CN102591284A - 基于无线传感网络的污水处理工程监控系统 - Google Patents

Abstract

一种基于无线传感网络的污水处理工程监控系统，包括：多个无线监控子站、无线传输系统和无线监控主站，无线监测子站负责采集污水处理工程的现场设备的相关信息。监控系统需要转发的数据和命令都要经过无线传输系统通讯。无线监控主站包括监控软件、服务器、客户端和以太网交换机；客户端与服务器通过以太网交换机交换数据，服务器主要负责整个污水处理厂数据的存储与管理。本系统相对于传统的PLC控制系统具有数据处理能力强，系统的存储容量大，由于每一个数据采集模块具有独立的控制器，系统具有更强的可靠性。相对于传统的有线传输系统，本系统采用无线传输系统，系统的成本低、安装和调试方便的特点。

Description

基于无线传感网络的污水处理工程监控系统

技术领域

本发明涉及污水处理控制技术领域，具体涉及一种基于无线传输网络的污水处理工程监控系统。

背景技术

随着经济的发展，社会的进步，环境问题越来越受到人们的重视，特别是水污染问题，已经成为当今世界最重大的资源环境问题，日益引起人们的关注。世界各国都把水当作为一种宝贵的资源去研究、开发、利用和保护。在我国随着城市化进程的不断加快，城市污水的排放量正在逐年增加，工业废水和城乡生活污水向江、河、湖、海以及土壤中的大量排放，使地表水和地下水的水质日趋恶化，严重制约了经济的发展且危害着人类的健康。因此有效保护水资源不受污染，对于提高人民生活水平、促进经济社会发展和保障国家安全均具有重大的战略意义。水污染治理的关键环节之一在于能否对水质进行正确、客观的评估，通过科学有效的手段对污水处理厂设备按照运行工艺有效、准确控制。但是水中污染物质的浓度和分布是随着时间、空间、气象条件及污染源排放情况等因素的变化而不断改变的，因此必须采用在线实时监控的方法，随时随地的得到水中的污染物信息，这样才能快速分析并控制污染源，污水的处理方法达到最佳。在污水处理控制中，数据采集系统通常采用PLC作为控制单元，PLC的数据处理能力有限，运行速度慢，限制了系统性能的进一步提高；数据传输通讯方式通常采用传统的有线方式，需要大范围布线，给现场施工带来很大麻烦，而且容易受到化学腐蚀，投入及维护成本高。本发明采用ARM内核的微处理器作为主控系统，采用无线网络的方式完成信号的传输，实现了现场监测信息在各监测站的信息共享，有效的提高了污水处理厂的运行效率，具有性能高、成本低、便于安装等特点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有污水处理控制系统需要现场布设信号传输线，安装不便的缺点，设计一种直观的、低成本、高性能、高可靠性的无线传感网络技术水处理工程监控系统。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于无线传感网络的污水处理工程监控系统，包括：多个无线监控子站、无线传输系统和无线监控主站；

每个无线监控子站包括数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和中央控制器模块，数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块分别与中央控制器模块采用SPI总线连接，中央控制器模块采用ARM9作为主处理器，由Linux操作系统实现污水处理设备的底层驱动和任务管理；

数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块的主处理器采用嵌入式ARM7处理器，污水处理设备的运行状态信息由数字输入模块采集，污水处理设备的启停控制则由数字输出模块控制，模拟输入模块主要用来采集污水处理设备状态的各种模拟量，如原水流量、pH值、温度和浊度信息，模拟输出模块用来输出相应的模拟量，来对污水处理设备进行控制，如控制计量泵的频率、控制加氯机调开/调关的角度和风机变频器的频率，中央控制模块主要完成两个功能，一个是将数字输入、模拟输入模块采集到的数据处理后，通过无线传输系统发送给无线监控主站；另一方面通过无线传输系统接收无线监控主站发送过来的命令，例如污水处理设备的控制、模拟量采集和数字量采集，经过转译后发出对应的命令给数字输出模块和模拟输出模块；

无线监控主站包括监控软件、服务器、客户端和以太网交换机；客户端与服务器通过以太网交换机交换数据，服务器主要负责整个污水处理厂数据的存储与管理，客户端主要负责从数据库中读取数据，按照污水处理厂的工艺需求，完成水厂图形界面的显示，并根据污水处理厂的工艺向无线传输系统发送控制命令，从而实现生产工艺设备的遥控及设备参数的遥测；

监控软件主要监控污水处理的流程中所有设备参数的遥测、遥控、数据分析处理、系统网络状态的监测、报警，同时根据监测的水质参数，动态调整投加药剂量，优化污水处理的工艺参数，监控软件的显示画面由污水处理工艺流程图、数据点趋势图、系统报警图、操作控制实时显示图组成，其中污水处理工艺流程主要包括总貌画面和分组画面两个部分，这两部分属于从属关系，由总貌画面能够监测整个污水处理过程的工艺流程，如果要实现对分组污水处理工艺流程的监测，单击画面设备进入相应的设备画面，浏览该部分的设备运行状态；数据点趋势图则具有显示任何数据点趋势的能力，并在同一坐标轴上显示至少三个变量的趋势记录曲线，有可供用户选择的参数变量，不同颜色和不同的时间间隔，也可以对数据轴进行任意放大显示；系统报警图显示当前所有正在进行的过程参数报警和系统硬件故障报警，并按报警的时间顺序从最新发生的报警开始排起，报警优先级别和状态用不同的颜色来区别，未经确认的报警处于闪烁状态；操作控制实时显示图能根据现场运行人员或上级控制中心的命令控制污水处理水泵电机，进行启闭和停止操作。无线监控主站在每一个信息周期内收集污水处理厂的风机变频器状态，水泵、阀门状态，管道压力、流量、水位的信息，并将采集的参数发送给工业控制计算机，无线监控主站实时接收工业控制计算机的控制命令，将工业计算机的控制信号通过无线传输系统发送给每个无线监控子站，控制污水处理厂相应设备的启停，使污水处理工艺达到优化；无线监控主站定时发送自检测命令，检测整个系统的网络是否畅通，当发现监控系统的网络出现故障时，发送网络故障报警命令，并对故障的无线监控子站进行定位，监控系统的任何单个元件的故障不会造成污水处理厂生产设备的误动。

无线传输系统包括无线监控子站传输系统与无线监控主站传输系统，无线监控子站传输系统与无线监控主站传输系统通过无线形式交换数据，无线监控子站传输系统和无线监控主站传输系统采用工作在2.4Ghz工业免授权的ISM频段，每个无线监控子站和无线监控主站需要转发的数据和命令都要经过无线传输系统通讯，每个无线监控子站的中央控制器模块与无线监控子站传输系统相连接，无线监控主站的以太网交换机与无线监控主站传输系统相连接。

本发明还有其它技术特点：

1、所述的无线传输系统采用无线传感器网络，或采用无线以太网进行通信；网络采用分布式无线网络，网络结构采用星状网络，或通过路由的方式完成信号的传输，采用无线以太网网络通信时无线模块与主处理器间采用网口连接，采用ZigBee协议的无线传感网络通信时采用RS232串口连接。

2、所述的无线以太网传输系统采用Motorola公司的AP5131。

3、所述的数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块均采用独立的处理器，每种模块采用板卡式设计思想，处理器采用嵌入式ARM7处理器，各种模块与中央控制器模块之间采用SPI总线连接，与中央控制器连接的各模块可以根据污水处理任务任意组合。

本系统相对于传统的PLC控制系统具有数据处理能力强，系统的存储容量大，由于每一个数据采集模块具有独立的控制器，系统具有更强的可靠性。相对于传统的有线传输系统，本系统采用无线传输系统，系统的成本低、安装和调试方便的特点。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为监控子站的结构框图。

图3为无线传输主站系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

如图1所示，本发明包括多个无线监控子站、无线传输系统和无线监控主站。水泵、在线仪表、电磁阀、搅拌机、风机代表水处理工厂的现场设备，它们直接与无线监控子站的数据采集系统相连接，无线监测子站负责采集其相关信息。

如图2所示，每个无线监控子站包括数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和中央控制器模块，数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块分别与中央控制器模块采用SPI总线连接，中央控制器模块采用ARM9作为主处理器，由Linux操作系统实现污水处理设备的底层驱动和任务管理；

数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块的主处理器采用嵌入式ARM7处理器，污水处理设备的运行状态信息由数字输入模块采集，污水处理设备的启停控制则由数字输出模块控制，模拟输入模块主要用来采集污水处理设备状态的各种模拟量，如原水流量、pH值、温度和浊度信息，模拟输出模块用来输出相应的模拟量，来对污水处理设备进行控制，如控制计量泵的频率、控制加氯机调开/调关的角度和风机变频器的频率，中央控制模块主要完成两个功能，一个是将数字输入、模拟输入模块采集到的数据处理后，通过无线传输系统发送给无线监控主站；另一方面通过无线传输系统接收无线监控主站发送过来的命令，例如污水处理设备的控制、模拟量采集和数字量采集，经过转译后发出对应的命令给数字输出模块和模拟输出模块；

监控系统需要转发的数据和命令都要经过无线传输系统通讯。无线传输系统采用工作在2.4Ghz工业免授权的ISM频段，无需交纳频道使用费，且发射功率与天馈系统符合国家无线电管理的相关要求，功率低于1W。无线传输系统可以采用无线传感网络或者无线以太网通信。传输模块的电源管理将按照工业标准设计，并配置防雷装置。无线模块中收发芯片根据处理器的控制信号确定自身的工作状态：当处理器没有发送数据请求时则收发芯片处于接收模式，如果接收到有效信号后，解调后将其有效数据传输给中央处理器；如果处理器有发送数据请求，收发芯片将处理器传输的数据调制后发射。

通信采用的是时分双工的工作模式，即发射与接收链路在某一时刻只有一条工作。此外，本平台的射频输出功率要求可调，射频输出功率能够通过软件自动设置，增强了系统设计的灵活性。

在本发明中，无线传输系统布置根据实际情况可以采取两种方案：第一种方案采用星式网络，即在每个监控子站附近都布置一个无线传输模块，这些模块直接与监控主站附近的无线模块通信。第二种方案是采用分布式网络组网方式，即通过增加无线节点的数量，使监控子站通过路由的方式到达中心控制室。

如图3所示无线监控主站由以太网交换机、服务器和客户端构成。其中服务器存储了现场设备的运行状态和采集到的数据信息；以太网交换机负责和无线传输系统通信，可以接收来自监控子站采集的数据，也可以将服务器端的命令转发给无线传输系统，进而到达监控子站。客户端可以是PC机、移动终端、平板电脑等设备，在这些设备上用户通过编写工艺组态软件，即可直观、方便的观察设备的运行状况。控制终端通过以太网交换机与服务器相连，读取服务器的信息，运行上位机软件，多个终端可以同时运行，即监控主站支持多用户操作，并通过监控软件实时的显示出来。

监控软件主要生产工艺流程所有设备参数的遥测、生产工艺设备的遥控、数据接收和处理、无线监控网络状态的监测和报警、控制调节功能等功能。为了直观、方便的完成这些功能，监控软件的显示画面又由生产工艺流程图、数据点趋势图、系统报警图、操作控制实时显示图等几个部分组成。其中生产工艺流程主要包括总貌画面和分组画面两个部分，这两部分属于从属关系，由总貌画面能够监测整个生产过程的工艺流程，如果要实现对分组工艺流程的监测，单击画面设备进入相应的设备画面，浏览该部分的设备运行状态；数据点趋势图则具有显示任何数据点趋势的能力，并在同一坐标轴上显示至少三个变量的趋势记录曲线，有可供用户选择的参数变量，不同颜色和不同的时间间隔，也可以对数据轴进行任意放大显示；系统报警图显示当前所有正在进行的过程参数报警和系统硬件故障报警，并按报警的时间顺序从最新发生的报警开始排起，报警优先级别和状态用不同的颜色来区别，未经确认的报警处于闪烁状态；操作控制实时显示图能根据现场运行人员或上级控制中心的命令控制水泵电机，进行启闭和停止操作。

Claims (5)

1.一种基于无线传感网络的污水处理工程监控系统，包括：多个无线监控子站、无线传输系统和无线监控主站，其特征在于：

每个无线监控子站包括数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和中央控制器模块，数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块分别与中央控制器模块采用SPI总线连接，中央控制器模块采用ARM9作为主处理器，由Linux操作系统实现污水处理设备的底层驱动和任务管理；

数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块的主处理器采用嵌入式ARM7处理器，污水处理设备的运行状态信息由数字输入模块采集，污水处理设备的启停控制则由数字输出模块控制，模拟输入模块用来采集污水处理设备状态的各种模拟量，如原水流量、pH值、温度和浊度信息，模拟输出模块用来输出相应的模拟量，来对污水处理设备进行控制，如控制计量泵的频率、控制加氯机调开/调关的角度和风机变频器的频率，中央控制模块主要完成两个功能，一个是将数字输入、模拟输入模块采集到的数据处理后，通过无线传输系统发送给无线监控主站；另一方面通过无线传输系统接收无线监控主站发送过来的命令，例如污水处理设备的控制、模拟量采集和数字量采集，经过转译后发出对应的命令给数字输出模块和模拟输出模块，

无线监控主站包括监控软件、服务器、客户端和以太网交换机；客户端与服务器通过以太网交换机交换数据，服务器主要负责整个污水处理厂数据的存储与管理，客户端主要负责从数据库中读取数据，按照污水处理厂的工艺需求，完成水厂图形界面的显示，并根据污水处理厂的工艺向无线传输系统发送控制命令，从而实现生产工艺设备的遥控及设备参数的遥测；

监控软件主要监控污水处理的流程中所有设备参数的遥测、遥控、数据分析处理、系统网络状态的监测、报警，同时根据监测的水质参数，动态调整投加药剂量，优化污水处理的工艺参数，监控软件的显示画面由污水处理工艺流程图、数据点趋势图、系统报警图、操作控制实时显示图组成，其中污水处理工艺流程主要包括总貌画面和分组画面两个部分，由总貌画面能够监测整个污水处理过程的工艺流程，如果要实现对分组污水处理工艺流程的监测，单击画面设备进入相应的设备画面，浏览该部分的设备运行状态；数据点趋势图则具有显示任何数据点趋势的能力，并在同一坐标轴上显示至少三个变量的趋势记录曲线，有可供用户选择的参数变量，不同颜色和不同的时间间隔，也可以对数据轴进行任意放大显示；系统报警图显示当前所有正在进行的过程参数报警和系统硬件故障报警，并按报警的时间顺序从最新发生的报警开始排起，报警优先级别和状态用不同的颜色来区别，未经确认的报警处于闪烁状态；操作控制实时显示图能根据现场运行人员或上级控制中心的命令控制污水处理水泵电机，进行启闭和停止操作。无线监控主站在每一个信息周期内收集污水处理厂的风机变频器状态，水泵、阀门状态，管道压力、流量、水位的信息，并将采集的参数发送给工业控制计算机，无线监控主站实时接收工业控制计算机的控制命令，将工业计算机的控制信号通过无限传输系统发送给每个无线监控子站，控制污水处理厂相应设备的启停，使污水处理工艺达到优化；无线监控主站定时发送自检测命令，检测整个系统的网络是否畅通，当发现监控系统的网络出现故障时，发送网络故障报警命令，并对故障的无线监控子站进行定位，监控系统的任何单个元件的故障不会造成污水处理厂生产设备的误动；

无线传输系统包括无线监控子站传输系统与无线监控主站传输系统，无线监控子站传输系统与无线监控主站传输系统相连接，无线监控子站传输系统和无线监控主站传输系统采用工作在868MHz、915MHz或2.4Ghz工业免授权的ISM频段，每个无线监控子站和无线监控主站需要转发的数据和命令都要经过无线传输系统通讯，每个无线监控子站的中央控制器模块与无线监控子站传输系统相连接，无线监控主站的以太网交换机与无线监控主站传输系统相连接。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的污水处理工程监控系统，其特征是：所述的无线传输系统采用无线传感器网络，或采用无线以太网进行通信；网络采用分布式无线网络，网络结构采用星状网络，或通过路由的方式完成信号的传输，采用无线MESH网络通信时无线模块与主处理器间采用网口连接，采用ZigBee协议的无线传感网络通信时采用RS232串口连接。

3.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的污水处理工程监控系统，其特征是：所述的无线传输系统采用Motorola公司的AP5131。

4.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的污水处理工程监控系统，其特征是：所述的数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块均采用独立的处理器，每种模块采用板卡式设计思想，处理器采用嵌入式ARM7处理器，各种模块与中央控制器模块之间采用SPI总线连接，与中央控制器连接的各模块可以根据污水处理任务任意组合。

5.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的污水处理工程监控系统，其特征是：所述的无线监控子站传输系统和无线监控主站传输系统采用工作在868MHz、915MHz或2.4Ghz工业免授权的ISM频段，每个无线监控子站和无线监控主站需要转发的数据和命令都要经过无线传输系统通讯，每个无线监控子站的中央控制器模块与无线监控子站传输系统相连接，无线传输系统可以采用无线以太网模块或无线传感网络模块，采用无线以太网模块时，监控子站与传输系统之间采用网口连接，无线传输采用无线传感网络模块时，监控子站与无线传输系统之间采用RS232串口连接。

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