刷卡排污遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控采樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)污水對(duì)環(huán)境的影響問題日益突出。人們對(duì)企業(yè)排放的污水流量進(jìn)行監(jiān)控的同時(shí)，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(shí)現(xiàn)對(duì)污水排放的控制，是本論文的研究內(nèi)容之一；對(duì)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(tái)，便于省市縣三級(jí)聯(lián)網(wǎng)，是本論文研究的內(nèi)容之三。

計(jì)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(dòng)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(fèi)的刷卡排污遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(tái)，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)排污的控制，并對(duì)監(jiān)測(cè)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(tái)、現(xiàn)場(chǎng)控制器兩大部分組成。其中，中心平臺(tái)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(chǎng)控制器部分實(shí)現(xiàn)污水的流量、COD、氨氮等監(jiān)測(cè)因子的采集，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與中心平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換?，F(xiàn)場(chǎng)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(gè)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(dú)立工作，以分別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、刷卡控制、污水采樣，同時(shí)三大子系統(tǒng)又可以與中心平臺(tái)協(xié)調(diào)工作,實(shí)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(gè)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(jiān)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。在本系統(tǒng)中，中心平臺(tái)和現(xiàn)場(chǎng)控制器之間的通訊通過GPRS實(shí)現(xiàn)。另外對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)通訊。

1.3總量計(jì)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(duì)他們的監(jiān)測(cè)由相應(yīng)的一次儀表實(shí)現(xiàn)，而對(duì)應(yīng)的排放總量為污染物濃度與對(duì)應(yīng)的廢水流量的乘積。以分鐘為控制單位，式(1)為其計(jì)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(tái)設(shè)置相關(guān)污染物因子的月排放允許量來實(shí)現(xiàn)對(duì)排污的控制。

2現(xiàn)場(chǎng)控制器的設(shè)計(jì)

2.1數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(chǔ)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(shí)現(xiàn)對(duì)污水流量、COD、氨氮等信號(hào)采集、顯示，并在中心平臺(tái)和刷卡控制子系統(tǒng)、污水采樣子系統(tǒng)之間實(shí)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(chǔ)器和512KB的閃存，具有豐富的接口，如：5個(gè)USART、2個(gè)I2C、3個(gè)SPI、1個(gè)RTC、1個(gè)USB、1個(gè)CAN、1個(gè)SDIO、4個(gè)通用16位定時(shí)器和2個(gè)PWM定時(shí)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(jì)算和控制。

通過STM32F103VE6芯片的SPI接口與SD卡連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的保存，具體包括監(jiān)測(cè)因子的分鐘數(shù)據(jù)、小時(shí)數(shù)據(jù)、日數(shù)據(jù)、月數(shù)據(jù)、年數(shù)據(jù)等。便于實(shí)時(shí)查詢。

該子系統(tǒng)采用STM32F103VE6芯片的RTC作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘，為保證實(shí)時(shí)時(shí)鐘在市電掉電后還能正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)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(hào)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(gè)SPI口進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

本文所設(shè)計(jì)的AD采集模塊可以采集8路4?20mA/0?5V的模擬信號(hào)，便于現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)一次儀表的接入。

2.1.3串口擴(kuò)展模塊

STM32F103VE6芯片有5個(gè)USART,其中一個(gè)與GPRSDTU通訊，一個(gè)與工業(yè)串口屏通訊，還有3個(gè)串口。但是現(xiàn)場(chǎng)一次儀表有時(shí)有多個(gè)，這時(shí)串口就不夠用了，為了保證現(xiàn)場(chǎng)一次儀表能全部連接到本子系統(tǒng)，因此需對(duì)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(gè)全雙工的標(biāo)準(zhǔn)串口擴(kuò)展成5個(gè)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(jì)

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(shí)鐘(SD2058)、液晶(12864)、獨(dú)立式按鍵和單片機(jī)(STC12C5A32S2)組成。該部分主要功能是實(shí)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(chǎng)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(tái)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(shí)時(shí)接收中心平臺(tái)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(shí)時(shí)扣除，當(dāng)允許量為0時(shí)，進(jìn)行關(guān)閥處理。亦可實(shí)時(shí)接收中心平臺(tái)發(fā)送的開閥命令或關(guān)閥命令實(shí)現(xiàn)開關(guān)閥。開關(guān)閥電路由繼電器觸點(diǎn)實(shí)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(jì)

污水采樣子系統(tǒng)主要由單片機(jī)(STC12C5A32S2)、時(shí)鐘(SD2058)、工業(yè)串口屏(DMG80480C070_01WT)、溫度檢測(cè)(18B20)、泵控制、步進(jìn)電機(jī)控制、存儲(chǔ)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(tái)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各污染物因子的濃度值，與上限進(jìn)行比較，當(dāng)超標(biāo)時(shí)發(fā)送采樣命令。該子系統(tǒng)在接收到采樣命令后，及時(shí)進(jìn)行污水的采樣，并記錄下采樣時(shí)間和存儲(chǔ)瓶號(hào)。該子系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)時(shí)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(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就可以啦。

2.3.2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。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)來實(shí)現(xiàn)搖臂的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)位置的精確控制。

3中心平臺(tái)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)

中心平臺(tái)監(jiān)控軟件為基于.Net平臺(tái)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(tái)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(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制器實(shí)時(shí)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，保存到數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)將控制命令下發(fā)給對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)控制器。

web服務(wù)器軟件主要目標(biāo)包括以下幾點(diǎn):

實(shí)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(chǎng)控制器采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)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(shí)，實(shí)施總量控制措施(即關(guān)閉污染源排污口閥門)。

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

實(shí)現(xiàn)定向監(jiān)管：根據(jù)職能部門對(duì)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(shí)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(fèi)更公正、便捷。

實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化執(zhí)法：通過此系統(tǒng)，對(duì)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(shí)現(xiàn)關(guān)閥，從而進(jìn)一步強(qiáng)化環(huán)保部門對(duì)違法排污企業(yè)的行政執(zhí)法手段。

為此，中心平臺(tái)主要包括：企業(yè)信息管理功能；實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)排放數(shù)據(jù)、以動(dòng)態(tài)圖的形式顯示污染源的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、坐標(biāo)顯示污染源地理位置等)；趨勢(shì)預(yù)判分析及報(bào)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(yùn)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(jì)的一種刷卡排污監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)控各監(jiān)測(cè)因子濃度和總量，通過控制閥門開關(guān)實(shí)現(xiàn)排污剛性控制，并對(duì)超標(biāo)排放進(jìn)行采樣，與一般排污控制系統(tǒng)相比，收費(fèi)更合理，控制更科學(xué)，能實(shí)現(xiàn)省市縣三級(jí)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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