基于“海綿城市”智能雨水回收凈化處理系統設計

羅超凡，冀 杰

（1.西南大學附屬中學，重慶 400700；2.西南大學工程技術學院，重慶 400715）

我國是一個嚴重缺水的國家，人均水資源量僅為世界平均水平的1/4，嚴重缺水城市近50個[1]。近年來，由于城鎮化建設速度的加快，城市內澇災害頻繁發生[2-3]，海綿城市為有效解決我國城市內澇與缺水并存難題提供了新途徑[4-5]。海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，下雨時吸水、蓄水、滲水和凈水，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用[6]。雖然海綿城市有效破解了城市逢雨必澇的難題，但耗資巨大[7-8]，不利于推廣應用。論文以重慶某坡地小區為例，基于Arduino開源開發平臺，設計“海綿城市”智能雨水凈化處理與回收系統，在降低雨水回收利用成本的同時，提高城市對暴雨的適應能力，緩解城市水資源緊缺的情況。

1 智能雨水回收凈化處理系統總體方案設計

智能雨水回收凈化處理系統的設計是基于Arduino mega2560開源開發平臺，主要由檢測系統、控制系統和GUI可視化圖形用戶操作界面組成。檢測系統由水位檢測模塊、雨水水質檢測模塊和電機轉速監測模塊組成，控制系統由測速模塊、攪拌模塊和絮凝劑定量添加模塊組成。系統總體流程如圖1所示。降雨時，當蓄集的雨水超過貯水池預定水位時，水位檢測裝置啟動，打開溢流閥，雨水流到溢流池，水位檢測裝置同時對溢流池水位進行檢測。此時，水質檢測模塊啟動，對貯存池雨水水質進行檢測，根據檢測的雨水水質參數，通過控制模塊的內置算法計算所需絮凝劑量，絮凝劑定量添加模塊向貯水池投加絮凝劑，啟動電機測速模塊和攪拌模塊攪拌，自動檢測模塊在絮凝過程中自動檢測水質，并將水質檢測數據和電機轉速通過串口通訊反饋信息至電腦，GUI可視化圖形用戶操作界面將收到的信息動態地顯示在顯示器上，便于有關人員監測。當攪拌達到設定時長后，攪拌結束，電機關閉，開始沉淀過程。在此期間，水質檢測數據繼續反饋至圖形界面，直至沉淀完成后，蜂鳴器發出提示音，綠色LED指示燈亮，屏幕顯示Process Complete，流程結束。

2 智能雨水凈化處理系統電路設計

智能雨水凈化處理系統基于Arduino mega2560開發平臺，由提示系統、檢測電路、定量添加電路和電機控制電路組成，如圖2所示。其中，提示系統由LED指示燈（紅、綠）和蜂鳴器構成，檢測電路包括水位監測電路、污水濁度檢測電路和電機測速電路。

圖1 智能雨水回收凈化處理系統設計流程圖

圖2 智能雨水凈化處理系統電路設計

2.1 智能雨水凈化處理系統檢測電路

該檢測電路包括水位監測電路、污水濁度檢測電路和電機測速電路。

2.1.1 水位監測電路

水位監測電路主要由AV39169微動開關、連桿和浮球構成，連桿長度固定，兩端分別連接浮球和開關，如圖3所示。 當雨水水位上升達到設計深度后，浮球完全浸沒，雨水產生的浮力推動連桿觸發微動開關，開關閉合，向下位機發出高電平信號，如圖2（g）所示，下位機接收到信號后開始污水處理。

圖3 水位監測電路

圖4 濁度檢測電路

2.1.2 污水濁度檢測電路

污水濁度檢測電路由10 kΩ光敏電阻、LED（470 nm藍光）、10 kΩ下拉電阻和保護殼構成，如圖4所示。LED發出的藍光穿過1 cm間隙后，經污水阻隔而衰弱，導致光敏電阻接收光強度比較小，光敏電阻阻值比較大，模擬信號強度比較弱，如圖2（d）所示，模擬信號經Arduino處理系統處理后作為濁度數據反饋回上位機。由于雨水中的不溶性顆粒物易損壞傳感器，所以，在傳感器外部設防護罩，其外表面與水流方向相反，在保護傳感器的同時防止不溶物穿過間隙，造成測量數據的波動，影響數據的準確性和穩定性。

2.1.3 電機測速電路

電機測速電路由FC-33紅外型光電開關和20柵格光碼盤構成，如圖2（f）所示。光電開關間隙被非透明物遮擋時信號為低電平，未被遮擋時為高電平。當電機轉動時，光碼盤柵板交替遮擋紅外線，光電開關反饋方波信號，Arduino通過算法分析信號得出轉速，并反饋至上位機。

2.2 定量添加電路

定量添加電路是基于絮凝劑與濁度關系（式1）確定絮凝劑的添加量，通過調用2個庫Servo.h和HX711.h，控制絮凝劑定量添加模塊，實現藥劑的精準傾倒。定量添加電路如圖2（c）所示，它是由2個伺服電機、梁式稱重傳感器和HX711模塊構成。HX711模塊是四通道AD和單通道DA的電壓輸出型A/D轉換模塊，8位精度，可將稱重傳感器的模擬信號轉換為數字信號，以提高精度。2個伺服電機呈上下分布，上層伺服電機與絮凝劑儲存裝置相連，下層伺服電機與梁式稱重傳感器連接。梁式稱重傳感器末端連接托盤，定量添加時，Arduino控制上層伺服電機緩慢將絮凝劑傾倒至下層稱重托盤，由絮凝劑定量添加模塊實時讀取稱重信息。當絮凝劑添加量達到預定值時，上層伺服電機停止傾倒并復位，下層伺服電機將稱重托盤中絮凝劑傾倒至蓄水池中，下層伺服電機復位，定量添加過程結束。

絮凝劑與濁度關系式為：

式（1）中：V為雨水體積；α為實驗常數；S為濁度；Sc為濁度修正常數（與設備有關，本裝置為150）。

2.3 電機控制電路

電機控制電路由額外9 V電源、MOSFET晶體管和防反峰壓二極管組成，如圖2（e）所示。由于電機為感性負載，在斷開瞬間會產生反峰電壓，擊穿晶體管，損壞電路，所以，在電機兩側反向并聯耐壓1 000 V二極管，以保護其他元件。

3 智能雨水凈化處理系統程序設計

上位機程序即圖形用戶界面使用Processing語言編寫，Processing語言是Java的擴展，支持很多現有的Java語言結構，使用方便。下位機程序即控制程序，使用C語言編寫。

3.1 濁度和電機轉速的測量與反饋

Arduino讀取光敏電阻的模擬信號并反饋回上位機，Serial.println()函數反饋數據完畢后會自動加上換行符“ ”，方便上位機程序逐個接收數據而不至于相鄰兩數據重合，上位機程序可按照數據類型將其歸類，避免數據混亂。通過millis()函數測得1.5 s的時間間隔，用計數器記得光柵交替次數。設轉速為n（rpm），光碼盤柵格數為k（個），時間為t（s），交替次數為C（次），在該裝置中，k＝20，t＝1.5 s，帶入式（2）化簡得n＝2C。程序每隔1.5 s測算一次轉速并反饋。

轉速計算公式為：

3.2 數據反饋

數據反饋使用串口通訊。反饋內容為dataType:data Value 。dataType，包括 sensorVal、motorSpeed、servo1、servo2和sensorLightState，可有效避免不同數據的混淆。換行符' '可避免因兩組數據合并而導致數據值分類、識別與轉化出錯。串口通訊使用Serial.print()函數，它會在反饋數據結束時自動在末尾添加換行符 。

3.3 數據的接收、分類與處理

該智能雨水凈化處理系統采用Processing語言編寫上位機程序，數據接收同樣使用串口通訊。在setup()中使用bufferUntil(' ')，以接收到換行符為條件觸發serialEvent()函數，分別接收2組以換行符分界的不同數據。在serialEvent()函數中利用split()函數，通過作為分割符號的冒號將數據前綴與數據值分離，并分別儲存在一個字符串類型的維數組的2個元素中，利用switch case語句辨認數據前綴并分類處理數據值。針對motorSpeed、sensorLightState、servo1和servo2型數據，需要將字符串類型的數據值轉換為整型并儲存在相應的變量中。對于default（即sensorVal）型數據，則將數據值字符串轉化為浮點數，如果上個數據與此數據的比值大于1.5，則判定數據超出誤差范圍，舍棄此數據，繼續使用上一個數據，以此減小誤差。

4 GUI可視化圖形用戶界面的設計

智能雨水凈化處理系統可視化圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）利用Processing語言將系統的各項信息（水質和時間變化關系、舵機的轉速與狀態等）直觀地顯示在電腦屏幕上，如圖5所示。用戶圖形界面主要由濁度圖像、數據欄、伺服電機開關狀態欄和電機轉速欄4個板塊組成。通過在setup()函數中調用bufferUntil()函數來檢測數據是否完整，再利用serialEvent()函數來接受并分析處理數據；利用split()函數將從串口傳輸的不同類型的數據分類顯示在GUI界面上；通過rect()函數對數據欄與開關狀態欄進行局部覆蓋，實現圖像的原位實時更新。為了方便檢測數據與渾濁程度的比較，在縱軸濁度的左側有比色條，為水質判斷提供更直觀的參考。

圖5 智能雨水處理系統GUI可視化圖形用戶界面

5 結論與展望

系統以雨水綜合管理與回收利用為目的，基于Arduino開源開發平臺，設計“海綿城市”理念的重慶住宅小區智能雨水收集與凈化處理系統，通過智能檢測、智能控制和GUI可視化圖形用戶操作界面實現貯水池水量調節和水質檢測、雨水處理和凈化回收的實時動態監控。系統界面友好、結構簡潔、操作簡單、成本低、體積小，既可以小范圍安裝運行，也可以采用聯網模式，實現雨水的大規模集中管理與調控。同時，該系統還可進一步開發為手機移動APP終端，以方便雨水收集與凈化處理的遠程管理。

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