基于物聯網技術的工業污染總量控制系統的研究

顧浩++徐宏飛++陳衛兵

摘 要：針對國家節能減排以及對工業污水排放的監測監控要求，利用物聯網技術和現代遠程監控技術設計了一種工業污染總量控制系統。該系統采用物聯網技術進行遠程通訊，以安裝在環保部門的中心平臺為核心，將現場總量控制器實時采集的工業污水流量以及化學需氧量、氨氮等多種監測因子的濃度轉換成污染總量來剛性控制閥門的開關。與傳統的單獨流量控制相比，控制依據更合理，手段更先進。現場長時間運行表明，本系統采集誤差小于1‰，通訊傳輸率達到99%以上，運行穩定可靠，并為環保物聯網的建立奠定了基礎。

關鍵詞：物聯網；工業污染；總量控制系統；遠程通訊

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

《國家環境保護“十二五”規劃》中，對化學需氧量（COD）、氨氮、二氧化硫、氮氧化物均提出了明確的減排指標。目前污染物總量控制以環境質量目標為基本依據，國家政府環保管理機構以行政手段對區域內各污染源的污染物或重點污染物的排放總量實施控制，而隨著排放污染物的增加和不斷變化，迫切需要通過工業信息化手段來解決污染物的總量控制。基于物聯網技術的工業污染總量控制系統以工業級平板電腦為核心，配以AD、開關量、通訊等模塊對污染物中各監測因子的濃度進行實時采集，并與采集到的實時流量一起計算，得到各監測因子的瞬時排放量，進而計算得到各監測因子的日、月、年的排放總量，為環保提供一種合理有效的監測監控依據，并利用物聯網技術實現遠程控制。

1 系統總體架構和工作原理

1.1 系統總體架構

本系統的總體架構如圖1所示，主要由安裝在環保部門的總量控制平臺和安裝在企業現場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絡鏈接。

總量控制平臺分為前端通信程序、數據庫、監控平臺軟件三大部分。前端通信軟件主要實現總量控制平臺和總量控制裝置的對接，并將數據進行解析保存在數據庫里，便于監控平臺軟件進一步處理并呈現。同時用戶通過監控平臺軟件下發的控制命令，亦通過前端通訊程序下發給總量控制裝置。

總量控制裝置由總量控制器、數據采集控制器組成，數據采集控制器主要采集一次儀表的模擬量輸出信號，計算得到相應因子的實時數據，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時數據，然后對數據進行匯總、存儲后，以GPRS等無線方式或有線方式與總量控制平臺進行數據交換。當接收到控制閥門命令時，通過數據采集控制器實現閥門控制。

圖1 系統總體架構

1.2 物聯網技術

物聯網是指按約定協議，通過多種信息傳感設備將物品與互聯網相連接進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、監控和管理等的一種網絡技術[1]。

GPRS技術等現代通訊技術的不斷發展為物聯網的建立奠定了堅實的網絡基礎。在本系統中，總量控制平臺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現。現場數據采集控制器和總量控制器之間采用RS 232通訊，若距離遠，亦可采用無線RS 232方式、ZigBee方式等物聯網技術實現通訊。

1.3 總量計算

現場由相應的一次儀表實現對諸如COD、氨氮等工業污染因子的實時在線監測，通過將各監測因子的濃度和污水的流量進行乘積得到相應的總量。本系統以分鐘為計算單位，計算方法見公式（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）。

本系統由總量控制平臺設置相關污染物因子的月排放允許量來實現對排污的控制。

2 總量控制裝置的設計

2.1 總量控制裝置的總體設計

總量控制裝置的總體結構如圖2所示。總量控制器由工業級平板電腦、刷卡模塊、無線通信模塊、短信模塊、數據采集控制器組成。

2.2 數據采集控制器

由于一次儀表有的是模擬量輸出，有的是數字量輸出，為了采集一次儀表的模擬量信號并實現閥門控制，及采集相關開關量信號的設備工況，故設計了具有AD采集和IO輸入輸出的數據采集控制器。

數據采集控制器以STM32F103RBT6為核心，該芯片是意法半導體（ST）公司出品的一款32位ARM微控制器[2]，其內核是Cortex-M3，最高達72 MHz的工作頻率，接口非常豐富，運算速度快，非常適合應用于計算和控制方面。

為了提高AD的采集精度，故使用精度高達24位的德州儀器（TI）高精度模數轉換器ADS1256進行外擴，該芯片采樣速率最高可達30 K/s，采用SPI方式與MCU通訊。模塊可以同時采集8路模擬量，模擬信號兼容420 mA、020 mA、15 V、05 V多種類型，考慮到工業環境的復雜性，模塊具備信號隔離、抗干擾等功能。為保證數據采集的準確性，采集十個樣本值，去掉最大值和最小值，使用剩下的計算平均值。實踐證明，數據的實際采集誤差完全控制在1‰以內。AD采集模塊結構圖如圖3所示。

數據采集控制器直接采用STM32F103RBT6的IO口，通過光電隔離進行擴展，實現開關量信號的采集和閥門等的控制。本系統具有32路開關量狀態檢測和16路常開無源觸點輸出。開關量輸入電路如圖4所示，開關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。現場控制器通過RS 232連接DTU實現與GPRS網絡的雙向透明傳輸，GRPS 數據傳輸單元（Data Terminal Unit，DTU）是一種物聯網無線數據終端，利用公用運營商網絡GPRS網絡（又稱G網）為用戶提供無線長距離數據傳輸功能。DTU采用工業級嵌入式處理器，內嵌TCP/IP協議棧，具有高速、穩定可靠，數據終端永不掉線的特點。無線通信模塊總體結構如圖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，該部分可實現刷卡充值功能。刷卡充值有以下兩種方式：

（1）通過現場刷卡將排污允許量輸入到總量控制系統，并保存在平板電腦中。

（2）通過中心平臺遠程充值后下發給總量控制系統，并與剩余值進行累加保存。

3 總量控制平臺軟件的設計

總量控制平臺軟件主要包括監控平臺軟件、數據庫以及前端通訊程序。

前端通訊程序通過GPRS或有線通訊實現解析現場總量控制系統發來的數據，并將其保存到數據庫中，同時將控制命令下發給對應的現場總量控制系統。為了實現與眾多現場總量控制系統的數據并發接收處理，本系統設計時選用Java語言開發，并采用網絡套接字（Socket）技術[4]。具體步驟如下：

（1）由總量控制平臺創建套接字（Socket）。

（2）等待現場端連接端口，并綁定端口號。

（3）前端通訊程序接收到現場端的連接請求后，調用Accept函數來建立與現場端的通信。

（4）通信建立成功后，通過Read或Write函數進行讀寫。

在具體的實施過程中，由于網絡原因會導致一些進程等待，造成網絡擁塞，為此設置進程計數器，當等待進程超過一定數量時（如500個），則釋放被阻塞的所有進程，重新創建Socket。

監控平臺軟件為基于.Net平臺的Windows應用程序，采用C#語言開發，數據庫使用SQL Server2008，主要目標包括總量控制、定額分配、定向監管、智能控污、強化執法[5]。通過發放排污許可證數據，以實時采集的總量數據為依據，對工業污染排放總量進行監控，根據企業的實際排放情況，在許可到期換證時，對企業合理分配排污權。對長期超標排放或超標嚴重的企業，從技術上實現關閥，進一步強化環保部門對違法排污企業的行政執法手段，同時也有益于企業轉型升級。為此，監控平臺軟件包括如下功能：

（1）企業信息展示。

（2）實時數據分析及報表匯總和圖表呈現。

（3）趨勢預判。

（4）IC卡管理。

（5）遠程控制、遠程參數設置等。

（6）運營與維護管理。

4 結 語

本系統應用物聯網技術，結合環保部門核發的企業排污許可信息，通過實時監控企業工業污染排放總量為節能減排提供了有效的監管手段。通過長期現場運行，該系統性能穩定、可靠，實施方便，具有很好的靈活性和擴展性。該技術收費更合理，控制更科學，可實現國家、省、市、縣多級聯網，并可推廣到煙氣排放總量監測中，為環保物聯網的建立奠定了基礎，具有廣闊的發展前景。

參考文獻

[1]鄧文蓮.基于物聯網的煙囪廢氣數據采集和監控系統設計[J].計算機測量與控制，2012，20（11）：2955-2958.

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

[3]劉天成.基于FM1702SL的USB接口的RFID讀卡器的設計[J].赤峰學院學報（自然科學版），2009，25（6）：37-38.

[4]束慧.基于物聯網技術的污水處理過程動態監控系統[J].計算機測量與控制，2014，22（8）：2441-2443.

[5]陳衛兵，束慧.基于物聯網技術的排污自動控制系統的設計[J].南通職業大學學報，2012，26（1）：72-76.