基于“海绵城市”智能雨水回收净化处理系统设计

罗超凡，冀 杰

（1.西南大学附属中学，重庆 400700；2.西南大学工程技术学院，重庆 400715）

我国是一个严重缺水的国家，人均水资源量仅为世界平均水平的1/4，严重缺水城市近50个[1]。近年来，由于城镇化建设速度的加快，城市内涝灾害频繁发生[2-3]，海绵城市为有效解决我国城市内涝与缺水并存难题提供了新途径[4-5]。海绵城市是指城市能够像海绵一样，下雨时吸水、蓄水、渗水和净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用[6]。虽然海绵城市有效破解了城市逢雨必涝的难题，但耗资巨大[7-8]，不利于推广应用。论文以重庆某坡地小区为例，基于Arduino开源开发平台，设计“海绵城市”智能雨水净化处理与回收系统，在降低雨水回收利用成本的同时，提高城市对暴雨的适应能力，缓解城市水资源紧缺的情况。

1 智能雨水回收净化处理系统总体方案设计

智能雨水回收净化处理系统的设计是基于Arduino mega2560开源开发平台，主要由检测系统、控制系统和GUI可视化图形用户操作界面组成。检测系统由水位检测模块、雨水水质检测模块和电机转速监测模块组成，控制系统由测速模块、搅拌模块和絮凝剂定量添加模块组成。系统总体流程如图1所示。降雨时，当蓄集的雨水超过贮水池预定水位时，水位检测装置启动，打开溢流阀，雨水流到溢流池，水位检测装置同时对溢流池水位进行检测。此时，水质检测模块启动，对贮存池雨水水质进行检测，根据检测的雨水水质参数，通过控制模块的内置算法计算所需絮凝剂量，絮凝剂定量添加模块向贮水池投加絮凝剂，启动电机测速模块和搅拌模块搅拌，自动检测模块在絮凝过程中自动检测水质，并将水质检测数据和电机转速通过串口通讯反馈信息至电脑，GUI可视化图形用户操作界面将收到的信息动态地显示在显示器上，便于有关人员监测。当搅拌达到设定时长后，搅拌结束，电机关闭，开始沉淀过程。在此期间，水质检测数据继续反馈至图形界面，直至沉淀完成后，蜂鸣器发出提示音，绿色LED指示灯亮，屏幕显示Process Complete，流程结束。

2 智能雨水净化处理系统电路设计

智能雨水净化处理系统基于Arduino mega2560开发平台，由提示系统、检测电路、定量添加电路和电机控制电路组成，如图2所示。其中，提示系统由LED指示灯（红、绿）和蜂鸣器构成，检测电路包括水位监测电路、污水浊度检测电路和电机测速电路。

图1 智能雨水回收净化处理系统设计流程图

图2 智能雨水净化处理系统电路设计

2.1 智能雨水净化处理系统检测电路

该检测电路包括水位监测电路、污水浊度检测电路和电机测速电路。

2.1.1 水位监测电路

水位监测电路主要由AV39169微动开关、连杆和浮球构成，连杆长度固定，两端分别连接浮球和开关，如图3所示。 当雨水水位上升达到设计深度后，浮球完全浸没，雨水产生的浮力推动连杆触发微动开关，开关闭合，向下位机发出高电平信号，如图2（g）所示，下位机接收到信号后开始污水处理。

图3 水位监测电路

图4 浊度检测电路

2.1.2 污水浊度检测电路

污水浊度检测电路由10 kΩ光敏电阻、LED（470 nm蓝光）、10 kΩ下拉电阻和保护壳构成，如图4所示。LED发出的蓝光穿过1 cm间隙后，经污水阻隔而衰弱，导致光敏电阻接收光强度比较小，光敏电阻阻值比较大，模拟信号强度比较弱，如图2（d）所示，模拟信号经Arduino处理系统处理后作为浊度数据反馈回上位机。由于雨水中的不溶性颗粒物易损坏传感器，所以，在传感器外部设防护罩，其外表面与水流方向相反，在保护传感器的同时防止不溶物穿过间隙，造成测量数据的波动，影响数据的准确性和稳定性。

2.1.3 电机测速电路

电机测速电路由FC-33红外型光电开关和20栅格光码盘构成，如图2（f）所示。光电开关间隙被非透明物遮挡时信号为低电平，未被遮挡时为高电平。当电机转动时，光码盘栅板交替遮挡红外线，光电开关反馈方波信号，Arduino通过算法分析信号得出转速，并反馈至上位机。

2.2 定量添加电路

定量添加电路是基于絮凝剂与浊度关系（式1）确定絮凝剂的添加量，通过调用2个库Servo.h和HX711.h，控制絮凝剂定量添加模块，实现药剂的精准倾倒。定量添加电路如图2（c）所示，它是由2个伺服电机、梁式称重传感器和HX711模块构成。HX711模块是四通道AD和单通道DA的电压输出型A/D转换模块，8位精度，可将称重传感器的模拟信号转换为数字信号，以提高精度。2个伺服电机呈上下分布，上层伺服电机与絮凝剂储存装置相连，下层伺服电机与梁式称重传感器连接。梁式称重传感器末端连接托盘，定量添加时，Arduino控制上层伺服电机缓慢将絮凝剂倾倒至下层称重托盘，由絮凝剂定量添加模块实时读取称重信息。当絮凝剂添加量达到预定值时，上层伺服电机停止倾倒并复位，下层伺服电机将称重托盘中絮凝剂倾倒至蓄水池中，下层伺服电机复位，定量添加过程结束。

絮凝剂与浊度关系式为：

式（1）中：V为雨水体积；α为实验常数；S为浊度；Sc为浊度修正常数（与设备有关，本装置为150）。

2.3 电机控制电路

电机控制电路由额外9 V电源、MOSFET晶体管和防反峰压二极管组成，如图2（e）所示。由于电机为感性负载，在断开瞬间会产生反峰电压，击穿晶体管，损坏电路，所以，在电机两侧反向并联耐压1 000 V二极管，以保护其他元件。

3 智能雨水净化处理系统程序设计

上位机程序即图形用户界面使用Processing语言编写，Processing语言是Java的扩展，支持很多现有的Java语言结构，使用方便。下位机程序即控制程序，使用C语言编写。

3.1 浊度和电机转速的测量与反馈

Arduino读取光敏电阻的模拟信号并反馈回上位机，Serial.println()函数反馈数据完毕后会自动加上换行符“ ”，方便上位机程序逐个接收数据而不至于相邻两数据重合，上位机程序可按照数据类型将其归类，避免数据混乱。通过millis()函数测得1.5 s的时间间隔，用计数器记得光栅交替次数。设转速为n（rpm），光码盘栅格数为k（个），时间为t（s），交替次数为C（次），在该装置中，k＝20，t＝1.5 s，带入式（2）化简得n＝2C。程序每隔1.5 s测算一次转速并反馈。

转速计算公式为：

3.2 数据反馈

数据反馈使用串口通讯。反馈内容为dataType:data Value 。dataType，包括 sensorVal、motorSpeed、servo1、servo2和sensorLightState，可有效避免不同数据的混淆。换行符' '可避免因两组数据合并而导致数据值分类、识别与转化出错。串口通讯使用Serial.print()函数，它会在反馈数据结束时自动在末尾添加换行符 。

3.3 数据的接收、分类与处理

该智能雨水净化处理系统采用Processing语言编写上位机程序，数据接收同样使用串口通讯。在setup()中使用bufferUntil(' ')，以接收到换行符为条件触发serialEvent()函数，分别接收2组以换行符分界的不同数据。在serialEvent()函数中利用split()函数，通过作为分割符号的冒号将数据前缀与数据值分离，并分别储存在一个字符串类型的维数组的2个元素中，利用switch case语句辨认数据前缀并分类处理数据值。针对motorSpeed、sensorLightState、servo1和servo2型数据，需要将字符串类型的数据值转换为整型并储存在相应的变量中。对于default（即sensorVal）型数据，则将数据值字符串转化为浮点数，如果上个数据与此数据的比值大于1.5，则判定数据超出误差范围，舍弃此数据，继续使用上一个数据，以此减小误差。

4 GUI可视化图形用户界面的设计

智能雨水净化处理系统可视化图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）利用Processing语言将系统的各项信息（水质和时间变化关系、舵机的转速与状态等）直观地显示在电脑屏幕上，如图5所示。用户图形界面主要由浊度图像、数据栏、伺服电机开关状态栏和电机转速栏4个板块组成。通过在setup()函数中调用bufferUntil()函数来检测数据是否完整，再利用serialEvent()函数来接受并分析处理数据；利用split()函数将从串口传输的不同类型的数据分类显示在GUI界面上；通过rect()函数对数据栏与开关状态栏进行局部覆盖，实现图像的原位实时更新。为了方便检测数据与浑浊程度的比较，在纵轴浊度的左侧有比色条，为水质判断提供更直观的参考。

图5 智能雨水处理系统GUI可视化图形用户界面

5 结论与展望

系统以雨水综合管理与回收利用为目的，基于Arduino开源开发平台，设计“海绵城市”理念的重庆住宅小区智能雨水收集与净化处理系统，通过智能检测、智能控制和GUI可视化图形用户操作界面实现贮水池水量调节和水质检测、雨水处理和净化回收的实时动态监控。系统界面友好、结构简洁、操作简单、成本低、体积小，既可以小范围安装运行，也可以采用联网模式，实现雨水的大规模集中管理与调控。同时，该系统还可进一步开发为手机移动APP终端，以方便雨水收集与净化处理的远程管理。

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