从物联网角度对农村生活污水处理系统的设计

江汉大学人工智能学院 陈廷玉 胡小波 夏铭遥 谭志平 吴静平

以物联网技术为桥梁，以无线传感综合信息传输建设为基础，构建农村污水处理的智能监测服务系统。着重于污水处理过程监控与数据综合分析等领域的提高，建成一个集污水自动监控、污水处理过程监控、水质监测功能于一体的智能监测服务系统。

由于科技水平提高、环保意识增强以及污水处理技术发展都是一个逐渐发展的过程，致使各个环保部门的应用系统大多是独立建设的，缺乏在数据共享、业务协同方面的统筹规划，导致重复建设、“信息孤岛”的现象多见且严重。由此造成投资效益难以提升，资金浪费严重，数据利用率低，建设成效不如人意等一系列问题。而现如今的污水处理技术已得到大范围推广,加上环保物联网技术和应用的快速发展，在其管理机制以及方式方法方面的改变也就迫在眉睫。通过建立一个完备的监测监控体系，进而构建出一个数据信息共享平台，经过准确的数据和有效信息的共享后，打破原有区域的固有限制，保障信息共享来降低信息化建设过程中的风险，实现通过技术创新不断推动管理创新的目标。

1 农村污水处理系统的设计

1.1 系统结构

系统主要由PH值测试传感器模块、信号处理和无线通信模块、液体涡轮流量计、STM32F103ZET6主控制模块、PC端监控显示设置组成，系统框图如图1所示。

图1 系统框架结构图

从进水口以及出水口处的模块获取流量和PH值电信号，由主控制模块将所得电信号转换成相应的数字信号。STM32主控制模块将处理后的数据通过无线传感器模块以数字信号的形式传输到PC终端。PC终端将接收到的有序的数据储存在数据库中。同时管理人员也可以通过电脑显示屏看到各污水处理节点的数据。根据流入流出量的起伏数据判断处理过程是否存在异常，若判断异常则系统通过声音和图像报警，并标出显示问题部位和异常数据。

1.2 系统功能

平台可以实现远程监控、实时记录与自动报警等功能，如实时自动获取监测水泵和风机的运行数据，能克服诸多并不方便人前往解决的问题，更加方便与安全的获取数据，降低人工成本。而且通过物联网信息平台，我们可以从那些原始数据中更快速的找到问题的根源，进而采取最佳污水处理方案。

可以通过水流量计实时自动的监测污水处理设备各部分的水流量，并记录下各部分污水处理设备每天处理后余留的水质情况，如氨氮、COD以及总磷等水质相关数据信息。在对数据进行储存与分类后传至PC端显示，可以由此对处理设备的运行效能进行判断，为控制合适的进出水量以及得到合格的水质数据提供可靠的基础信息，同时对设备是否会出现渗漏、堵塞等异常情况进行有效的监测。

2 系统模块

2.1 监测设备

系统的完成需要在农村生活污水处理设备处布置相应监测设备，以测得并传输处理污水前后的相应数值。这些的监测设备，包括水流量计、PH值测量传感器、氨氮水质监测器、物联网网关设备、图像传感器和动力设备状态监测传感器等。物联网平台预设相关数据传输接口，通过这些接口远程接收各种监测设备所得实时数据，包括实时水流量、水流酸碱度、含氧浓度、动力设备状况以及维护人员维护次数等，也可以利用图像传感器来查看现场整体情况。

监测单元CAC在线监测系统的运行控制，包括所有检测设备的在线监测数据的汇集、综合分析、故障诊断、监测预警、数据展示、存储和标准化数据转发等功能。

2.2 数据库

数据库是处理数据的中心，主要由服务器和存储设备组成，用于提供计算运算，以及监测设备上传数据与图像资料的存储和分析。采用Mysql数据库将不同传感器的数据放在不同的对象下，再以时间为尺度进行时间序列存盘。实现在线数据的集中管理，并具有与上层平台通信及内部信息一体化平台交互的能力。支持CAC与监测装置及CMA通讯规范。

2.3 系统管理平台

系统管理平台包含有所管辖区域的数据接入、基础信息数据库的查询和综合处理功能，储存有关于监测设备、基础数据信息、设备运行状态数值等资料。可在平台对应的不同的区块中根据所要查询的信息内容进行查询，如具体步骤数值、处理方法、规格形式等信息。通过查看相应农村生活污水处理设备的各项基础信息以及运行维护信息，了解设备运行状态，同时依据查询所得水流量、水质等数据体现出污水处理系统的具体情况，并对相应运行情况进行分析。

2.4 PC终端

在管理人员登陆到PC端时，PC端的屏幕会对农村生活污水处理的数据进行自动展示，实时显示出各处理部分的运行情况、处理环境情况以及各部分之间数据变化的情况，力求避免堵塞以及其他突发情况的出现。系统会根据设定好的程序，将监测到的数据异常、运行故障等问题以图像的形式显示在屏幕上。当设备状态出现超出预定值的变化时，系统检测到异常，屏幕上将显示相应指标数据，部分字体颜色改变，提示出现异常并触发报警，在屏幕上展示图像中的相应位置，同时展示在平台的报警栏中，提醒管理人员设备存在异常，需要及时处理。功能大致如图2所示。

图2 功能图

3 技术实现途径

系统利用STM32F103ZET6单片机进行设计，采用C语言编写，通过STM32单片机对各个传感器进行控制，采用Mysql数据库将不同传感器的数据放在相应的对象下，以时间为尺度进行时间序列存盘。在发出警报时，根据事先设定的规则，将系统自动监测到的相关设备运行故障报警、数据异常报警等问题以图像以及数据颜色改变等形式发送到相应的通讯设备上。

4 项目总结

本系统从农村污水处理入手，提出利用物联网技术对设施运行情况进行远程监控的思路，通过PH值测量传感器、氨氮水质监测器、水流量计等设备采集相应数据进行数据分析，得到相关的污水处理情况，从而实现对处理情况远程监控的目的。而对污水处理数据的汇总分析更能够直观的发现故障，进一步保证设备的良好稳定运行。通过对流量、水质、含氧量等的统计分析，辅助改进原有的污水处理流程，实现对农村污水处理的智能化监控。