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，是本論文的研究內容之一；對超標行為做到有據(jù)可查，是本文研究的內容之二；構建何種控制平臺，便于省市縣三級聯(lián)網(wǎng)，是本論文研究的內容之三。

計算機技術、現(xiàn)代信息技術、網(wǎng)絡技術及信息集成技術的綜合發(fā)展，推動了物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，為此，本文給出了一種按污染物總量進行控制和合理預付費的刷卡排污遠程監(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)的超標現(xiàn)象進行污水采樣，從而為環(huán)保部門決策提供科學的依據(jù)。

1系統(tǒng)總體架構和工作原理

1.1系統(tǒng)總體架構

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服務器軟件，數(shù)據(jù)庫以及前端通訊服務器軟件?，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)絡與中心平臺進行數(shù)據(jù)的交換。現(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)調工作,實現(xiàn)污染物的總量控制。

1.2物聯(lián)網(wǎng)技術

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

隨著GPRS技術的不斷發(fā)展，為物聯(lián)網(wǎng)的建立奠定了堅實的網(wǎng)絡基礎。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)測由相應的一次儀表實現(xiàn)，而對應的排放總量為污染物濃度與對應的廢水流量的乘積。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)由中心平臺設置相關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)場控制器的設計

2.1數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)的設計

數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)的結構圖如圖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采集和串口擴展等組成，通過A/D采集模塊和串口擴展模塊實現(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內核STM32F103VE6芯片,該芯片工作頻率高達72MHz,內置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，設計需配置后備電池。

2.1.2AD采集模塊

STM32F103VE6芯片雖然有內部的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?？萍加邢薰旧a(chǎn)的高精度、低功耗模數(shù)轉換芯片CS1180,CS1180的分辨率為24b,有效分辨率可達19位。

模擬信號經(jīng)多選一模擬開關ADG508選擇后進入儀表放大器INA128,然后送入AD芯片CS1180進行轉換。

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

本文所設計的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)，因此需對串口進行擴展。

本系統(tǒng)采用成都國騰微電子有限公司生產(chǎn)的GM8125芯片進行串口擴展，該芯片可以將一個全雙工的標準串口擴展成5個標準串口，并能通過外部引腳控制串口擴展模式：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行通信。

2.2刷卡控制子系統(tǒng)的設計

刷卡控制子系統(tǒng)結構如圖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(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的EEPROM中；另一種是通過中心平臺遠程充值后下發(fā)給該模塊，然后與剩余值進行累加，再保存到單片機的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)并進行實時扣除，當允許量為0時，進行關閥處理。亦可實時接收中心平臺發(fā)送的開閥命令或關閥命令實現(xiàn)開關閥。開關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)的設計

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

中心平臺通過實時監(jiān)測各污染物因子的濃度值，與上限進行比較，當超標時發(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

提升泵的作用是當污水離采樣器較遠時，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計

為了將污水抽入瓶中，采用蠕動泵實現(xiàn)，蠕動泵內壓有軟管，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，設計中采用步進電機進行控制。通過測量步進電機每100步對應的采樣量，然后推算出實際需采樣的量對應的步進電機步數(shù)。達到精確控制采樣量的要求。

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

3中心平臺監(jiān)控軟件的設計

中心平臺監(jiān)控軟件為基于.Net平臺的Windows應用程序，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服務器軟件，數(shù)據(jù)庫以及前端通訊服務器軟件。

前端通訊服務器軟件主要實現(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)給對應的現(xiàn)場控制器。

web服務器軟件主要目標包括以下幾點:

實現(xiàn)總量控制：以發(fā)放的排污許可證數(shù)據(jù)為基礎,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行監(jiān)控，在廢水或污染物排放量到達分配額度時，實施總量控制措施(即關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行重新核定，合理分配排污權。

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射頻卡或中心進行充值來控制閥門的開啟。

實現(xiàn)智能控污：應用先進的IC射頻卡技術，使得排污收費更公正、便捷。

實現(xiàn)強化執(zhí)法：通過此系統(tǒng)，對長期超標排放或超標嚴重的企業(yè)，以及被要求停產(chǎn)整頓的企業(yè)，可從技術上實現(xiàn)關閥，從而進一步強化環(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)、坐標顯示污染源地理位置等)；趨勢預判分析及報表和圖表匯總功能；IC卡管理功能；遠程設置參數(shù)、遠程控制閥門和采樣的功能；運營與管理功能。

4結語

在節(jié)能減排的今天，應用IC卡和物聯(lián)網(wǎng)技術設計的一種刷卡排污監(jiān)測監(jiān)控采樣系統(tǒng)，該系統(tǒng)結合環(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，通過控制閥門開關實現(xiàn)排污剛性控制，并對超標排放進行采樣，與一般排污控制系統(tǒng)相比，收費更合理，控制更科學，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，具有很大的發(fā)展前景。

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