教授222
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0 引言[p=32, null, left]随着各企业不断入驻工业园区, 企业排污不断加重, 如何协调环境与企业发展成了一个不可回避的现实问题[[backcolor=transparent][url=/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&filename=JYRJ201612014&v=Mjc0MzlLREg4NHZSNFQ2ajU0TzN6cXFCdEdGckNVUkxPZlkrUnVGaURoVmIvS0x6VFpaTEc0SDlmTnJZOUVZSVE=&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYzVnB3WXI4RFQwQ2l2NTdicFVXWDFxVHdXWVUrZz0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!]1[/url][/backcolor]]。因此, 设计一种有效的实时监测系统, 实现对污水的有效监测对于园区而言非常必要。目前, 大部分工业园区采用机械化控制和人工定时定点采样的方法对工业污水信息进行监控, 泄漏污水的信息经过较长时间才能被检测到, 实时性和有效性较差。[/p]
[p=32, null, left]很多研究者设计并实现了基于物联网的监控系统:文献[[backcolor=transparent][url=/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&filename=SXHG201703039&v=MDg5ODJDVVJMT2ZZK1J1RmlEaFZiL0tOalhEYWJHNEg5Yk1ySTlHYllRS0RIODR2UjRUNmo1NE8zenFxQnRHRnI=&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYzVnB3WXI4RFQwQ2l2NTdicFVXWDFxVHdXWVUrZz0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!]2[/url][/backcolor]]采用自动监控技术, 文献[[backcolor=transparent][url=/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&filename=YBJS201612022&v=MDEyMTFOclk5SFpvUUtESDg0dlI0VDZqNTRPM3pxcUJ0R0ZyQ1VSTE9mWStSdUZpRGhWYi9LUEMvQmZiRzRIOWY=&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYzVnB3WXI4RFQwQ2l2NTdicFVXWDFxVHdXWVUrZz0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!]3[/url][/backcolor]]设计了基于安卓客户端的监控系统, 文献[[backcolor=transparent][url=/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&filename=DZRU201710167&v=MTA2NTA1NE8zenFxQnRHRnJDVVJMT2ZZK1J1RmlEaFZiL0tJVGZaZTdHNEg5Yk5yNDVEWTRRS0RIODR2UjRUNmo=&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYzVnB3WXI4RFQwQ2l2NTdicFVXWDFxVHdXWVUrZz0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!]4[/url][/backcolor]]设计了基于Web的污水自动监控系统, 文献[[backcolor=transparent][url=/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&filename=DZRU201606121&v=MTU1NTZaWVFLREg4NHZSNFQ2ajU0TzN6cXFCdEdGckNVUkxPZlkrUnVGaURoVmIvS0lUZlplN0c0SDlmTXFZNUg=&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYzVnB3WXI4RFQwQ2l2NTdicFVXWDFxVHdXWVUrZz0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!]5[/url][/backcolor]]设计了基于视觉的智能污水监控系统。但总体来看, 上述系统均存在布设条件要求严苛、设备复杂、价格高昂等缺点。为了更有效地监管各企业的污水排放情况, 保证工业污水的实时监控, 本文从污水pH值的监控着手, 考虑到园区面积、布设要求和成本要求, 设计了一套实时监控系统。利用不断发展的物联网[[backcolor=transparent][url=/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&filename=DZJY201702040&v=MDc4NjFUZkJkN0c0SDliTXJZOUJaSVFLREg4NHZSNFQ2ajU0TzN6cXFCdEdGckNVUkxPZlkrUnVGaURoVmIvS0k=&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYzVnB3WXI4RFQwQ2l2NTdicFVXWDFxVHdXWVUrZz0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!]6[/url][/backcolor],[backcolor=transparent][url=/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&filename=DZJY201508006&v=MzE1NjNCZDdHNEg5VE1wNDlGWW9RS0RIODR2UjRUNmo1NE8zenFxQnRHRnJDVVJMT2ZZK1J1RmlEaFZiL0tJVGY=&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYzVnB3WXI4RFQwQ2l2NTdicFVXWDFxVHdXWVUrZz0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!]7[/url][/backcolor]]和云计算[[backcolor=transparent][url=/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&filename=YBJS201612030&v=MDA3MTF1RmlEaFZiL0tQQy9CZmJHNEg5Zk5yWTlHWklRS0RIODR2UjRUNmo1NE8zenFxQnRHRnJDVVJMT2ZZK1I=&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYzVnB3WXI4RFQwQ2l2NTdicFVXWDFxVHdXWVUrZz0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!]8[/url][/backcolor]]、云存储技术, 采用长距离传输的LoRa[[backcolor=transparent][url=/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&filename=XDDJ201614014&v=MDM5MTJxNDlFWUlRS0RIODR2UjRUNmo1NE8zenFxQnRHRnJDVVJMT2ZZK1J1RmlEaFZiL0tQU25QWkxHNEg5Zk4=&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYzVnB3WXI4RFQwQ2l2NTdicFVXWDFxVHdXWVUrZz0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!]9[/url][/backcolor],[backcolor=transparent][url=/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&filename=XTFZ201205032&v=MjA2OTgvS1BUbk5kTEc0SDlQTXFvOUdab1FLREg4NHZSNFQ2ajU0TzN6cXFCdEdGckNVUkxPZlkrUnVGaURoVmI=&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYzVnB3WXI4RFQwQ2l2NTdicFVXWDFxVHdXWVUrZz0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!]10[/url][/backcolor]]作为无线传输方式, 将数据传输至One Net云端平台, 减少硬件投入。应用终端采用广泛普及的微信公众号, 便于园区管理人员和企业用户实时查询信息和管理。使用本文系统可自动、实时在线、精确掌握各企业的污水排放情况, 弥补了传统人工方式监测不连续、监测数据缺乏代表性等不足, 同时也大大节省了人力和财力, 提高了监管水平。[/p]
1 系统设计[p=32, null, left]系统总体结构框图如图1所示。系统从功能结构上可以划分为工业废水的pH值采集模块、LoRa基站、公共云平台以及应用终端四部分。信息采集模块完成污水的pH值采集, 通过数据处理、模数转换并经过LoRa发送端传输至LoRa基站。LoRa网关作为数据汇聚节点负责数据的接收、压缩并驱动网络传输模块内的Ethernet通信模块, 把采集到的数据传输到处于Internet中的物联网云端服务平台。数据包存储于云端服务平台的数据库中。应用终端可以是微信公众平台和Web平台。通过互联网对物联网云服务器中的工业污水pH值数据进行实时获取, 并对获取的数据进行解析处理, 最后通过直观的实时曲线图显示。通过上述四部分完成了工业污水pH值信息从监测点到监测中心的传输, 实现了一个完整的工业污水远程实时监测系统结构。[/p]
[backcolor=transparent] [/backcolor][p=22, null, left]图1 系统总体结构框图 [backcolor=transparent][url=]下载原图[/url][/backcolor][/p]
2 系统硬件设计[p=32, null, left]pH值采集终端和通信系统的硬件结构设计如图2所示。系统主要包括pH值检测模块、数据采集处理模块、微处理器模块、LoRa无线通信模块和电源管理模块等。在需要检测的工业污水池中按照面积需求, 部署一个或多个pH值检测模块, 执行工业污水pH值的数据采集、处理以及无线传输等操作。采集到的pH值数据通过LoRa无线通信模块汇聚到LoRa网关, 再通过Ethernet网络传输模块通过Internet网络传输到远程污水监控中心。工作人员或用户利用应用终端 (微信公众号平台和Web查询平台) 访问云端服务器, 实现对所监测区域内工业废水pH值的实时查询、历史数据查询、生成趋势变化曲线以及进行其他数据的分析工作。[/p]
[backcolor=transparent] [/backcolor][p=22, null, left]图2 pH值采集终端及数据通信硬件组成图 [backcolor=transparent][url=]下载原图[/url][/backcolor][/p]
2.1 pH值检测模块[p=32, null, left]pH值检测探头采用杭州联测公司生产的SIN-pH-160-pH型工业级探头, 其测量范围为0～14, 测量精度≤0.01, 适用温度为0～60℃, 响应时间为5 s。传感器可直接放入水下测量。pH值探头通过BNC接头和T16型信号采集模块相连接, 把采集到的pH值信号放大, 以模拟电压的形式输出, 该信号连接到MCU模块的模拟输入端口, 进行模数转换处理等操作。[/p]
2.2 微处理器和LoRa无线通信模块[p=32, null, left]系统采用MultiConnect®mDotTM集成模块完成数据处理和无线发送[[backcolor=transparent]11[/backcolor]]。该模块集成了ARM®mbedTM可编程配置的微处理器和长距离低功耗LoRa无线发射模块, 提供长距离双向数据通信, 在无遮挡条件下, 通信距离可达16 km, 在建筑物内, 通信距离可保持约2 km。[/p]
[p=32, null, left]STM32F411RET微控制器集成了Cortex®-M4内核 (具有浮点单元) , 对接收到的污水pH值信号进行模数转换和处理后, 可把数据传输给LoRa无线通信模块SX1272。[/p]
2.3 LoRa网关模块[p=32, null, left]网关模块采用MultiConnect®ConduitTM[[backcolor=transparent][url=http://scholar.cnki.net/result.aspx?q=Data Sheet:MultiConnect? ConduitTM rogrammable Gateways(WiFi/Bluetooth/GNSS Models)]12[/url][/backcolor]], 用户可以选择不同的网络连接方式连接数据管理平台, 包括运营商核准的4G-LTE, 3G, 2G和Ethernet。不同规格的MultiConnect®mCardTM附件卡可直接插入Conduit网关后面, 提供不同的本地有线或无线连接。基于本文系统的应用场景, 分别选用LoRaWANTM和Ethernet mCard作为网关, 将数据通过互联网上传至云端服务器。本文系统鉴于应用场景的设计需求, 选用Ethernet的mCard, 选择的本地连接通信方式为LoRaWANTM, 选用Node-RED开发平台。考虑到LoRa高达15 km的通信距离, 在一个工业园区内, 只需布置1个网关模块即可实现数据通信。[/p]
3 系统软件设计3.1 系统实现功能[p=32, null, left](1) pH值监测终端作为一个水质分析的检查节点, 水质监控中心既可远程进行控制管理, 也可实现单机运行, 人工交互等控制分析。[/p]
[p=32, null, left](2) 具有24小时全天候智能化无人监测功能。[/p]
[p=32, null, left](3) 远程监控中心的服务器可实时在线监测水质污染程度, 并存储历史监测数据。[/p]
[p=32, null, left](4) 可通过微信公众平台和Web平台实现对工业废水pH值的实时查询、历史数据查询、生成趋势变化曲线以及进行其他数据的分析工作。[/p]
3.2 软件设计[p=32, null, left]设计时主要考虑的要素包括操作简单, 易于非专业人员管理等。根据系统功能需要, 软件设计流程如图3所示。系统定时进行水质监测, 其他时间系统处于休眠状态。水质传感器采集到水质数据后, 采用程序中断将数据传送到网关, 在水质监测终端无线网络中, 每个终端设备的地址信息均固定, 监控基站作为网关节点与远程控制中心主机通信, 通过控制网络内的通信时序, 远程监控中心可以对水质监测终端节点进行寻址。水质监测终端的主要功能是对水质数据进行采集、预处理与无线传输, 监控基站网关则汇集各传感器节点数据进行转发, 并接收主站命令, 之后转发到各节点。[/p]
[backcolor=transparent] [/backcolor][p=22, null, left]图3 软件设计流程图 [backcolor=transparent][url=]下载原图[/url][/backcolor][/p]
4 公共云平台[p=32, null, left]本文系统以中国移动物联网开放平台 (OneNet平台) 作为云端数据的存储处理中心。OneNet物联网平台作为数据中转协调中枢, 是上层管理系统与设备终端进行数据交换的核心, 设备终端把采集到的pH值信息通过WLAN网络以平台可以识别的EDP协议数据包格式上传给平台, 并接收平台的EDP数据包指令;上层控制系统通过RESTFUl API与平台进行数据交换。[/p]
[p=32, null, left]系统在OneNet平台上构建的系统设备列表信息见表1所列, 包括pH值监测终端设备。设备列表中可以看到用户账户内的所有设备, 以及该设备所关联的应用。同时还可以对设备进行编辑、删除、查看详情、数据流管理、添加触发器以及调试等操作。[/p]
[p=22, null, left]表1 OneNet平台设备信息列表 [backcolor=transparent][url=]下载原表[/url][/backcolor][/p][backcolor=transparent] [/backcolor]
5 微信公众平台[p=32, null, left]基于物联网的工业废水pH值远程智能监测系统的终端是手机客户端中的微信软件。要使得手机微信公众号发送的请求命令能够被响应, 需要将手机微信公众号与OneNet云端绑定。微信公众号发送请求指令到OneNet平台, 服务器读取数据库中的数据发送回微信公众号。该指令和返回消息的具体文字信息是OneNet平台用PHP语言作为交互的脚本语言, 对客户端发送的指令进行解析与判断, 预先建立一个知识库系统, 用于实现对特定语句的回应。例如, 本文系统中公众微信号发送请求指令“查询”, 会得当前时间硬件设备所检测到的pH值信息。[/p]
[p=32, null, left]在完成微信平台和OneNet平台的绑定后, 就可以同时在OneNet平台的应用管理端和微信端查看设备的数据信息。[/p]
6 系统测试与应用[p=32, null, left]该系统在重庆市电镀工业园区四家公司的排污水池进行实验, 实验场地和方式如图4所示。分别对前处理废水、综合废水、络合废水和含铬废水等的pH值进行监测。所得到的数据可以通过关注微信公众号SiFOX进行实时查询, 授权用户可以查询到所有终端数据。图5所示为某公司的废水实时监控数据曲线在OneNet平台和微信公众号上的显示。[/p]
[backcolor=transparent] [/backcolor][p=22, null, left]图4 设备现场应用安装图 [backcolor=transparent][url=]下载原图[/url][/backcolor][/p]
[backcolor=transparent] [/backcolor][p=22, null, left]图5 OneNet平台应用管理端和手机微信端所显示的数据信息 [backcolor=transparent][url=]下载原图[/url][/backcolor][/p]
[p=32, null, left]该系统自2017年2月运行以来, 无线传感器网络传输稳定可靠, pH值数据采集准确正常。云端Web服务运行稳定, 接口响应迅速, 数据返回完整准确。数据中心工作正常, 未出现慢查询或查询异常现象。现场测试运行结果表明, 系统整体稳定可靠, 符合预期设计要求和生产要求, 可有效提高对工业废水的监控管理水平。[/p]
7 结语[p=32, null, left]本文提出的基于云平台和LoRa工业废水pH值监测系统, 通过在相关污水池或者排污口等关键位置部署无线水质监测终端, 并在一定范围内设置监测基站对所有传感数据进行收集, 然后通过互联网将数据传送给远程监控中心服务器, 方便工作人员远程实时监控相关水域的污染程度。系统实现了实时监控、历史数据的存储与查询等功能, 其易用性与可扩展性均大幅提高, 且大范围水域监控网络建设成本较低, 具有极高的推广价值。[/p]
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