一種綜合水處理裝置的物聯網技術改造

裴靜++尹曙輝

摘 要：對水環境處理的環保設備進行網絡化、智能化和現代化改造是大勢所趨。基于物聯網技術的綜合水處理裝置改造研究項目，針對無線水環境監測系統和污水處理設備的智能化設計改造，主要是構建基于ZigBee協議無線傳感網技術的環境信息采集系統，同時有手機射頻通信和短信報警功能。依據信息采集后集中反映在監控上位PC機，數據經過射頻發送到移動處理裝置的觸摸屏中，嵌入觸摸屏監控技術、伺服電機、變頻器控制等現代電工技術，實現了實時參數信息顯示與設備即時控制。

關鍵詞：無線組網 監測傳感 射頻技術 PLC技術 觸摸屏控制

中圖分類號：TP30 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（a）-0012-04

該項目為利用物聯網技術將現場參數信息采集到位（作為環保設備運行的依據），系統集成運算后實現現場監控和智能處理的工作。傳感技術綜合采用單參數和整合型自動化信號采集儀器，采集點用低速網絡協議，實現組網。通過對比預設定參數運算處理后，系統控制自動化控制裝置實現自動處理。主要通過PLC、變頻器等控制設備對執行機構的控制，控制對象主要有電機帶動的泵（控制其流量和壓力）、伺服電機（控制轉矩、位置、轉速等等機械參數）、電磁閥、電機的調速等等。

1 水環境監測物聯技術的組網

1.1 整體方案設計

環境監測主要有若干個固定式監測點和浮動監測點組成。固定監測點的布置依據是河流斷面、行政交接點、主要污染源監控點。浮動監測點主要布置在湖泊中間面、河湖斷面以及飲用水水源地等。固定點的水質監測選用現成的檢測設備[1]。該項目選用了德國ADCON的型號為Adcon_WQ？的在線多參數監測設備。浮動監測點由于考慮到實際工作環境與壽命等因素，只能檢測部分主要參數，每個檢測點就是一個節點，防水防風防腐蝕以及保持正常工作是浮動檢測點的關鍵。通過太陽能提供工作電力，浮標搭載監測PH值、濁度、總氮、總磷、溫度等參數，必要的時候可以設置GPS定位系統[2]。每個節點通過ZigBee協議組網，通過網關將數據發送到上位PC機，實現室內監控。必要的時候可以接入互聯網，實現多處遠程查看。為了實現信息無線傳輸到無網絡的移動環保設備中以及信息及時傳送到操控工人手機中去，PC機通過RS232串口線外接單片機，單片機再與T35、NRF24L01G連接，分別實現GSM短信收發功能和數據信息射頻傳送功能。 整體設計方案圖見圖1所示。

1.2 數據采集系統

固定監測點采用ADCON監測網絡硬件設備組成有：遙測數采（RTU）、傳感器、網關基站、服務器PC終端等。每個監測點就是一個節點，其以遙測數采為核心完成數據的采集和傳輸，傳輸的途徑可以無線模式和GPRS模式。基站通信用GPRS模式，可以分布各地，從極限值來講，每個網管基站可以組建高達1 000個遙測數采[3]。

1.3 組網協議及設計

無線網絡的路由協議是在一定的帶寬范圍內合理有效的使用，除此之外，還能根據當時的信息情況選擇最優路徑。由于節點是移動的，一般是干電池或者太陽能供電，要求協議的能量消耗要小。當前ZigBee協議常見的有基于能量、協商、層次的3種協議[4]。

此次設計選用了基于層次路由的協議，在應用層常見的有4種：低能量自適應聚簇分層（LEACH）、節能的閾值敏感的傳感器網絡協議（TEEN）、兩層數據發布（TTDD）、自適應周期閥值敏感性節能傳感器網絡協議（APTEEN）。在這其中，此次設計選擇了APTEEN協議。

1.4 STC12C5A60S2及通信設計

單片機STC12C5A60S2與T35通信模塊是用于實現數據和短信通信[5]。除了把主要數據發送到指定手機用戶，用戶也可以發送指令通過T35給單片機，NRF24L01G射頻收發器是將檢測數據發送到可以移動的水處理設備的觸摸屏上，以便工作人員實時觀察檢測數據而相應做出操作。單片機STC12C5A60S2與T35、NRF24L01G連接電路如圖所示，“選擇”鈕和“增、減”等按鈕可以設置發送間隔時間、參數設定現值等有關參數的。外接一個12864液晶顯示屏用作顯示。主電路結構設計如圖2所示，程序設計流程圖見圖3。

1.5 組網編程設計

CC2530的點點通信和串口通信主要參數：直接序列擴頻方式；數據速率達250 kbps；碼片速率達2 Mchip/s；硬件可支持自動幀格式生成、同步插入與檢測、10 bit的CRC校驗、電源檢測、完全自動MAC層保護；-94 dBm高接收靈敏度；39 dB抗鄰頻道干擾能力。

2 水處理裝置的現代化改造

2.1 改造前的格柵除污裝置

格柵除污裝置是一種格柵除污裝置，用于各種原水、取水口、污泵站，通常用作前道清污工具，可清除大容量雜物，保護電站、污水或原水廠的重要設備或下游水泵。原始產品由3部分組成：懸掛單軌系列、移動小車和抓爪裝置等組成[6]。裝有彈簧的擺動限位可以使耙斗保持在上部。

2.2 改造后的電氣結構圖

此次設計主要是引入觸摸屏、伺服電機等現代化電工技術。控制端沿用原來的按鈕控制以外，加入了觸摸屏顯示和控制技術：即面板按鈕控制與觸摸屏觸點控制雙重控制。上、下、左、右以及循環次數等都將顯示在觸摸屏上，主要有上下、左右點動控制直到觸發相應限位開關停止，投放相關試劑、攪拌時間以及電磁閥放流時間都在觸摸屏上實現。總體設計框架如圖4所示。

2.3 各器件及設置

此次設計中使用三菱變頻器由PLC控制。變頻器工作方式選用外部方式（P79=0或者2），產品設計中選用3段速（高速、中速、低速）每個速度的頻率可自行調控過P4、P5、P6的參數設置。提速、降速時間分別由P7、P8來設定，額定保護電流由P3來設定。主要涉及到的參數設置見表1 。

觸摸屏用的是北京昆侖通態型號為TPC1262Hi的觸屏，進行串口父設備通訊參數、驅動構件基本參數的設置。主要設置波特率、通信口、校正位、校驗位等等，此次設計是串口通信，接PLC，波特率9 600 bps，采集周期為1 s，數據位為7，停止位為1，偶檢驗方式。交流伺服電機是松下A4伺服電機，具體設置有效參數見表2。

3 結論

此設計整合了物聯技術與水處理技術裝置，應用ZigBee組網、C語言編程、GSM短信等技術實現硬件和軟件相匹配的課題實踐研究。此次設計具有以下幾個特點。

（1）硬件電路設計結構化、模塊化，把物聯網技術與水處理技術有機結合，易于系統的移植和維護。

（2）使用的人機界面友好，有用戶權限設置，須輸入密碼，界面操作方便、效率高。

（3）設計中有雙重無線通信：GSM短信通知到用戶手機和射頻收發顯示在觸摸屏，重要參數指標可以同時顯示在手機和觸摸屏屏幕上。

（4）設計中應用了險情自動短信報警、屏幕報警，同時有自動斷電保護功能、全息主動短信和被動查詢回復功能。

參考文獻

[1] 王付浩.面向水環境監測的無線傳感器網絡技術研究[D].秦皇島：燕山大學，2015.

[2] 徐沾偉.多參數在線水質傳感器的研究與實現[D].武漢：武漢大學，2012.

[3] 楊寶.基于GPRS遠程無線通信的水溫水位采集和控制卡的設計研究[D].濟南：山東師范大學，2014.

[4] 李煜民，于芳，王魯達.基于數據預處理的ZigBee協議物聯網組網技術研究[J].網絡安全技術與應用，2014（10）：9-11.

[5] 劉新輝，陳金鵬，劉新光.基于GPRS的水質參數無線監測系統設計[J].工業儀表與自動化裝置，2013（1）：27-30.

[6] 陳紅衛，傅仁浦，王新剛，等.格柵除污機缺陷原因分析及應對措施[J].設備管理與維修，2013（S2）：51-54.