數(shù)，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)就是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，防水防風(fēng)防腐蝕以及保持正常工作是浮動(dòng)檢測(cè)點(diǎn)的關(guān)鍵。通過(guò)太陽(yáng)能提供工作電力，浮標(biāo)搭載監(jiān)測(cè)PH值、濁度、總氮、總磷、溫度等參數(shù)，必要的時(shí)候可以設(shè)置GPS定位系統(tǒng)[2]。每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee協(xié)議組網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)監(jiān)控。必要的時(shí)候可以接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多處遠(yuǎn)程查看。為了實(shí)現(xiàn)信息無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)綗o(wú)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)環(huán)保設(shè)備中以及信息及時(shí)傳送到操控工人手機(jī)中去，PC機(jī)通過(guò)RS232串口線(xiàn)外接單片機(jī)，單片機(jī)再與T35、NRF24L01G連接，分別實(shí)現(xiàn)GSM短信收發(fā)功能和數(shù)據(jù)信息射頻傳送功能。 整體設(shè)計(jì)方案圖見(jiàn)圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用ADCON監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備組成有：遙測(cè)數(shù)采（RTU）、傳感器、網(wǎng)關(guān)基站、服務(wù)器PC終端等。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)就是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其以遙測(cè)數(shù)采為核心完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸，傳輸?shù)耐緩娇梢詿o(wú)線(xiàn)模式和GPRS模式?；就ㄐ庞肎PRS模式，可以分布各地，從極限值來(lái)講，每個(gè)網(wǎng)管基站可以組建高達(dá)1 000個(gè)遙測(cè)數(shù)采[3]。

1.3 組網(wǎng)協(xié)議及設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議是在一定的帶寬范圍內(nèi)合理有效的使用，除此之外，還能根據(jù)當(dāng)時(shí)的信息情況選擇最優(yōu)路徑。由于節(jié)點(diǎn)是移動(dòng)的，一般是干電池或者太陽(yáng)能供電，要求協(xié)議的能量消耗要小。當(dāng)前ZigBee協(xié)議常見(jiàn)的有基于能量、協(xié)商、層次的3種協(xié)議[4]。

此次設(shè)計(jì)選用了基于層次路由的協(xié)議，在應(yīng)用層常見(jiàn)的有4種：低能量自適應(yīng)聚簇分層（LEACH）、節(jié)能的閾值敏感的傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TEEN）、兩層數(shù)據(jù)發(fā)布（TTDD）、自適應(yīng)周期閥值敏感性節(jié)能傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（APTEEN）。在這其中，此次設(shè)計(jì)選擇了APTEEN協(xié)議。

1.4 STC12C5A60S2及通信設(shè)計(jì)

單片機(jī)STC12C5A60S2與T35通信模塊是用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和短信通信[5]。除了把主要數(shù)據(jù)發(fā)送到指定手機(jī)用戶(hù)，用戶(hù)也可以發(fā)送指令通過(guò)T35給單片機(jī)，NRF24L01G射頻收發(fā)器是將檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到可以移動(dòng)的水處理設(shè)備的觸摸屏上，以便工作人員實(shí)時(shí)觀察檢測(cè)數(shù)據(jù)而相應(yīng)做出操作。單片機(jī)STC12C5A60S2與T35、NRF24L01G連接電路如圖所示，“選擇”鈕和“增、減”等按鈕可以設(shè)置發(fā)送間隔時(shí)間、參數(shù)設(shè)定現(xiàn)值等有關(guān)參數(shù)的。外接一個(gè)12864液晶顯示屏用作顯示。主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，程序設(shè)計(jì)流程圖見(jiàn)圖3。

1.5 組網(wǎng)編程設(shè)計(jì)

CC2530的點(diǎn)點(diǎn)通信和串口通信主要參數(shù)：直接序列擴(kuò)頻方式；數(shù)據(jù)速率達(dá)250 kbps；碼片速率達(dá)2 Mchip/s；硬件可支持自動(dòng)幀格式生成、同步插入與檢測(cè)、10 bit的CRC校驗(yàn)、電源檢測(cè)、完全自動(dòng)MAC層保護(hù)；-94 dBm高接收靈敏度；39 dB抗鄰頻道干擾能力。

2 水處理裝置的現(xiàn)代化改造

2.1 改造前的格柵除污裝置

格柵除污裝置是一種格柵除污裝置，用于各種原水、取水口、污泵站，通常用作前道清污工具，可清除大容量雜物，保護(hù)電站、污水或原水廠(chǎng)的重要設(shè)備或下游水泵。原始產(chǎn)品由3部分組成：懸掛單軌系列、移動(dòng)小車(chē)和抓爪裝置等組成[6]。裝有彈簧的擺動(dòng)限位可以使耙斗保持在上部。

2.2 改造后的電氣結(jié)構(gòu)圖

此次設(shè)計(jì)主要是引入觸摸屏、伺服電機(jī)等現(xiàn)代化電工技術(shù)?？刂贫搜赜迷瓉?lái)的按鈕控制以外，加入了觸摸屏顯示和控制技術(shù)：即面板按鈕控制與觸摸屏觸點(diǎn)控制雙重控制。上、下、左、右以及循環(huán)次數(shù)等都將顯示在觸摸屏上，主要有上下、左右點(diǎn)動(dòng)控制直到觸發(fā)相應(yīng)限位開(kāi)關(guān)停止，投放相關(guān)試劑、攪拌時(shí)間以及電磁閥放流時(shí)間都在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)?？傮w設(shè)計(jì)框架如圖4所示。

2.3 各器件及設(shè)置

此次設(shè)計(jì)中使用三菱變頻器由PLC控制。變頻器工作方式選用外部方式（P79=0或者2），產(chǎn)品設(shè)計(jì)中選用3段速（高速、中速、低速）每個(gè)速度的頻率可自行調(diào)控過(guò)P4、P5、P6的參數(shù)設(shè)置。提速、降速時(shí)間分別由P7、P8來(lái)設(shè)定，額定保護(hù)電流由P3來(lái)設(shè)定。主要涉及到的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1 。

觸摸屏用的是北京昆侖通態(tài)型號(hào)為T(mén)PC1262Hi的觸屏，進(jìn)行串口父設(shè)備通訊參數(shù)、驅(qū)動(dòng)構(gòu)件基本參數(shù)的設(shè)置。主要設(shè)置波特率、通信口、校正位、校驗(yàn)位等等，此次設(shè)計(jì)是串口通信，接PLC，波特率9 600 bps，采集周期為1 s，數(shù)據(jù)位為7，停止位為1，偶檢驗(yàn)方式。交流伺服電機(jī)是松下A4伺服電機(jī)，具體設(shè)置有效參數(shù)見(jiàn)表2。

3 結(jié)論

此設(shè)計(jì)整合了物聯(lián)技術(shù)與水處理技術(shù)裝置，應(yīng)用ZigBee組網(wǎng)、C語(yǔ)言編程、GSM短信等技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬件和軟件相匹配的課題實(shí)踐研究。此次設(shè)計(jì)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）硬件電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化、模塊化，把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與水處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合，易于系統(tǒng)的移植和維護(hù)。

（2）使用的人機(jī)界面友好，有用戶(hù)權(quán)限設(shè)置，須輸入密碼，界面操作方便、效率高。

（3）設(shè)計(jì)中有雙重?zé)o線(xiàn)通信：GSM短信通知到用戶(hù)手機(jī)和射頻收發(fā)顯示在觸摸屏，重要參數(shù)指標(biāo)可以同時(shí)顯示在手機(jī)和觸摸屏屏幕上。

（4）設(shè)計(jì)中應(yīng)用了險(xiǎn)情自動(dòng)短信報(bào)警、屏幕報(bào)警，同時(shí)有自動(dòng)斷電保護(hù)功能、全息主動(dòng)短信和被動(dòng)查詢(xún)回復(fù)功能。

參考文獻(xiàn)

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