1、基于物聯(lián)網(wǎng)的污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)常松，潘良波，胡杰，侯曉穎（山東正元地理信息工程有限責(zé)任公司，濟(jì)南 250001）摘要：針對(duì)我國(guó)污水處理廠運(yùn)行效率低、缺乏有效監(jiān)管及運(yùn)行模式粗放等現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)從感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3個(gè)層面進(jìn)行構(gòu)建提出污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)方案，詳細(xì)探討了監(jiān)控系統(tǒng)的主要內(nèi)容和各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。可為污水處理廠的運(yùn)行和管理提供完善的數(shù)字化解決方案污水處理能力和效率均可得到明顯提升。關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng) 物聯(lián)網(wǎng) 污水處理。1 引言1.1 污水處理現(xiàn)狀1、進(jìn)口設(shè)備的維修及設(shè)備備件的開(kāi)發(fā)。我國(guó)污水處理設(shè)備多為進(jìn)口，一些進(jìn)口老舊設(shè)備容易出現(xiàn)不同程度損壞。因此必

2、須培養(yǎng)對(duì)進(jìn)口設(shè)備維修保養(yǎng)的國(guó)內(nèi)外專業(yè)人員，是其完全掌握其維修標(biāo)準(zhǔn)。還得有充足的備用配件，對(duì)于一些將要被淘汰的產(chǎn)品，其零部件需要國(guó)內(nèi)自行加工制造，只有保證其正常運(yùn)行才能使進(jìn)口設(shè)備發(fā)揮出它的作用。否則設(shè)備的損壞，配件的缺乏會(huì)影響污水處理廠的正常運(yùn)行帶來(lái)不必要的經(jīng)濟(jì)損失。2、污水處理效率低。我國(guó)雖然已建成很多污水處理廠，但在城市本身的處理率不高。目前大城市已著手進(jìn)行污水處理廠建設(shè)的規(guī)劃工作。但中小城市還沒(méi)有將污水處理的規(guī)劃納入到城市發(fā)展的議程。其主要原因就是沒(méi)有專門(mén)的建設(shè)資金，地方政府不重視污水治理或沒(méi)有籌措資金，加快水污染治理工程建設(shè)。3、許多地區(qū)盲目選擇污水處理工藝，不結(jié)合本地區(qū)的實(shí)際情況而一味

3、追去熱門(mén)工藝。不考慮本地區(qū)的進(jìn)水水質(zhì)、處理水量以及出水用途問(wèn)題，以至造成設(shè)施設(shè)備閑置，導(dǎo)致無(wú)法正常使用。增大了建設(shè)投資也提高了日常運(yùn)作成本。4、污水處理廠的進(jìn)水池，格柵間，初沉池，沉砂池，及污泥處理系統(tǒng)的儲(chǔ)泥池，脫水機(jī)房等都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的臭氣，但是許多污水處理廠卻沒(méi)有除臭裝置。即影響操作運(yùn)行人員的身體健康，也給周?chē)用裆瞽h(huán)境帶來(lái)污染，污泥沒(méi)有最終的處置途徑，大部分的廢水使用后也無(wú)處理方法，造成了嚴(yán)重的浪費(fèi)，應(yīng)建立良好地后續(xù)處理設(shè)備，消除污染，保護(hù)環(huán)境。5、污水處理廠運(yùn)行經(jīng)費(fèi)不能到位。全國(guó)目前已經(jīng)建成投產(chǎn)運(yùn)行的污水處理廠中，滿負(fù)荷運(yùn)行的不到1/3。其原因是：運(yùn)行經(jīng)費(fèi)不到位，國(guó)家建設(shè)基金有限而地方

4、自行收取的污水處理費(fèi)沒(méi)有正規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致許多省市收取污水處理費(fèi)不均，還有的是只收工廠、企業(yè)的沒(méi)收居民的，或者是雖然收取，但收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)定的比較低，遠(yuǎn)不能滿足污水處理廠正常運(yùn)行所需的最低費(fèi)用。因此設(shè)立嚴(yán)格正規(guī)的污水處理費(fèi)收取法規(guī)是解決資金短缺的必要途徑。1.2 目的意義綜合我國(guó)水處理廠具有數(shù)量多且分散、水量小、水質(zhì)差別大、投資薄弱且資源分散、管理技術(shù)人員水平相對(duì)落后以及缺少專業(yè)人員的指導(dǎo)等特點(diǎn)。為此筆者提出基于物聯(lián)網(wǎng)的污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)區(qū)域若干污水處理廠的進(jìn)、產(chǎn)、排3個(gè)主要環(huán)節(jié)實(shí)行物聯(lián)網(wǎng)式的集中控制。實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)控制與精細(xì)化管理，達(dá)到規(guī)范管理、節(jié)能降耗、減員增效的目的。2 建設(shè)

5、內(nèi)容基于物聯(lián)網(wǎng)的污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)從感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3個(gè)層面進(jìn)行構(gòu)建，通用數(shù)據(jù)采集中間件模塊，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)感知層的物體進(jìn)行編號(hào)、物體識(shí)別及信息采集與反饋等功能。通用消息通信中間件和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)從感知層獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行通信和預(yù)處理。企業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度與控制管理中間件在應(yīng)用層通過(guò)前面收集、反饋的數(shù)據(jù)信息結(jié)合污水處理行業(yè)的需求，最終形成基于物聯(lián)網(wǎng)的污水處理企業(yè)智能化管理解決方案。2.1 設(shè)計(jì) 通用數(shù)據(jù)采集中間件該中間件作為部署在物聯(lián)網(wǎng)感知層的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)污水處理行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用全面感知的基礎(chǔ)重點(diǎn)解決感知和識(shí)別物體的問(wèn)題，并采集、捕獲信息。該中間件以各種總線網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)作支撐，把分散在各

6、地的監(jiān)控站自動(dòng)化系統(tǒng)的復(fù)雜的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、遷移并集中于調(diào)度端（或監(jiān)控中心），使用一套公共的數(shù)據(jù)采集管理平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、維護(hù)和管理，并提供給外部應(yīng)用系統(tǒng)使用。通過(guò)該平臺(tái)解決了長(zhǎng)期困擾給、排水行業(yè)的下屬?gòu)S站分布面廣、各廠站使用自控設(shè)備及組態(tài)軟件品牌繁多、無(wú)法進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范管理的難題。數(shù)據(jù)采集管理平臺(tái)功能框架如圖1所示。圖1 數(shù)據(jù)采集管理平臺(tái)功能框架系統(tǒng)底層為自控系統(tǒng)或者與之對(duì)應(yīng)的組態(tài)軟件它們是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)所在，采集平臺(tái)可以直接從自控系統(tǒng)上獲取數(shù)據(jù)，當(dāng)條件不具備時(shí)，也可以從與之對(duì)應(yīng)的組態(tài)軟件（如WinCC、RSView）上獲取數(shù)據(jù)；中間層由硬件層和網(wǎng)絡(luò)層組成，硬件層主要由功能強(qiáng)大的協(xié)議轉(zhuǎn)換器組成

7、，它可以將各種總線協(xié)議及Modbus RTU協(xié)議等轉(zhuǎn)換成支持以太網(wǎng)的OPC Server、Modbus TCP協(xié)議等，網(wǎng)絡(luò)層主要是由ADSL寬帶、光纖接入、GPRS、GSM以及CDMA等提供網(wǎng)絡(luò)接入；管理層以數(shù)據(jù)采集中間件為核心，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)備遠(yuǎn)程管理功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集設(shè)備的遠(yuǎn)程管理和維護(hù)，節(jié)省人力、物力，數(shù)據(jù)標(biāo)簽管理功能實(shí)現(xiàn)對(duì)采集變量的管理；在應(yīng)用層平臺(tái)可以提供簡(jiǎn)要的統(tǒng)計(jì)報(bào)表，幫助系統(tǒng)管理員隨時(shí)掌握數(shù)據(jù)情況，平臺(tái)還支持多種接口，為外部應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。圖2 平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu) 數(shù)據(jù)通信消息中間件數(shù)據(jù)通信消息中間件主要將來(lái)自感知的各類信息通過(guò)基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)傳輸

8、到應(yīng)用層。在污水處理企業(yè)，通常采用不規(guī)則的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖3）。比如以廠為中心，星形發(fā)散到下面的泵站，或以大區(qū)服務(wù)器為中心發(fā)散到下面的多個(gè)污水處理廠等。圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 企業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度與控制管理中間件企業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度與控制管理中間件是污水處理行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)應(yīng)用層的參考實(shí)現(xiàn)。集中管理廠站生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行工藝，設(shè)備運(yùn)行狀況一目了然，運(yùn)行日?qǐng)?bào)、綜合統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表自動(dòng)生成，設(shè)備養(yǎng)護(hù)流程、設(shè)備維修計(jì)劃自動(dòng)化管理，年度計(jì)劃完成情況和能耗分析隨手可得。該中間件將專家經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組聯(lián)編優(yōu)化調(diào)度、曝汽池節(jié)能控制；同時(shí)利用人工智能和數(shù)據(jù)挖掘?qū)崿F(xiàn)污水處理廠精細(xì)化管理和最優(yōu)化控制，

9、為不同層面的運(yùn)行管理者提供了豐富的決策支持信息，為輔助分析決策奠定良好的基礎(chǔ)，為污水處理企業(yè)規(guī)范管理、節(jié)能降耗、減員增效和精細(xì)化管理提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。2.2 系統(tǒng)組成基于物聯(lián)網(wǎng)污水處理監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)以提供具有代表性、可靠性和及時(shí)性的樣品信息為核心人物，以在線分析儀器和研究運(yùn)用需求為服務(wù)目標(biāo)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及專業(yè)軟件，設(shè)計(jì)成的一個(gè)以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)為目的，以取樣、預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)存貯為手段的完整并相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般包括預(yù)處理系統(tǒng)、取樣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)分析儀表、數(shù)據(jù)處理、傳輸系統(tǒng)及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心等組成部分，這些分系統(tǒng)相互協(xié)作

10、又相對(duì)獨(dú)立，保證整個(gè)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的連續(xù)可靠準(zhǔn)確地運(yùn)行。圖4 系統(tǒng)組成圖2.2.1 污水?dāng)?shù)據(jù)采集終端考慮到系統(tǒng)主要用來(lái)檢測(cè)工業(yè)污水的處理狀況，所以監(jiān)測(cè)的內(nèi)容為污水處理環(huán)節(jié)中的污水中各物質(zhì)含量的變化狀況。作為采集終端必須有比較準(zhǔn)確的污水取樣系統(tǒng)，設(shè)計(jì)稟行準(zhǔn)確隨機(jī)和代表性原理，將各個(gè)取樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過(guò)工業(yè)上通用的MODIBUS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行傳輸，實(shí)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)采集到智能監(jiān)控終端內(nèi)，并保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。2.2.2 無(wú)線傳輸設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各部分聯(lián)系的紐帶。一般企業(yè)多采用電話線、GPRS、GSM短消息、局域網(wǎng)、以太網(wǎng)、3G等。2.2.3 數(shù)據(jù)管理中心數(shù)據(jù)管理中心包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)，

11、報(bào)警子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)和WEB發(fā)布子系統(tǒng)四部分，各部分相互協(xié)作共同完成數(shù)據(jù)的接收分析與處理以及后期的發(fā)布存儲(chǔ)，是監(jiān)控系統(tǒng)的中心樞紐。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)是一個(gè)十分重要的子系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)各種現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)的接收；報(bào)警短信子系統(tǒng)是利用移動(dòng)通訊技術(shù)使用的一項(xiàng)警報(bào)系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生事故或危險(xiǎn)時(shí)報(bào)警短信子系統(tǒng)可想外界制定者發(fā)出警報(bào)；數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的核心部分，該系統(tǒng)由工作人員直接操作，是中樞分析單位；WEB發(fā)布子系統(tǒng)是該系統(tǒng)與外界聯(lián)系的樞紐也是人們了解污水狀況的窗口，可以通過(guò)此系統(tǒng)查詢污水處理的數(shù)據(jù)，普通市民可以通過(guò)該系統(tǒng)了解居住城市水體質(zhì)量，也揭示被監(jiān)測(cè)企業(yè)、工廠的排放污染程

12、度，對(duì)企業(yè)起到了良好監(jiān)督指導(dǎo)作用。2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能2.3.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)是一個(gè)十分重要的子系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)各種現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)的接收。作為接收系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)過(guò)濾，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較排查，隔離不安全數(shù)據(jù)；現(xiàn)場(chǎng)反控即通過(guò)修改監(jiān)測(cè)采集方案來(lái)啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，通過(guò)參數(shù)修改反向控制系統(tǒng)；各種現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀表的不同類型測(cè)量值的接收和識(shí)別的功能，并可以查看各監(jiān)測(cè)站連接狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)并將接收的數(shù)據(jù)保存于后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的備份與保護(hù)。 數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)1、實(shí)時(shí)顯示水體污染編號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)的查詢、偏離修正、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有效性審核、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)錄入。2、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)歷史記錄的維護(hù)并可以結(jié)合歷

13、史數(shù)據(jù)生成水體污染指數(shù)曲線圖。3、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常分析、實(shí)時(shí)地通過(guò)短信向指定對(duì)象發(fā)布報(bào)警信息。4、各種數(shù)據(jù)匯總報(bào)表、統(tǒng)計(jì)報(bào)表的制作及上傳。5、默認(rèn)、自定義監(jiān)測(cè)采集方案維護(hù)并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)采樣器操作。6、現(xiàn)場(chǎng)樣本試驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入、與自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比、偏離報(bào)告并進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。7、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)記錄及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施系統(tǒng)權(quán)限的分配。8、WEB用戶注冊(cè)認(rèn)證、權(quán)限設(shè)置、訪問(wèn)統(tǒng)計(jì)情況等。 報(bào)警短信子系統(tǒng)報(bào)警短信子系統(tǒng)是指利用通訊技術(shù)將系統(tǒng)發(fā)布的警報(bào)信息發(fā)送到指定方的一項(xiàng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)通信設(shè)備。保證系統(tǒng)的順暢性，保證了接受者隨時(shí)隨地都可以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況了如指掌。 WEB發(fā)布子系統(tǒng)WEB發(fā)布子系統(tǒng)是該系統(tǒng)與外界聯(lián)系的樞紐也是人們了解污水狀

14、況的窗口，普通市民可以通過(guò)該系統(tǒng)了解居住城市水體質(zhì)量，也揭示被監(jiān)測(cè)企業(yè)、工廠的排放污染程度，對(duì)企業(yè)起到了良好的監(jiān)督指導(dǎo)作用。發(fā)布內(nèi)容包括：當(dāng)前水體狀態(tài)以及以往數(shù)據(jù)查詢，也提供水體質(zhì)量預(yù)測(cè)報(bào)告，用戶可以通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行查詢備份及修改工作；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各部分運(yùn)行數(shù)據(jù)狀況及分析結(jié)果、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析報(bào)告等；3 結(jié)束語(yǔ)基于物聯(lián)網(wǎng)的污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)污水處理的進(jìn)、產(chǎn)、排3個(gè)主要環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控，將下屬提升泵站和污水處理廠的水量、水位、水質(zhì)以及設(shè)備狀態(tài)等信息通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行收集、整合，對(duì)3個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)控制與精細(xì)化管理。對(duì)企業(yè)的規(guī)范管理、節(jié)能降耗、減員增效有一定的借鑒價(jià)值

15、。A INTELLIGENT MONITORING SYSTEM OF SEWAGE DISPOSAL BASED ON INTERNET OF THINGChangsong,panliangbo,hujie,houxiaoying (Shandong Zhengyuan Geographic Information  Engineering Co.,Ltd ,濟(jì)南 250101)AbstractIn view of the problem of our countrys sewage treatment plants: low performing efficiency, lack

16、ing of effective intendance and management, and still using the extensive operation mode, and so on, we designed a intelligent monitoring system of sewage disposal based on internet of thing. This paper raised the building plan of the intelligent monitoring system of sewage disposal from three layers: perceptual layer, network layer and application layer. And the primary coverage and key technologies of the monitoring system have been analyzed in deta