基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的污水實(shí)時(shí)采樣系統(tǒng)

引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)取得了巨大的成就，也付出了巨大的環(huán)境 代價(jià)，我國(guó)的環(huán)境污染形勢(shì)可以用三句話概括：污染物排放總 量居高不下，遠(yuǎn)超過環(huán)境容量；環(huán)境質(zhì)量令人擔(dān)憂；環(huán)境污 染事故進(jìn)入高發(fā)期。環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策, 是實(shí)施我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，是構(gòu)建和諧社 會(huì)和資源節(jié)約型社會(huì)的一個(gè)重要組成部分。

為貫徹執(zhí)行《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》、《中華人民共 和國(guó)水污染防治法》，提高我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控能力，實(shí)現(xiàn)水質(zhì) 監(jiān)測(cè)監(jiān)控的自動(dòng)化和現(xiàn)代化，以期達(dá)到地表水水質(zhì)預(yù)警監(jiān)測(cè)、 污染源總量監(jiān)測(cè)與控制的目的，開發(fā)利用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的污 水實(shí)時(shí)采樣系統(tǒng)是當(dāng)今環(huán)保監(jiān)測(cè)監(jiān)控的有效工具。

1系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)主要由控制模塊、溫度檢測(cè)、步進(jìn)電機(jī)控制、分 瓶器、蠕動(dòng)泵、存儲(chǔ)器、儲(chǔ)樣瓶、進(jìn)水管等部分組成。具體 功能是在接收到中心平臺(tái)采樣的信號(hào)之后，控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行 污水的采樣存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)紅內(nèi)，并記錄下采樣時(shí)間。該 系統(tǒng)也可以通過設(shè)置時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)時(shí)間等比例采樣等多種方 式采樣。具有遠(yuǎn)程控制的通訊、采樣模式多樣化、樣品恒溫 保存、斷電保護(hù)、管路自動(dòng)清洗、廢液回流等功能。圖1所示 是其系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)圖。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由控制模塊、溫度檢測(cè)、步進(jìn)電機(jī)控制、分瓶器、蠕動(dòng)泵、存儲(chǔ)器、GPRS DTU、儲(chǔ)樣瓶、進(jìn)水管等部 分組成。CPU采用STC公司生產(chǎn)的STC12LE5A32S2,該 CPU和AT89C52的引腳完全兼容，除了 AT89C52功能外， 關(guān)鍵是內(nèi)部還有EEPROM、1 024 B的RAM、看門狗等，用 來(lái)保存數(shù)據(jù)和防止程序跑飛，而不需要另外再增加硬件成本。 系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

2.1提升泵控制電路設(shè)計(jì)

提升泵的作用是當(dāng)污水離采樣器較遠(yuǎn)時(shí)，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即可，提升泵的控制電路如圖 3 所示。

2.2蠕動(dòng)泵和分瓶器模塊的設(shè)計(jì)

為了將污水抽入瓶中，采用蠕動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)，蠕動(dòng)泵內(nèi)壓有 軟管，通過蠕動(dòng)泵不斷對(duì)軟管的擠壓，這樣實(shí)現(xiàn)污水的采樣。 為了控制蠕動(dòng)泵采樣污水的量，設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制, 控制電路如圖4所示。通過測(cè)量步進(jìn)電機(jī)每100步對(duì)應(yīng)的采樣 量，然后推算出實(shí)際需采樣的量對(duì)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(duì)應(yīng)的瓶口處，便于將污水采樣到對(duì)應(yīng)瓶中，本子系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)搖臂實(shí)現(xiàn)，同樣通過控制其步數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)搖臂的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)位置的精確控制。

2.3 時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)

采樣高精度時(shí)鐘電路 SD2068，用來(lái)保存數(shù)據(jù)的時(shí)間和進(jìn)行時(shí)間流量等比例采樣等使用。時(shí)鐘電路如圖 5 所示。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用鐵電存儲(chǔ)器 MB85RC256 實(shí)時(shí)保存設(shè)置的參數(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)采集到的各實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及采樣記錄。MB85RC256 是采用先進(jìn)的高可靠性的鐵電材料加工制成的 256 Kb 鐵電非易失性存儲(chǔ)器，能像 RAM 一樣快速讀寫，同時(shí)掉電后數(shù)據(jù)可保存 10 年，采用標(biāo)準(zhǔn) I2C 接口與單片機(jī)連接。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路如圖 6 所示。

2.5 串口通訊模塊設(shè)計(jì)

串口通訊用于實(shí)現(xiàn)與 GPRS、液晶等的通信，以采樣RS232 接口，其電路如圖 7 所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)流程主要包括時(shí)間溫度顯示、工作模式選擇及相應(yīng)的控制程序。其軟件設(shè)計(jì)流程如圖 8 所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本科研項(xiàng)目的研究通過模擬試驗(yàn)和多家用戶的使用，各方面的技術(shù)指標(biāo)都符合設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)該科研項(xiàng)目的硬件和軟件已設(shè)計(jì)完成，各項(xiàng)指標(biāo)的調(diào)試也已結(jié)束。在企業(yè)已經(jīng)投入生產(chǎn)和推廣，并申請(qǐng)了專利。

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