引言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)污水對環(huán)境的影響問題日益突出。人們對企業(yè)排放的污水流量進(jìn)行監(jiān)控的同時，卻忽略了污水中污染物成分的危害性。因此，按何種依據(jù)實現(xiàn)對污水排放的控制，是本論文的研究內(nèi)容之一；對超標(biāo)行為做到有據(jù)可查，是本文研究的內(nèi)容之二；構(gòu)建何種控制平臺，便于省市縣三級聯(lián)網(wǎng)，是本論文研究的內(nèi)容之三。

計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及信息集成技術(shù)的綜合發(fā)展，推動了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為此，本文給出了一種按污染物總量進(jìn)行控制和合理預(yù)付費的刷卡排污遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控采樣系統(tǒng)。該系統(tǒng)能集成多方面的信息，具有多種功能的資源共享服務(wù)平臺，可有效實現(xiàn)對企業(yè)排污的控制，并對監(jiān)測因子參數(shù)的超標(biāo)現(xiàn)象進(jìn)行污水采樣，從而為環(huán)保部門決策提供科學(xué)的依據(jù)。

1系統(tǒng)總體架構(gòu)和工作原理

1.1系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)的總體組成如圖1所示，系統(tǒng)主要由中心平臺、現(xiàn)場控制器兩大部分組成。其中，中心平臺分為三大部分：web服務(wù)器軟件，數(shù)據(jù)庫以及前端通訊服務(wù)器軟件?，F(xiàn)場控制器部分實現(xiàn)污水的流量、COD、氨氮等監(jiān)測因子的采集，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與中心平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換?，F(xiàn)場控制器部分主要包括數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)、刷卡控制子系統(tǒng)、污水采樣子系統(tǒng)三個部分。

數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)、刷卡控制子系統(tǒng)、污水采樣子系統(tǒng)三大子系統(tǒng)既可以獨立工作，以分別實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、刷卡控制、污水采樣，同時三大子系統(tǒng)又可以與中心平臺協(xié)調(diào)工作,實現(xiàn)污染物的總量控制。

1.2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings)是指將各種信息傳感設(shè)備及系統(tǒng)，通過各種接入網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大智能網(wǎng)絡(luò)。

隨著GPRS技術(shù)的不斷發(fā)展，為物聯(lián)網(wǎng)的建立奠定了堅實的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。在本系統(tǒng)中，中心平臺和現(xiàn)場控制器之間的通訊通過GPRS實現(xiàn)。另外對于現(xiàn)場端數(shù)據(jù)的采集可以采用Wi-Fi、ZigBee等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)通訊。

1.3總量計算及控制

在污水中含有各種各樣的污染物因子，如COD、氨氮等,對他們的監(jiān)測由相應(yīng)的一次儀表實現(xiàn)，而對應(yīng)的排放總量為污染物濃度與對應(yīng)的廢水流量的乘積。以分鐘為控制單位，式(1)為其計算方法：

式中:D是第i分鐘污染物的排放總量(kg/h)；G是第i分鐘污染物濃度值(m/L)；Qi是第i分鐘廢水排放量(m3/h)。

本系統(tǒng)由中心平臺設(shè)置相關(guān)污染物因子的月排放允許量來實現(xiàn)對排污的控制。

2現(xiàn)場控制器的設(shè)計

2.1數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)的設(shè)計

數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。它以STM32F103VE6芯片為核心、主要由液晶+觸摸屏、數(shù)據(jù)存儲SD卡、A/D采集和串口擴(kuò)展等組成，通過A/D采集模塊和串口擴(kuò)展模塊實現(xiàn)對污水流量、COD、氨氮等信號采集、顯示，并在中心平臺和刷卡控制子系統(tǒng)、污水采樣子系統(tǒng)之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

圖2數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)

2.1.1主空芯片的選擇

主控制器選用ARM®Cortex?-M332位的RISC內(nèi)核STM32F103VE6芯片,該芯片工作頻率高達(dá)72MHz,內(nèi)置64KB的SRAM的高速存儲器和512KB的閃存，具有豐富的接口，如：5個USART、2個I2C、3個SPI、1個RTC、1個USB、1個CAN、1個SDIO、4個通用16位定時器和2個PWM定時器以及單周期乘法和硬件除法等，因而非常適用于各種復(fù)雜的計算和控制。

通過STM32F103VE6芯片的SPI接口與SD卡連接，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的保存，具體包括監(jiān)測因子的分鐘數(shù)據(jù)、小時數(shù)據(jù)、日數(shù)據(jù)、月數(shù)據(jù)、年數(shù)據(jù)等。便于實時查詢。

該子系統(tǒng)采用STM32F103VE6芯片的RTC作為實時時鐘，為保證實時時鐘在市電掉電后還能正常運行，設(shè)計需配置后備電池。

2.1.2AD采集模塊

STM32F103VE6芯片雖然有內(nèi)部的AD,但為了保證采集精度，增加抗干擾性能，本系統(tǒng)采用深圳市芯海科技有限公司生產(chǎn)的高精度、低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片CS1180,CS1180的分辨率為24b,有效分辨率可達(dá)19位。

模擬信號經(jīng)多選一模擬開關(guān)ADG508選擇后進(jìn)入儀表放大器INA128,然后送入AD芯片CS1180進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

芯片CS1180通過四通道數(shù)字隔離器ADuM1401與STM32F103VE6芯片的一個SPI口進(jìn)行通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

本文所設(shè)計的AD采集模塊可以采集8路4?20mA/0?5V的模擬信號，便于現(xiàn)場多個一次儀表的接入。

2.1.3串口擴(kuò)展模塊

STM32F103VE6芯片有5個USART,其中一個與GPRSDTU通訊，一個與工業(yè)串口屏通訊，還有3個串口。但是現(xiàn)場一次儀表有時有多個，這時串口就不夠用了，為了保證現(xiàn)場一次儀表能全部連接到本子系統(tǒng)，因此需對串口進(jìn)行擴(kuò)展。

本系統(tǒng)采用成都國騰微電子有限公司生產(chǎn)的GM8125芯片進(jìn)行串口擴(kuò)展，該芯片可以將一個全雙工的標(biāo)準(zhǔn)串口擴(kuò)展成5個標(biāo)準(zhǔn)串口，并能通過外部引腳控制串口擴(kuò)展模式：單通道工作模式和多通道工作模式，本系統(tǒng)采用單通道工作模式。

2.1.4液晶+觸摸屏

本子系統(tǒng)選用北京迪文科技有限公司開發(fā)的工業(yè)串口屏DMG80480C070_01WT作為人機(jī)接口，該串口屏分辨率為800X480像素，16.7M色，帶有觸摸屏，通過串口與主控芯片進(jìn)行通信。

2.2刷卡控制子系統(tǒng)的設(shè)計

刷卡控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由FM1702SL射頻讀寫器、天線、IC卡、時鐘(SD2058)、液晶(12864)、獨立式按鍵和單片機(jī)(STC12C5A32S2)組成。該部分主要功能是實現(xiàn)刷卡充值功能和閥門控制功能。

刷卡充值功能有兩種方式：一種是通過現(xiàn)場刷卡將排污允許量輸入到單片機(jī)的EEPROM中；另一種是通過中心平臺遠(yuǎn)程充值后下發(fā)給該模塊，然后與剩余值進(jìn)行累加，再保存到單片機(jī)的EEPROM中。

圖3刷卡控制子系統(tǒng)

本子系統(tǒng)實時接收中心平臺經(jīng)過數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)發(fā)來的總量數(shù)據(jù)并進(jìn)行實時扣除，當(dāng)允許量為0時，進(jìn)行關(guān)閥處理。亦可實時接收中心平臺發(fā)送的開閥命令或關(guān)閥命令實現(xiàn)開關(guān)閥。開關(guān)閥電路由繼電器觸點實現(xiàn)。

另外，該子系統(tǒng)還具有記錄和查詢功能。

2.3污水采樣子系統(tǒng)的設(shè)計

污水采樣子系統(tǒng)主要由單片機(jī)(STC12C5A32S2)、時鐘(SD2058)、工業(yè)串口屏(DMG80480C070_01WT)、溫度檢測(18B20)、泵控制、步進(jìn)電機(jī)控制、存儲器等部分組成。圖4所示是污水采樣子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖。

中心平臺通過實時監(jiān)測各污染物因子的濃度值，與上限進(jìn)行比較，當(dāng)超標(biāo)時發(fā)送采樣命令。該子系統(tǒng)在接收到采樣命令后，及時進(jìn)行污水的采樣，并記錄下采樣時間和存儲瓶號。該子系統(tǒng)也可以實現(xiàn)時間等比例等多種方式的采樣。其中主要部分如下。

圖4污水采樣子系統(tǒng)

2.3.1提升泵的控制

提升泵的作用是當(dāng)污水離采樣器較遠(yuǎn)時，采樣前將污水抽到采樣器附近的蓄水池中，便于采樣，在具體應(yīng)用中采用繼電器直接控制泵的電源就可以啦。

2.3.2蠕動泵和分瓶器模塊的設(shè)計

為了將污水抽入瓶中，采用蠕動泵實現(xiàn)，蠕動泵內(nèi)壓有軟管，通過蠕動泵不斷對軟管的擠壓，這樣實現(xiàn)污水的采樣。為了控制蠕動泵采樣污水的量，設(shè)計中采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。通過測量步進(jìn)電機(jī)每100步對應(yīng)的采樣量，然后推算出實際需采樣的量對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)。達(dá)到精確控制采樣量的要求。

分瓶器的作用是將污水的進(jìn)水軟管口移到對應(yīng)的瓶口處，便于將污水采樣到對應(yīng)瓶中，本子系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動搖臂實現(xiàn)，同樣通過控制其步數(shù)來實現(xiàn)搖臂的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)位置的精確控制。

3中心平臺監(jiān)控軟件的設(shè)計

中心平臺監(jiān)控軟件為基于.Net平臺的Windows應(yīng)用程序，采用C#語言開發(fā)，數(shù)據(jù)庫使用SQLServer2008，中心平臺主要包括web服務(wù)器軟件，數(shù)據(jù)庫以及前端通訊服務(wù)器軟件。

前端通訊服務(wù)器軟件主要實現(xiàn)對現(xiàn)場控制器實時發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，保存到數(shù)據(jù)庫中，同時將控制命令下發(fā)給對應(yīng)的現(xiàn)場控制器。

web服務(wù)器軟件主要目標(biāo)包括以下幾點:

實現(xiàn)總量控制：以發(fā)放的排污許可證數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用現(xiàn)場控制器采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，對國控、省控、市控污染源廢水排放量和污染物排放量進(jìn)行監(jiān)控，在廢水或污染物排放量到達(dá)分配額度時，實施總量控制措施(即關(guān)閉污染源排污口閥門)。

實現(xiàn)定額分配：通過對污染源在線監(jiān)測和流量數(shù)據(jù)的記錄，了解企業(yè)的實際排放情況，在企業(yè)排污許可到期換證時對其允許排放量進(jìn)行重新核定，合理分配排污權(quán)。

實現(xiàn)定向監(jiān)管：根據(jù)職能部門對各企業(yè)核定的污水流量及污染物總量通過IC射頻卡或中心進(jìn)行充值來控制閥門的開啟。

實現(xiàn)智能控污：應(yīng)用先進(jìn)的IC射頻卡技術(shù)，使得排污收費更公正、便捷。

實現(xiàn)強(qiáng)化執(zhí)法：通過此系統(tǒng)，對長期超標(biāo)排放或超標(biāo)嚴(yán)重的企業(yè)，以及被要求停產(chǎn)整頓的企業(yè)，可從技術(shù)上實現(xiàn)關(guān)閥，從而進(jìn)一步強(qiáng)化環(huán)保部門對違法排污企業(yè)的行政執(zhí)法手段。

為此，中心平臺主要包括：企業(yè)信息管理功能；實時數(shù)據(jù)監(jiān)控功能(包括搜索引擎、以管網(wǎng)監(jiān)控的方式監(jiān)控企業(yè)的污水實時排放數(shù)據(jù)、以動態(tài)圖的形式顯示污染源的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、坐標(biāo)顯示污染源地理位置等)；趨勢預(yù)判分析及報表和圖表匯總功能；IC卡管理功能；遠(yuǎn)程設(shè)置參數(shù)、遠(yuǎn)程控制閥門和采樣的功能；運營與管理功能。

4結(jié)語

在節(jié)能減排的今天，應(yīng)用IC卡和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計的一種刷卡排污監(jiān)測監(jiān)控采樣系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合環(huán)保部門核發(fā)的企業(yè)排污許可信息，通過定期刷卡充值，實時監(jiān)控各監(jiān)測因子濃度和總量，通過控制閥門開關(guān)實現(xiàn)排污剛性控制，并對超標(biāo)排放進(jìn)行采樣，與一般排污控制系統(tǒng)相比，收費更合理，控制更科學(xué)，能實現(xiàn)省市縣三級聯(lián)網(wǎng)，為環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)的建立奠定了基礎(chǔ)，具有很大的發(fā)展前景。

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