從物聯(lián)網(wǎng)角度對(duì)農(nóng)村生活污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

江漢大學(xué)人工智能學(xué)院 陳廷玉 胡小波 夏銘遙 譚志平 吳靜平

以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為橋梁，以無(wú)線傳感綜合信息傳輸建設(shè)為基礎(chǔ)，構(gòu)建農(nóng)村污水處理的智能監(jiān)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)。著重于污水處理過(guò)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)綜合分析等領(lǐng)域的提高，建成一個(gè)集污水自動(dòng)監(jiān)控、污水處理過(guò)程監(jiān)控、水質(zhì)監(jiān)測(cè)功能于一體的智能監(jiān)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)。

由于科技水平提高、環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)以及污水處理技術(shù)發(fā)展都是一個(gè)逐漸發(fā)展的過(guò)程，致使各個(gè)環(huán)保部門的應(yīng)用系統(tǒng)大多是獨(dú)立建設(shè)的，缺乏在數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)協(xié)同方面的統(tǒng)籌規(guī)劃，導(dǎo)致重復(fù)建設(shè)、“信息孤島”的現(xiàn)象多見(jiàn)且嚴(yán)重。由此造成投資效益難以提升，資金浪費(fèi)嚴(yán)重，數(shù)據(jù)利用率低，建設(shè)成效不如人意等一系列問(wèn)題。而現(xiàn)如今的污水處理技術(shù)已得到大范圍推廣,加上環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用的快速發(fā)展，在其管理機(jī)制以及方式方法方面的改變也就迫在眉睫。通過(guò)建立一個(gè)完備的監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系，進(jìn)而構(gòu)建出一個(gè)數(shù)據(jù)信息共享平臺(tái)，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和有效信息的共享后，打破原有區(qū)域的固有限制，保障信息共享來(lái)降低信息化建設(shè)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新不斷推動(dòng)管理創(chuàng)新的目標(biāo)。

1 農(nóng)村污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由PH值測(cè)試傳感器模塊、信號(hào)處理和無(wú)線通信模塊、液體渦輪流量計(jì)、STM32F103ZET6主控制模塊、PC端監(jiān)控顯示設(shè)置組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

從進(jìn)水口以及出水口處的模塊獲取流量和PH值電信號(hào)，由主控制模塊將所得電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。STM32主控制模塊將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳感器模塊以數(shù)字信號(hào)的形式傳輸?shù)絇C終端。PC終端將接收到的有序的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)管理人員也可以通過(guò)電腦顯示屏看到各污水處理節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。根據(jù)流入流出量的起伏數(shù)據(jù)判斷處理過(guò)程是否存在異常，若判斷異常則系統(tǒng)通過(guò)聲音和圖像報(bào)警，并標(biāo)出顯示問(wèn)題部位和異常數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)功能

平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)記錄與自動(dòng)報(bào)警等功能，如實(shí)時(shí)自動(dòng)獲取監(jiān)測(cè)水泵和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，能克服諸多并不方便人前往解決的問(wèn)題，更加方便與安全的獲取數(shù)據(jù)，降低人工成本。而且通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)，我們可以從那些原始數(shù)據(jù)中更快速的找到問(wèn)題的根源，進(jìn)而采取最佳污水處理方案。

可以通過(guò)水流量計(jì)實(shí)時(shí)自動(dòng)的監(jiān)測(cè)污水處理設(shè)備各部分的水流量，并記錄下各部分污水處理設(shè)備每天處理后余留的水質(zhì)情況，如氨氮、COD以及總磷等水質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存與分類后傳至PC端顯示，可以由此對(duì)處理設(shè)備的運(yùn)行效能進(jìn)行判斷，為控制合適的進(jìn)出水量以及得到合格的水質(zhì)數(shù)據(jù)提供可靠的基礎(chǔ)信息，同時(shí)對(duì)設(shè)備是否會(huì)出現(xiàn)滲漏、堵塞等異常情況進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。

2 系統(tǒng)模塊

2.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備

系統(tǒng)的完成需要在農(nóng)村生活污水處理設(shè)備處布置相應(yīng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，以測(cè)得并傳輸處理污水前后的相應(yīng)數(shù)值。這些的監(jiān)測(cè)設(shè)備，包括水流量計(jì)、PH值測(cè)量傳感器、氨氮水質(zhì)監(jiān)測(cè)器、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備、圖像傳感器和動(dòng)力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器等。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)預(yù)設(shè)相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸接口，通過(guò)這些接口遠(yuǎn)程接收各種監(jiān)測(cè)設(shè)備所得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)水流量、水流酸堿度、含氧濃度、動(dòng)力設(shè)備狀況以及維護(hù)人員維護(hù)次數(shù)等，也可以利用圖像傳感器來(lái)查看現(xiàn)場(chǎng)整體情況。

監(jiān)測(cè)單元CAC在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行控制，包括所有檢測(cè)設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的匯集、綜合分析、故障診斷、監(jiān)測(cè)預(yù)警、數(shù)據(jù)展示、存儲(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)是處理數(shù)據(jù)的中心，主要由服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備組成，用于提供計(jì)算運(yùn)算，以及監(jiān)測(cè)設(shè)備上傳數(shù)據(jù)與圖像資料的存儲(chǔ)和分析。采用Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)將不同傳感器的數(shù)據(jù)放在不同的對(duì)象下，再以時(shí)間為尺度進(jìn)行時(shí)間序列存盤。實(shí)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)的集中管理，并具有與上層平臺(tái)通信及內(nèi)部信息一體化平臺(tái)交互的能力。支持CAC與監(jiān)測(cè)裝置及CMA通訊規(guī)范。

2.3 系統(tǒng)管理平臺(tái)

系統(tǒng)管理平臺(tái)包含有所管轄區(qū)域的數(shù)據(jù)接入、基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢和綜合處理功能，儲(chǔ)存有關(guān)于監(jiān)測(cè)設(shè)備、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)值等資料。可在平臺(tái)對(duì)應(yīng)的不同的區(qū)塊中根據(jù)所要查詢的信息內(nèi)容進(jìn)行查詢，如具體步驟數(shù)值、處理方法、規(guī)格形式等信息。通過(guò)查看相應(yīng)農(nóng)村生活污水處理設(shè)備的各項(xiàng)基礎(chǔ)信息以及運(yùn)行維護(hù)信息，了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)依據(jù)查詢所得水流量、水質(zhì)等數(shù)據(jù)體現(xiàn)出污水處理系統(tǒng)的具體情況，并對(duì)相應(yīng)運(yùn)行情況進(jìn)行分析。

2.4 PC終端

在管理人員登陸到PC端時(shí)，PC端的屏幕會(huì)對(duì)農(nóng)村生活污水處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)展示，實(shí)時(shí)顯示出各處理部分的運(yùn)行情況、處理環(huán)境情況以及各部分之間數(shù)據(jù)變化的情況，力求避免堵塞以及其他突發(fā)情況的出現(xiàn)。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)定好的程序，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)異常、運(yùn)行故障等問(wèn)題以圖像的形式顯示在屏幕上。當(dāng)設(shè)備狀態(tài)出現(xiàn)超出預(yù)定值的變化時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到異常，屏幕上將顯示相應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，部分字體顏色改變，提示出現(xiàn)異常并觸發(fā)報(bào)警，在屏幕上展示圖像中的相應(yīng)位置，同時(shí)展示在平臺(tái)的報(bào)警欄中，提醒管理人員設(shè)備存在異常，需要及時(shí)處理。功能大致如圖2所示。

圖2 功能圖

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑

系統(tǒng)利用STM32F103ZET6單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用C語(yǔ)言編寫，通過(guò)STM32單片機(jī)對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行控制，采用Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)將不同傳感器的數(shù)據(jù)放在相應(yīng)的對(duì)象下，以時(shí)間為尺度進(jìn)行時(shí)間序列存盤。在發(fā)出警報(bào)時(shí)，根據(jù)事先設(shè)定的規(guī)則，將系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)到的相關(guān)設(shè)備運(yùn)行故障報(bào)警、數(shù)據(jù)異常報(bào)警等問(wèn)題以圖像以及數(shù)據(jù)顏色改變等形式發(fā)送到相應(yīng)的通訊設(shè)備上。

4 項(xiàng)目總結(jié)

本系統(tǒng)從農(nóng)村污水處理入手，提出利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)設(shè)施運(yùn)行情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的思路，通過(guò)PH值測(cè)量傳感器、氨氮水質(zhì)監(jiān)測(cè)器、水流量計(jì)等設(shè)備采集相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到相關(guān)的污水處理情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)處理情況遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。而對(duì)污水處理數(shù)據(jù)的匯總分析更能夠直觀的發(fā)現(xiàn)故障，進(jìn)一步保證設(shè)備的良好穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)對(duì)流量、水質(zhì)、含氧量等的統(tǒng)計(jì)分析，輔助改進(jìn)原有的污水處理流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)村污水處理的智能化監(jiān)控。