從物聯網角度對農村生活污水處理系統的設計

江漢大學人工智能學院 陳廷玉 胡小波 夏銘遙 譚志平 吳靜平

以物聯網技術為橋梁，以無線傳感綜合信息傳輸建設為基礎，構建農村污水處理的智能監測服務系統。著重于污水處理過程監控與數據綜合分析等領域的提高，建成一個集污水自動監控、污水處理過程監控、水質監測功能于一體的智能監測服務系統。

由于科技水平提高、環保意識增強以及污水處理技術發展都是一個逐漸發展的過程，致使各個環保部門的應用系統大多是獨立建設的，缺乏在數據共享、業務協同方面的統籌規劃，導致重復建設、“信息孤島”的現象多見且嚴重。由此造成投資效益難以提升，資金浪費嚴重，數據利用率低，建設成效不如人意等一系列問題。而現如今的污水處理技術已得到大范圍推廣,加上環保物聯網技術和應用的快速發展，在其管理機制以及方式方法方面的改變也就迫在眉睫。通過建立一個完備的監測監控體系，進而構建出一個數據信息共享平臺，經過準確的數據和有效信息的共享后，打破原有區域的固有限制，保障信息共享來降低信息化建設過程中的風險，實現通過技術創新不斷推動管理創新的目標。

1 農村污水處理系統的設計

1.1 系統結構

系統主要由PH值測試傳感器模塊、信號處理和無線通信模塊、液體渦輪流量計、STM32F103ZET6主控制模塊、PC端監控顯示設置組成，系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框架結構圖

從進水口以及出水口處的模塊獲取流量和PH值電信號，由主控制模塊將所得電信號轉換成相應的數字信號。STM32主控制模塊將處理后的數據通過無線傳感器模塊以數字信號的形式傳輸到PC終端。PC終端將接收到的有序的數據儲存在數據庫中。同時管理人員也可以通過電腦顯示屏看到各污水處理節點的數據。根據流入流出量的起伏數據判斷處理過程是否存在異常，若判斷異常則系統通過聲音和圖像報警，并標出顯示問題部位和異常數據。

1.2 系統功能

平臺可以實現遠程監控、實時記錄與自動報警等功能，如實時自動獲取監測水泵和風機的運行數據，能克服諸多并不方便人前往解決的問題，更加方便與安全的獲取數據，降低人工成本。而且通過物聯網信息平臺，我們可以從那些原始數據中更快速的找到問題的根源，進而采取最佳污水處理方案。

可以通過水流量計實時自動的監測污水處理設備各部分的水流量，并記錄下各部分污水處理設備每天處理后余留的水質情況，如氨氮、COD以及總磷等水質相關數據信息。在對數據進行儲存與分類后傳至PC端顯示，可以由此對處理設備的運行效能進行判斷，為控制合適的進出水量以及得到合格的水質數據提供可靠的基礎信息，同時對設備是否會出現滲漏、堵塞等異常情況進行有效的監測。

2 系統模塊

2.1 監測設備

系統的完成需要在農村生活污水處理設備處布置相應監測設備，以測得并傳輸處理污水前后的相應數值。這些的監測設備，包括水流量計、PH值測量傳感器、氨氮水質監測器、物聯網網關設備、圖像傳感器和動力設備狀態監測傳感器等。物聯網平臺預設相關數據傳輸接口，通過這些接口遠程接收各種監測設備所得實時數據，包括實時水流量、水流酸堿度、含氧濃度、動力設備狀況以及維護人員維護次數等，也可以利用圖像傳感器來查看現場整體情況。

監測單元CAC在線監測系統的運行控制，包括所有檢測設備的在線監測數據的匯集、綜合分析、故障診斷、監測預警、數據展示、存儲和標準化數據轉發等功能。

2.2 數據庫

數據庫是處理數據的中心，主要由服務器和存儲設備組成，用于提供計算運算，以及監測設備上傳數據與圖像資料的存儲和分析。采用Mysql數據庫將不同傳感器的數據放在不同的對象下，再以時間為尺度進行時間序列存盤。實現在線數據的集中管理，并具有與上層平臺通信及內部信息一體化平臺交互的能力。支持CAC與監測裝置及CMA通訊規范。

2.3 系統管理平臺

系統管理平臺包含有所管轄區域的數據接入、基礎信息數據庫的查詢和綜合處理功能，儲存有關于監測設備、基礎數據信息、設備運行狀態數值等資料。可在平臺對應的不同的區塊中根據所要查詢的信息內容進行查詢，如具體步驟數值、處理方法、規格形式等信息。通過查看相應農村生活污水處理設備的各項基礎信息以及運行維護信息，了解設備運行狀態，同時依據查詢所得水流量、水質等數據體現出污水處理系統的具體情況，并對相應運行情況進行分析。

2.4 PC終端

在管理人員登陸到PC端時，PC端的屏幕會對農村生活污水處理的數據進行自動展示，實時顯示出各處理部分的運行情況、處理環境情況以及各部分之間數據變化的情況，力求避免堵塞以及其他突發情況的出現。系統會根據設定好的程序，將監測到的數據異常、運行故障等問題以圖像的形式顯示在屏幕上。當設備狀態出現超出預定值的變化時，系統檢測到異常，屏幕上將顯示相應指標數據，部分字體顏色改變，提示出現異常并觸發報警，在屏幕上展示圖像中的相應位置，同時展示在平臺的報警欄中，提醒管理人員設備存在異常，需要及時處理。功能大致如圖2所示。

圖2 功能圖

3 技術實現途徑

系統利用STM32F103ZET6單片機進行設計，采用C語言編寫，通過STM32單片機對各個傳感器進行控制，采用Mysql數據庫將不同傳感器的數據放在相應的對象下，以時間為尺度進行時間序列存盤。在發出警報時，根據事先設定的規則，將系統自動監測到的相關設備運行故障報警、數據異常報警等問題以圖像以及數據顏色改變等形式發送到相應的通訊設備上。

4 項目總結

本系統從農村污水處理入手，提出利用物聯網技術對設施運行情況進行遠程監控的思路，通過PH值測量傳感器、氨氮水質監測器、水流量計等設備采集相應數據進行數據分析，得到相關的污水處理情況，從而實現對處理情況遠程監控的目的。而對污水處理數據的匯總分析更能夠直觀的發現故障，進一步保證設備的良好穩定運行。通過對流量、水質、含氧量等的統計分析，輔助改進原有的污水處理流程，實現對農村污水處理的智能化監控。