一個智慧污水處理物聯網系統的設計與應用

梁可兒 蔣宗華 徐勇

摘要：隨著污水排放量增加和環保要求的提高，污水處理愈加重要。該系統將污水通過生物處理法，去除其中的污染物，并根據傳感器檢測的水質相應指標，動態調整處理時間和用料量。在污水處理的最后階段，系統設置了水質檢測區，當水質達標時，水會通過出水管道排放;當水質不達標時，水會根據其不達標檢測物質，經回流泵流回相對應的處理區，進行重新處理。通過WIFI或窄帶物聯網將數據傳輸至云平臺，云平臺通過可視化技術顯示水質處理情況。實現了系統原型，該系統高效環保，實現了智能化和網絡化。

關鍵詞：污水處理;物聯網云平臺;物聯網應用

一、引言

隨著當代社會經濟的發展和人們生活水平的提高，污水排放成為一項不可忽視的污染源。城市化進程的推進，使城市人口上升，城市污水排放量越來越大，同時農村環保要求也逐步提高，農村污水處理也逐步實施，污水處理越來越重要。鑒于這一社會現狀，該項目致力于建立較完善精確的智能化、網絡化的智慧污水處理系統，將污水廢水通過一系列處理工序，去除其中的污染物，使其出水指標達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級B標準。

在該智慧污水處理物聯網系統中，將污水處理劃分為不同的區域模塊，用來去除污水中的不同雜質，在處理工藝方面，主要采用生物處理法中的缺氧—好氧工藝[1][2]，這種處理方法較之其他的污水處理方法更加環保，且比較高效。在處理過程監測方面，將傳感器安裝在處理的各區域模塊中，以便檢測水質的相應指標，動態調整該階段處理時間和用料量。并且在處理區之后，設置了水質檢測區，將水位傳感器、COD檢測儀[3][4]、氨氮檢測儀[5]等傳感器安裝在其中，以便實現對處理后水中物質含量的檢測，并通過WIFI或窄帶物聯網將數據傳輸到云平臺進行遠程查看。當處理后水質達標時，水會通過出水管道排放;當水質不達標時，水會通過回流泵流回其不達標檢測物質相對應的處理區，進行重新處理。在出水管道中，設置了水位傳感器，以監測是否有水質不達標卻有排水的情況發生，一旦發生，云平臺將啟動觸發器給相應的管理人員發送警報郵件。

智慧污水處理物聯網系統實施運用，順應全球強調的可持續發展經濟模式，可有效地解決服務區域的水污染問題，為城鎮服務，為社會服務，可保護水資源，改善風貌，提高衛生水平，保護人民身體健康。同時，該項目的建設，可提升區域投資環境，使工業企業不會再因污水排放和污染物總量控制而制約發展，促進城市和鄉鎮城市的經濟發展。

二、總體設計

該系統是以物聯網為基礎，以改良的厭氧好氧污水處理工藝為核心工藝的一款污水處理設備。為方便各個設備的污水處理將污水處理系統聯網，遠程監控智慧污水處理系統的運行狀態，做到及時定位、迅速處理故障設備。總體設計圖如下：

數據采集模塊主要是通過傳感器對模擬信號進行采集，并將采集到的模擬量轉換為數字量，然后將數字信息傳遞到控制管理模塊。

嵌入式系統根據采集到的數據和工序要求，通過控制各繼電器線圈的通電狀態等方法控制設備的運行狀態。通過各階段檢測水質的相應指標，動態調整該階段處理時間和用料量。

通過WIFI或窄帶物聯網將數據傳輸至云平臺，實現對處理過程的遠程監測，充分達到資源優化和可視化，及時監測水質和發出排放異常消息。

云平臺通過虛擬化技術將服務器、存儲、網絡進行虛擬化，提供按需分配的虛擬資源池，從而使得云計算平臺對資源的使用靈活方便。通過公有云方式搭建監測系統系統有自主權，可以任意增加功能模塊，完成系統的個性化和針對性需求定制，無需擔心監測數據的存儲問題，且可以保證本系統完成多項目多任務的同步在線監測。

三、系統模型

系統模型圖如下：

（一）檢測模塊

各傳感器將水質、水位等物理量轉換為電壓信號，經嵌入式系統的多通道A/D模塊再轉換為數字量，根據相應的公式計算數值或者分類，獲得水質、水位等數據。根據定時器T0的定時，每0.5秒切換一次通道，嵌入式系統的內部A/D模塊進行該通道的模/數轉換，從而能實現多個模擬量的檢測。例如A/D轉換控制寄存器ADC_CONTR 設為 0x88，啟動接在P1.0引腳上的信號轉換，ADC_CONTR 設為 0x89，啟動接在P1.1引腳上的信號轉換。

（二）控制模塊

通過各階段檢測水質的相應指標，動態調整該階段處理時間和用料量，如果水質差則增加處理時間和用料，反之則減少處理時間和用料，在處理時間、能耗和用料上做到節約高效。通過嵌入式系統控制繼電器線圈的通電時間進行處理時間的調整，通過控制播料器的繼電器線圈通電時間，能調整用料量。根據從最后檢測區獲得的水質數據，判斷水質是否達到排放要求。當檢測到水質達標時，嵌入式系統對應引腳為高電平，三通電磁閥線圈通電，水從排水管流出，否則，對應引腳為低電平，三通電磁閥線圈失電，水流向對應處理單元進一步進行處理。

在最后檢測區和排水管處進行水質檢測和水位的交替檢測，以達到進行實時排水控制和檢測的目的。當變量vf為0時，進行檢測區水質檢測，水質共分為5類，水質越好，對應數越小。當vf為1時，進行出水管道水位檢測，檢測是否在排水以及排水量。液晶上顯示水質和水位等數據。

（三）無線模塊

該項目的無線模塊為ESP8266，該模塊通過串口和嵌入式系統處理器通訊，串口波特率為115200。嵌入式系統設置為用定時器T1產生波特率，定時器T1工作于自動重載模式，輔助寄存器AUXR的T1x12位設置為1，使定時器1不分頻，用以產生高波特率。嵌入式系統通過串口向ESP8266發送AT命令和數據。通過執行AT命令AT+CWJAP=訪問點名，密碼，WIFI模塊ESP8266接入訪問點。

（四）云平臺模塊

通過執行AT命令AT+CIPSTART="TCP"，"183.230.40.33"，80，連接到OneNet物聯網云平臺，通過執行AT命令AT+CIPSTART啟動向云平臺發送數據，在收到“>”后，開始發送數據。

系統向物聯網云平臺發送的主要數據流主要有sz和sw，分別代表檢測區的水質和出水管的水位。當檢測區水質不達標但出水管的水位不為零時，系統向物聯網云平臺發送數據流alarm的數據點。

（五）模型測試

1.模型測試過程

在污水處理模型中，該系統用水質檢測傳感器來檢測處理后的水質情況是否達標，用水位檢測傳感器來檢測出水情況，以避免當水質不達標但有水排出的情況發生。該系統通過三通電磁閥來實現排水管道的選擇，設定當水質達標時，檢測區的水會通過出水管道排出，液晶顯示為1類水或2類水;當水質不達標時，檢測區的水會通過回流泵流回前面的處理模塊進行重新處理，液晶顯示的水質為3至5類水。數據要能在物聯網云平臺展示。

2.模型測試結果

測試結果表明，處理后的污水如果達標將從排水管排放，否則將回流到相應處理室進一步處理。水質數據和出水管排水數據能上傳到OneNet物聯網平臺并展示。

該實驗模型所采集的水質和出水管水位數據傳輸到OneNet云平臺，在云平臺中添加數據流、編輯應用，通過柱狀圖和儀表盤顯示數據信息，以方便監測。下圖為水質不達標時，云平臺所顯示的數據圖形。

四、結束語

該系統能夠有效地解決環境問題，給予環境確切的保障，有利于促進城鎮經濟發展，提高人民的生活質量。針對環境問題日益突出的現象，國家為了保護環境推出了不少相應的政策和措施，智慧污水處理物聯網系統是對國家提倡的綠色環保可持續戰略一種積極響應，社會效益比較大。

該系統實現了污水處理的智能化、網絡化，污水處理過程節約高效，防止了處理后不達標的水的排放，在任何地方只要登錄物聯網云平臺便可監測。系統原型得到了驗證。系統不但適用于城市集中污水處理的場景，在鄉鎮分布式、小型化污水處理方面有更廣闊的應用場景，網絡化的實現使得小型化污水處理更容易監測。

參考文獻：

[1]王帆，李軍，艾勝書.三級AO耦合工藝低溫污水處理脫氮機理[J].中國環境科學，2020，40（3）：1059-1067

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[4]惠超.電化學法污水COD測量技術及儀器研制[D].青島：中國海洋大學，2011，5

[5]鄭剛，余亮，曾鑫.含氮、磷廢水處理工藝的改造[J].化工管理，2020，1：192-193

本文系安徽財經大學大學生創新創業訓練計劃資助，項目編號：202010378328

作者簡介：梁可兒（2000—）女，江蘇南京人，安徽財經大學管理科學與工程學院，2018級本科生，物聯網工程專業本科在讀。