基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)污染總量控制系統(tǒng)的研究

顧浩++徐宏飛++陳衛(wèi)兵

摘 要：針對(duì)國家節(jié)能減排以及對(duì)工業(yè)污水排放的監(jiān)測(cè)監(jiān)控要求，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)代遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)設(shè)計(jì)了一種工業(yè)污染總量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊，以安裝在環(huán)保部門的中心平臺(tái)為核心，將現(xiàn)場(chǎng)總量控制器實(shí)時(shí)采集的工業(yè)污水流量以及化學(xué)需氧量、氨氮等多種監(jiān)測(cè)因子的濃度轉(zhuǎn)換成污染總量來剛性控制閥門的開關(guān)。與傳統(tǒng)的單獨(dú)流量控制相比，控制依據(jù)更合理，手段更先進(jìn)。現(xiàn)場(chǎng)長時(shí)間運(yùn)行表明，本系統(tǒng)采集誤差小于1‰，通訊傳輸率達(dá)到99%以上，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，并為環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)的建立奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；工業(yè)污染；總量控制系統(tǒng)；遠(yuǎn)程通訊

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

《國家環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃》中，對(duì)化學(xué)需氧量（COD）、氨氮、二氧化硫、氮氧化物均提出了明確的減排指標(biāo)。目前污染物總量控制以環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)為基本依據(jù)，國家政府環(huán)保管理機(jī)構(gòu)以行政手段對(duì)區(qū)域內(nèi)各污染源的污染物或重點(diǎn)污染物的排放總量實(shí)施控制，而隨著排放污染物的增加和不斷變化，迫切需要通過工業(yè)信息化手段來解決污染物的總量控制。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)污染總量控制系統(tǒng)以工業(yè)級(jí)平板電腦為核心，配以AD、開關(guān)量、通訊等模塊對(duì)污染物中各監(jiān)測(cè)因子的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并與采集到的實(shí)時(shí)流量一起計(jì)算，得到各監(jiān)測(cè)因子的瞬時(shí)排放量，進(jìn)而計(jì)算得到各監(jiān)測(cè)因子的日、月、年的排放總量，為環(huán)保提供一種合理有效的監(jiān)測(cè)監(jiān)控依據(jù)，并利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

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)的總體架構(gòu)如圖1所示，主要由安裝在環(huán)保部門的總量控制平臺(tái)和安裝在企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總量控制裝置兩大部分組成，二者之間通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)鏈接。

總量控制平臺(tái)分為前端通信程序、數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控平臺(tái)軟件三大部分。前端通信軟件主要實(shí)現(xiàn)總量控制平臺(tái)和總量控制裝置的對(duì)接，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析保存在數(shù)據(jù)庫里，便于監(jiān)控平臺(tái)軟件進(jìn)一步處理并呈現(xiàn)。同時(shí)用戶通過監(jiān)控平臺(tái)軟件下發(fā)的控制命令，亦通過前端通訊程序下發(fā)給總量控制裝置。

總量控制裝置由總量控制器、數(shù)據(jù)采集控制器組成，數(shù)據(jù)采集控制器主要采集一次儀表的模擬量輸出信號(hào)，計(jì)算得到相應(yīng)因子的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過RS 232接口與總量控制器通訊，總量控制器亦可通過RS 232/485接口與一次儀表直接通訊以獲取各類因子的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、存儲(chǔ)后，以GPRS等無線方式或有線方式與總量控制平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)接收到控制閥門命令時(shí)，通過數(shù)據(jù)采集控制器實(shí)現(xiàn)閥門控制。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是指按約定協(xié)議，通過多種信息傳感設(shè)備將物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、監(jiān)控和管理等的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]。

GPRS技術(shù)等現(xiàn)代通訊技術(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，總量控制平臺(tái)和總量控制裝置之間的通訊采用GPRS、有線等多種通訊方式實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集控制器和總量控制器之間采用RS 232通訊，若距離遠(yuǎn)，亦可采用無線RS 232方式、ZigBee方式等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)通訊。

1.3 總量計(jì)算

現(xiàn)場(chǎng)由相應(yīng)的一次儀表實(shí)現(xiàn)對(duì)諸如COD、氨氮等工業(yè)污染因子的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，通過將各監(jiān)測(cè)因子的濃度和污水的流量進(jìn)行乘積得到相應(yīng)的總量。本系統(tǒng)以分鐘為計(jì)算單位，計(jì)算方法見公式（1）：

Di= Ci×Qi×10-6 （1）

式中，Di為第 i分鐘污染物排放總量（kg/h）；Ci為第i分鐘污染物濃度值（mg/L）；Qi為第i分鐘廢水排放量值（m3/h）。

本系統(tǒng)由總量控制平臺(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 總量控制裝置的設(shè)計(jì)

2.1 總量控制裝置的總體設(shè)計(jì)

總量控制裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。總量控制器由工業(yè)級(jí)平板電腦、刷卡模塊、無線通信模塊、短信模塊、數(shù)據(jù)采集控制器組成。

2.2 數(shù)據(jù)采集控制器

由于一次儀表有的是模擬量輸出，有的是數(shù)字量輸出，為了采集一次儀表的模擬量信號(hào)并實(shí)現(xiàn)閥門控制，及采集相關(guān)開關(guān)量信號(hào)的設(shè)備工況，故設(shè)計(jì)了具有AD采集和IO輸入輸出的數(shù)據(jù)采集控制器。

數(shù)據(jù)采集控制器以STM32F103RBT6為核心，該芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品的一款32位ARM微控制器[2]，其內(nèi)核是Cortex-M3，最高達(dá)72 MHz的工作頻率，接口非常豐富，運(yùn)算速度快，非常適合應(yīng)用于計(jì)算和控制方面。

為了提高AD的采集精度，故使用精度高達(dá)24位的德州儀器（TI）高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1256進(jìn)行外擴(kuò)，該芯片采樣速率最高可達(dá)30 K/s，采用SPI方式與MCU通訊。模塊可以同時(shí)采集8路模擬量，模擬信號(hào)兼容420 mA、020 mA、15 V、05 V多種類型，考慮到工業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，模塊具備信號(hào)隔離、抗干擾等功能。為保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，采集十個(gè)樣本值，去掉最大值和最小值，使用剩下的計(jì)算平均值。實(shí)踐證明，數(shù)據(jù)的實(shí)際采集誤差完全控制在1‰以內(nèi)。AD采集模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集控制器直接采用STM32F103RBT6的IO口，通過光電隔離進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)開關(guān)量信號(hào)的采集和閥門等的控制。本系統(tǒng)具有32路開關(guān)量狀態(tài)檢測(cè)和16路常開無源觸點(diǎn)輸出。開關(guān)量輸入電路如圖4所示，開關(guān)量輸出控制電路如圖5所示。

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊采用GPRS DTU。現(xiàn)場(chǎng)控制器通過RS 232連接DTU實(shí)現(xiàn)與GPRS網(wǎng)絡(luò)的雙向透明傳輸，GRPS 數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Terminal Unit，DTU）是一種物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)終端，利用公用運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)GPRS網(wǎng)絡(luò)（又稱G網(wǎng)）為用戶提供無線長距離數(shù)據(jù)傳輸功能。DTU采用工業(yè)級(jí)嵌入式處理器，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，具有高速、穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)終端永不掉線的特點(diǎn)。無線通信模塊總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.4 刷卡模塊

刷卡模塊主要由FM1702SL射頻讀寫器[3]、天線、IC卡組成，該部分可實(shí)現(xiàn)刷卡充值功能。刷卡充值有以下兩種方式：

（1）通過現(xiàn)場(chǎng)刷卡將排污允許量輸入到總量控制系統(tǒng)，并保存在平板電腦中。

（2）通過中心平臺(tái)遠(yuǎn)程充值后下發(fā)給總量控制系統(tǒng)，并與剩余值進(jìn)行累加保存。

3 總量控制平臺(tái)軟件的設(shè)計(jì)

總量控制平臺(tái)軟件主要包括監(jiān)控平臺(tái)軟件、數(shù)據(jù)庫以及前端通訊程序。

前端通訊程序通過GPRS或有線通訊實(shí)現(xiàn)解析現(xiàn)場(chǎng)總量控制系統(tǒng)發(fā)來的數(shù)據(jù)，并將其保存到數(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)總量控制系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)與眾多現(xiàn)場(chǎng)總量控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并發(fā)接收處理，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選用Java語言開發(fā)，并采用網(wǎng)絡(luò)套接字（Socket）技術(shù)[4]。具體步驟如下：

（1）由總量控制平臺(tái)創(chuàng)建套接字（Socket）。

（2）等待現(xiàn)場(chǎng)端連接端口，并綁定端口號(hào)。

（3）前端通訊程序接收到現(xiàn)場(chǎng)端的連接請(qǐng)求后，調(diào)用Accept函數(shù)來建立與現(xiàn)場(chǎng)端的通信。

（4）通信建立成功后，通過Read或Write函數(shù)進(jìn)行讀寫。

在具體的實(shí)施過程中，由于網(wǎng)絡(luò)原因會(huì)導(dǎo)致一些進(jìn)程等待，造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，為此設(shè)置進(jìn)程計(jì)數(shù)器，當(dāng)?shù)却M(jìn)程超過一定數(shù)量時(shí)（如500個(gè)），則釋放被阻塞的所有進(jìn)程，重新創(chuàng)建Socket。

監(jiān)控平臺(tái)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SQL Server2008，主要目標(biāo)包括總量控制、定額分配、定向監(jiān)管、智能控污、強(qiáng)化執(zhí)法[5]。通過發(fā)放排污許可證數(shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)采集的總量數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)工業(yè)污染排放總量進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)企業(yè)的實(shí)際排放情況，在許可到期換證時(shí)，對(duì)企業(yè)合理分配排污權(quán)。對(duì)長期超標(biāo)排放或超標(biāo)嚴(yán)重的企業(yè)，從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)關(guān)閥，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，同時(shí)也有益于企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。為此，監(jiān)控平臺(tái)軟件包括如下功能：

（1）企業(yè)信息展示。

（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析及報(bào)表匯總和圖表呈現(xiàn)。

（3）趨勢(shì)預(yù)判。

（4）IC卡管理。

（5）遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置等。

（6）運(yùn)營與維護(hù)管理。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合環(huán)保部門核發(fā)的企業(yè)排污許可信息，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控企業(yè)工業(yè)污染排放總量為節(jié)能減排提供了有效的監(jiān)管手段。通過長期現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，實(shí)施方便，具有很好的靈活性和擴(kuò)展性。該技術(shù)收費(fèi)更合理，控制更科學(xué)，可實(shí)現(xiàn)國家、省、市、縣多級(jí)聯(lián)網(wǎng)，并可推廣到煙氣排放總量監(jiān)測(cè)中，為環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)的建立奠定了基礎(chǔ)，具有廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧文蓮.基于物聯(lián)網(wǎng)的煙囪廢氣數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20（11）：2955-2958.

[2]王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[3]劉天成.基于FM1702SL的USB接口的RFID讀卡器的設(shè)計(jì)[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，25（6）：37-38.

[4]束慧.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的污水處理過程動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014，22（8）：2441-2443.

[5]陳衛(wèi)兵，束慧.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的排污自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].南通職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，26（1）：72-76.