真空污水處理智能監控系統設計

王力軍，張 虎，鮑文慧，于連棟

（合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院，合肥 230000）

隨著我國經濟水平的不斷提高，農村和城市的水污染也越來越嚴重[1]。傳統的污水收集處理方法多為由重力管網收集再集中處理的方式，近年來新興的真空污水收集處理系統，則是對傳統重力排污治污系統的一個重要創新和有力補充[2-3]。

真空污水收集處理系統主要由真空井、真空管網、真空站和污水處理站等組成。其中，真空井用于收集暫存附近的生活污水，多個真空井通過真空管網最終都連接到真空站和污水處理站。真空站內的真空泵等設備，負責將其周邊數百米內幾十個真空井內的污水收集到污水處理站，污水處理站再進行處理[4]。由于該系統設備繁多，覆蓋面積大，且需要全天候不間斷運行，人工進行監測控制和故障排查既不現實也不經濟，另外用戶用水量、設備功耗等數據是具有重要意義的信息。對此文中提出了一種智能遠程監測及自動控制系統。

1 系統總體設計

真空污水處理智能監控系統，以村為單位，監測并控制1個真空站和幾十個真空井，監控硬件設備在工業現場運行，監控結果則需要遠程查看、操作。為滿足這些要求，系統被劃分為1個真空站監控模塊、多個真空井監控模塊以及遠端監控軟件等幾部分，其整體方案如圖1所示。

圖1 系統整體方案Fig.1 Systems solutions

2 硬件方案設計

2.1 真空站監控板硬件方案設計

真空站監控模塊是監控系統的信息中轉節點，負責接收解析和處理遠端監控軟件下發的指令信息。真空站監控板硬件的設計方案如圖2所示，選用STM32F103CBT6作為真空站監控板的核心來實現其功能。

圖2 真空站監控板硬件方案Fig.2 Hardware solution of vacuum station monitoring board

2.1.1 關于主控芯片

STM32F10CBT6是意法半導體公司生產的32位微處理器，具有128 k Flash，20 k RAM，4個16位的定時器，36個I/O端口，2個看門狗以及各種串行接口等豐富的片上外設資源，采用LQFP 48封裝，占用空間非常小，在此主要使用其中的串口、I/O端口、內部定時器和看門狗等資源[5]。

2.1.2 電源電路設計

真空站監控板采用外部24 V直流電源輸入，電路板上還需要使用5 V、3.3 V等電源，考慮到該監控板需安裝在工業現場，電源電路的保護以及電源之間的隔離尤其重要，故設計了電源保護和電源隔離電路。

該電路使用二極管防止電源反接，使用瞬態抑制二極管和壓敏電阻以避免雷擊等極端情況的影響，并采用金升陽B_S系列隔離電源模塊。該系列產品是專門針對板上電源系統中需要產生一組與輸入電源隔離的電壓的應用場合而設計的[6]，選用B2405S和B0503S即可得到相互隔離的5 V、3.3 V電源以供電路使用。

2.1.3 通訊接口電路設計

真空站監控板作為網絡轉485模塊的485從機，主控芯片與網絡轉485模塊之間的通訊選用P3485。該芯片為3.3 V供電的低功耗半雙工RS485收發器[7]，將主控芯片的串口1與之對應連接，通過軟件編程即可間接實現真空站監控板與遠端監控軟件之間的通訊。

同時，真空站監控板也作為多個真空井監控板的485主機，選用TLP2362和MAX485來實現帶隔離的485通訊。TLP2362是東芝的高速光耦，其工作電壓為2.7～5.5 V，數據傳輸速率高達10 MBd，可以將真空站監控板主控芯片與485總線上的信號隔離，保護主控芯片[8]。MAX485是5 V供電的低功耗、限擺率、RS-485/RS-422收發器[9]。把主控芯片的串口2通過光耦，間接連接到MAX485接口芯片，以實現真空站監控板與多個真空井監控板之間的通信。

2.1.4 供電控制電路設計

為實現所有真空井設備通斷電的遠程控制，在此利用主控芯片的2個I/O端口、雙路光耦TLP521-2GB和三極管D882等器件，以及外接繼電器實現此功能。

2.2 真空井監控板硬件方案設計

真空井監控板是監控系統中的信息獲取節點，主要功能是根據真空井內的液位狀態自動控制電磁閥的打開與關閉，同時與遠端監控軟件進行通訊，并根據指令內容回復真空井內的狀態信息，或執行開閉閥門和修改時間參數等動作。真空井監控板硬件方案如圖3所示。該監控板同樣以STM32F 103CBT6為主控核心，完全可以滿足液位檢測、閥門控制以及遠程通訊等功能要求。

圖3 真空井監控板硬件方案Fig.3 Hardware solution of vacuum well monitoring board

2.2.1 電源與通訊接口電路設計

電源與通訊接口電路的設計方法與真空站監控板類似。電源部分使用B2405S，B0505S，B0503S，等得到相互隔離的5 V和3.3 V電源；通訊部分使用MAX485和TLP2362來實現帶隔離的485通訊。

需要注意的是，真空井監控板作為掛接在485總線上的從機，理論上來講，當通訊距離超過300 m時，需要在總線末端設備上使用120 Ω匹配電阻[10]。在此使用了1個跳線帽，實際需要接入終端匹配電阻時，合上跳線帽即可。

2.2.2 地址設置電路設計

每個真空井監控板作為真空站監控板的485設備掛接在總線上，與真空站監控板之間的通訊協議參考Modbus協議[11]制定，所以每個真空井監控板都需要一個獨一無二的Modbus地址，并且可以手動設置。在此，使用1個8位的撥碼開關和4.7 kΩ的排阻，連接到主控芯片的PA0～PA7口，設置相應的撥碼開關位就能設置真空井監控板的Modbus地址。

2.2.3 液位檢測電路設計

液位檢測電路相對比較簡單，使用的是液位開關，液位到達一定高度時液位開關閉合，低于該液位時液位開關斷開。故只需將液位開關的一個觸點接到地，另一個觸點通過上拉電阻接到主控核心的I/O端口，判斷該端口的電平高低狀態即可得到真空井內的液位信息。

2.2.4 閥門控制電路設計

電磁閥的合理控制是真空污水收集處理系統正常工作的重要保證。電磁閥工作電壓為24 V，工作電流約為200 mA。在此，使用主控芯片的1個I/O端口來控制光耦的通斷，光耦的通斷將引起三極管工作狀態的改變，進而控制電磁閥的開閉：光耦未導通時，三極管處于截止狀態，電磁閥不工作；光耦導通時，三極管處于深度飽和狀態，電磁閥被打開。其中光耦用于隔離主控芯片與電磁閥工作電路，保護主控芯片。

3 軟件方案設計

3.1 真空站監控板軟件設計

真空站監控板的主要功能是接收遠程Modbus指令，根據指令內容查詢所有真空井工作狀態，或開啟某個真空井的閥門，或修改某個真空井控制板的時間參數，或控制所有真空井的電源開關。真空站監控板整體軟件方案如圖4所示。

圖4 真空站監控板軟件方案Fig.4 Software solution of vacuum station monitoring board

由圖可見，首先進行串口，GPIO，定時器，看門狗等外部設備以及相關軟件參數的初始化，然后進入主循環，判斷是否接收到正確的遠程指令的標記（該標記在串口中斷中置位），如果該標記置位則根據指令內容執行相應子函數，然后清零接收標記并喂看門狗；若無接收標記，則只執行喂看門狗動作。

3.2 真空井監控板軟件設計

真空井監控板的主要功能是獲取真空井內的實時液位狀態，并根據該液位狀態以及設置的時間參數自動控制電磁閥的打開和關閉。同時，接收485總線上的數據，根據指令信息回復液位和電磁閥狀態，或開閉電磁閥，或修改時間參數等。真空井監控板整體軟件方案如圖5所示。

由圖可見，首先進行串口，定時器，GPIO，Modbus，井信息，延時，中斷分組，看門狗，等初始化操作，然后進入主循環，先調用電磁閥自動控制函數，根據液位狀態和時間參數控制電磁閥的開閉，再判斷是否接收到發給本機的遠程指令標記，若接收到則調用處理指令子函數，執行相應動作，再清零標記、喂看門狗；若未接收標記，則直接執行喂看門狗操作。

圖5 真空井監控板軟件方案Fig.5 Software solution of vacuum well monitoring board

3.3 遠端監控軟件設計

該監控系統的遠端監控軟件是基于Visual Studio 2010進行開發的，采用C++語言和MFC編程語言庫實現，在PC端運行，運行環境為Windows。利用該監控軟件，在電腦端即可實現多項目狀態監測和遠程控制，此外具有記錄歷史數據、修改參數、故障報警等功能。其主界界面如圖6所示。

圖6 電腦端監控軟件主界面Fig.6 Main interface of PC-end monitoring software

4 系統功能驗證

監控系統設計完成后，在新潭村的真空污水收集處理項目現場進行了現場安裝測試。

在該村落項目的真空站內安裝網絡轉485模塊和真空站監控板，在13個真空井內安裝真空井監控板并掛接到485總線上，為整個系統的設備供電。真空井監控板可以根據真空井內的實時液位狀態和設置的時間參數，自動控制電磁閥的打開和關閉；打開電腦端的監控軟件，就可以查看真空站內的各種設備以及所有真空井的液位和閥門狀態，也可以遠程控制某個設備的啟動或停止、閥門的打開和關閉、時間參數的修改等，基本實現了監測和遠程控制的功能。該項目部分監控數據如圖7所示。

圖7 實時監控數據Fig.7 Real-time monitoring data

5 結語

文中所設計的真空污水處理智能監測及控制系統包含真空站監控模塊、真空井監控模塊以及電腦端監控軟件，利用STM32單片機、485通信、網絡通信以及C++上位機軟件開發等關鍵技術，基本實現了對整個真空污水收集處理系統的遠程監測和控制功能，滿足合作單位的要求。目前，該監控系統已經在黃山拓達科技有限公司的多個真空污水收集處理項目中投入使用，實現了遠程監測和控制的功能，具有重要的實際意義。

參考文獻：

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[10]王書根，王振松，劉曉云.Modbus協議的RS485總線通訊機的設計及應用[J].自動化與儀表，2011，26（5）：25-28.

[11]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T19582—2008基于Modbus協議的工業自動化網絡規范[S].北京：中國標準出版社，2008.