摘要：設(shè)計(jì)了一套針對(duì)污水處理廠的排污企業(yè)污水排放監(jiān)控系統(tǒng)。主要監(jiān)測(cè)其排放污水的實(shí)時(shí)流量、流速等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。采用485通信、無(wú)線DTU傳輸、因特網(wǎng)接入等多種通信方式，解決了遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了污水排放現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳和排污現(xiàn)場(chǎng)控制功能。
關(guān)鍵詞：污水處理；監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集；無(wú)線傳輸

O 引言
    近年來(lái)，城市污水處理產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期。污水排放企業(yè)將污水集中排放到污水處理廠進(jìn)行集中污水處理，排污企業(yè)根據(jù)排污量繳費(fèi)。而傳統(tǒng)的污水排放量主要是由人工對(duì)排污企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)進(jìn)行抄收，但這種由于排污企業(yè)比較分散而顯得方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此，設(shè)計(jì)了一套針對(duì)污水排放企業(yè)的集中監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)系統(tǒng)采集排污企業(yè)的污水排放實(shí)時(shí)流量、流速、電機(jī)狀態(tài)等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，集中傳輸?shù)轿鬯?br /> 理廠的監(jiān)控中心，并通過(guò)監(jiān)控中心實(shí)時(shí)控制現(xiàn)場(chǎng)污水排放。

1 污水集中排放監(jiān)控系統(tǒng)概述
    污水處理集中監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示：


    集中監(jiān)控系統(tǒng)包括三層：頂層、中間層、底層。
    頂層為監(jiān)控中心的上位機(jī)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的監(jiān)控任務(wù)，通過(guò)Internet接入完成和無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器(DTU)之間的通信，在這里可以看到底層各個(gè)部分的實(shí)時(shí)情況，并可對(duì)底層的一些部分進(jìn)行控制。
    中間層為污水排放監(jiān)控終端，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和傳輸，并控制底層的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和采集底層現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。它既是各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)象的數(shù)據(jù)采集器，又是這些數(shù)據(jù)處理和集中傳輸?shù)牟糠帧?br />     底層為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和控制單元，能夠?qū)ι衔粰C(jī)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且能使外圍的電路執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)也能夠?qū)χ苓叚h(huán)境中的模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并發(fā)送給監(jiān)控終端。

2 監(jiān)控終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)功能要求
    根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的要求，監(jiān)控終端必須具備以下功能：
    (1)能夠采集污水流量計(jì)的數(shù)據(jù)，包括累計(jì)流量、實(shí)時(shí)流量、流速等參數(shù)。
    (2)能夠根據(jù)污水排放企業(yè)的交費(fèi)情況，控制企業(yè)是否可以排放污水。
    (3)能夠通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的運(yùn)行。
    (4)在網(wǎng)絡(luò)不佳或其他特殊的情況能夠本地控制系統(tǒng)的運(yùn)行。
    (5)系統(tǒng)的進(jìn)行必要經(jīng)過(guò)授權(quán)。
    (6)系統(tǒng)在斷電的情況下，必須能運(yùn)行關(guān)閥指令，在關(guān)閥后系統(tǒng)關(guān)閉。
    功能系統(tǒng)的以上要求，采用了2片ATMEGA128作為處理器，一方面解決了ATMEGA128本身UART不足的問(wèn)題，同時(shí)減輕了主CPU的工作量，使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。
2．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
    根據(jù)上述要求。監(jiān)控終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。


    系統(tǒng)采用2片ATMEGA128作為處理器，通過(guò)SPI構(gòu)成了主從式通信。主CPU負(fù)責(zé)人機(jī)交互、非接觸式IC卡讀卡、斷電檢測(cè)以及對(duì)水泵閥門的控制。從機(jī)負(fù)責(zé)和流量計(jì)的通信以及通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器(DTU)完成數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心的上傳和監(jiān)控命令的下傳。
2．3 系統(tǒng)SPI通信功能
    ATmegal28SPI的特點(diǎn)如下：全雙工，3線同步數(shù)據(jù)傳輸。主機(jī)或從機(jī)操作，LsB首先發(fā)送或MSB首先發(fā)送。7種可編程的比特率，傳輸結(jié)束中斷，寫(xiě)碰撞標(biāo)志檢測(cè)?？梢詮拈e置模式喚醒。作為主機(jī)時(shí)具有雙速模式(CK／2)。


    SPI通信系統(tǒng)包括兩個(gè)移位寄存器和一個(gè)主機(jī)時(shí)鐘發(fā)生器。通過(guò)將需要的從機(jī)的ss引腳拉低。主機(jī)啟動(dòng)一次通訊過(guò)程。主機(jī)和從機(jī)將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入相應(yīng)的移位寄存器。主機(jī)在SCK引腳上產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖以交換數(shù)據(jù)。主機(jī)的數(shù)據(jù)從主機(jī)MOSI移出。從從機(jī)的MOSI移入；從機(jī)的數(shù)據(jù)從從機(jī)的MISO移出。從主機(jī)的MISO移入。主機(jī)通過(guò)將從機(jī)的SS拉高實(shí)現(xiàn)與從機(jī)的同步。

3 監(jiān)控終端系統(tǒng)軟件功能實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)軟件分主CPU部分和從CPU部分。
    主CPU部分功能主要實(shí)現(xiàn)如下：
    (1)水泵閥門控制：上電復(fù)位后，系統(tǒng)在沒(méi)有鍵盤操作的情況下，通過(guò)SPI通信獲取監(jiān)控中心對(duì)水泵和閥門的控制狀態(tài)，正確地關(guān)閉或打開(kāi)。
    (2)斷電檢測(cè)：系統(tǒng)周期性的檢測(cè)外部電源是否掉電，如果掉電，為防止人為斷電而偷排污水，馬上關(guān)閉閥門和水泵。為防止短時(shí)間的跳閘斷電，系統(tǒng)進(jìn)行延時(shí)斷電。
    (3)計(jì)算累計(jì)當(dāng)前排水量是否超過(guò)允許排水量，如果超過(guò)，根據(jù)預(yù)先的設(shè)定可以關(guān)閉閥門和水泵，也可以發(fā)報(bào)警信息到監(jiān)控中心。
    (4)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示：在不進(jìn)行人機(jī)操作的時(shí)候，LCD顯示器顯示實(shí)時(shí)水量、流速等計(jì)量數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)中所介入設(shè)備的狀態(tài)。實(shí)時(shí)反映，一目了然，方便企業(yè)查看。
    (5)本地授權(quán)操作：為防止網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題的出現(xiàn)，排水企業(yè)充值后將IC卡插入本地監(jiān)控終端，一方面完成允許排水量或者預(yù)存金額的本地存儲(chǔ)，另一方面，在特殊情況下可以通過(guò)IC卡授權(quán)進(jìn)行系統(tǒng)，控制閥門和水泵的運(yùn)行。
    系統(tǒng)采用非接觸式IC卡讀寫(xiě)模塊，模塊在檢測(cè)到刷卡后通過(guò)上傳卡號(hào)命令發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)在接收到此命令后必須在300毫秒內(nèi)發(fā)送讀卡命令，寫(xiě)卡命令，加減值命令中的任意一個(gè)命令，如果模塊在300毫秒內(nèi)沒(méi)有接收到上述命令中的其中之一命令，模塊將自動(dòng)關(guān)閉卡片，并進(jìn)行下一輪的卡片檢測(cè)。如果300毫秒內(nèi)收到上述命令中的其中之一命令，模塊將按照接收的命令進(jìn)行處理，并且只要兩條命令之間不超過(guò)300毫秒，命令可以連續(xù)發(fā)送。超出300毫秒模塊將會(huì)自動(dòng)關(guān)閉卡片并進(jìn)行下一輪的卡片檢測(cè)。關(guān)閉卡片后發(fā)送的對(duì)卡的讀寫(xiě)操作都將失敗。
    從CPU部分功能主要實(shí)現(xiàn)如下：
    (1)流量計(jì)數(shù)據(jù)采集：通過(guò)485總線，采集排水企業(yè)的一個(gè)或者多個(gè)排水點(diǎn)的流量數(shù)據(jù)。
    (2)無(wú)線數(shù)據(jù)通信：系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備(DTU)將采集的流量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，并接受監(jiān)控中心的指令。
    DTU是建立在GPRS網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上的，DTU使用比較簡(jiǎn)單，是因?yàn)樗旧韮?nèi)部封裝了PPP撥號(hào)協(xié)議以及TCP／IP協(xié)議棧。而且DTU在設(shè)計(jì)上大都將串口數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)成“透明轉(zhuǎn)換”的方式，也就是說(shuō)DTU可以將串口上的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP／IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳送，而不需要改變?cè)械臄?shù)據(jù)通信內(nèi)容。因此，DTU可以和各種使用串口通信的用戶設(shè)備進(jìn)行連接，而且不需要對(duì)用戶設(shè)備作改動(dòng)。實(shí)際使用前先對(duì)DTU進(jìn)行配置，設(shè)定好串行通信參數(shù)，設(shè)定遠(yuǎn)程接入服務(wù)器的參數(shù)等通信參數(shù)，設(shè)置完成后，在系統(tǒng)中就可以只把它當(dāng)做一個(gè)串口設(shè)備來(lái)處理。

4 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)
    由于監(jiān)控終端系統(tǒng)運(yùn)行在排污企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，很容易受到大功率電氣設(shè)備的干擾而導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行錯(cuò)誤或死機(jī)等問(wèn)題。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)特別針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)干擾采取了硬件抗干擾和軟件抗干擾措施。具體措施如下：
    (1)首先，硬件設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮電源和電路的抗干擾，在電源220 V輸入端設(shè)計(jì)了平波電抗器，電源直流輸出端采用了電子濾波技術(shù)，盡量把來(lái)自電源的干擾降到最小。
    (2)其次，全面考慮系統(tǒng)的接地。除了遵循電路設(shè)計(jì)中的數(shù)字地、模擬地的接地原則，對(duì)LCD液晶顯示器等易受干擾的部件采用外殼接地，系統(tǒng)全機(jī)外殼接地的方法，極大的降低了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾。
    (3)最后，在軟件設(shè)計(jì)中采用多種抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)。系統(tǒng)對(duì)易受干擾的部件采用狀態(tài)檢測(cè)和周期復(fù)位等方法，避免了因?yàn)橥獠吭O(shè)備錯(cuò)誤等原因造成的系統(tǒng)不正?，F(xiàn)象。在水泵等大功率設(shè)備開(kāi)關(guān)時(shí)采用休眠、延時(shí)等方法來(lái)躲避這些已知干擾源的干擾。另外，在數(shù)據(jù)通信中采用完善的數(shù)據(jù)幀通信協(xié)議，具備CRC校驗(yàn)功能，極大的降低了通信中的錯(cuò)誤，提高了通信的可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)
    污水集中排放監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用為污水企業(yè)的高效實(shí)時(shí)管理提供了可靠的手段，一方面節(jié)約了污水處理廠人力抄表成本，另一方面也極大地減少了排污企業(yè)偷排污水的現(xiàn)象，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行近一年多來(lái)取得了較好的效果。