CN104155926A - 一种农村微动力污水处理设施远程自动报警器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农村微动力水质及设备异常远程自动报警器，主要包括数据处理中心和数据采集终端两部分。数据处理中心负责监测数据的预处理、运算及存储、设备控制指令的生成及执行、预警信息的发送、设备运行状态的监测等；数据采集终端通过部署的DO、PH和ORP电极获取原始的水质监测模拟电压信号；本发明集成了短信自动预警、水质监测、设备智能控制与监测功能，具有高集成度、智能化、设备安装简单、配套设施少、运营成本低、预警及时、性能稳定的特点，有效解决了现有监测预警系统存在的配套设施多、建设维护成本高、不确定性因素多的问题。

Description

一种农村微动力污水处理设施远程自动报警器

技术领域

本发明涉及一种远程自动报警器，尤其涉及一种农村微动力自主污水处理设施的远程自动报警器。

背景技术

在农村微动力生活污水处理设施的运营过程中，需对设备运行状态及出水水质等进行监测，以获取污水处理设施的实时运营情况。现在采用的监测手段主要分为有线监测和无线监测两种。

有线监测通过在现场部署网线和相应的监测设备来实现污水处理设施运营状态的远程监测。其存在的主要缺点有两点：其一、有线监测系统部署难度大，需要为其专门铺设通信线路，建设成本高、难度大；其二、可靠性较差，数据传输线路部署于野外，易受环境和气候变化影响而导致线路老化、断裂、接线松动、雷击破坏等意外情况的发生。

3G无线监测则是通过在监控现场部署3G无线路由器和监测设备来实现污水处理设施运营状态的远程无线监测。与有线监测相比，无线监测无需为其专门布线，大大降低了初期的建设成本和难度，且不会出现线路老化和断裂等有线监测易出现的意外情况。但无线监测存在网络稳定性差(尤其是偏远农村)，易造成网络信号中断或信号不稳的缺点。另外，3G网络并未完全覆盖到所有农村，在一些偏远农村连接不到3G网络，从而导致站点无法监测。

以上两种监测方案均需后台服务器等配套设施的支持，建设成本高。若服务器发生故障或崩溃，则整个监测网络就处于瘫痪状态，监控风险较高。另外，在正常情况下，用户不需要对污水处理设施的实时运营状态进行监测，由于工艺流程已调试完成，只要设备正常运营，出水水质就不会超出正常范围。用户所需要的是能及时发现污水处理设施发生的异常情况，以便及时做出响应和处理即可。通过在现场部署相应的监测设备和数据处理器对设施的实时运行数据进行监测，若监测值超出正常范围，则通过短信平台自动将异常情况以短信的形式发送到用户指定手机，告知预警信息。从而实现异常情况的及时告知和响应，并有效降低建设成本和监控成本。

发明内容

鉴于上述原因，本发明提供一种农村微动力污水处理设施远程自动报警器，以解决现有污水处理设施远程监测方案存在的建设成本高、网络不稳定、意外情况多发的问题。

为实现上述目的，提出的解决方案如下：

一种农村微动力污水处理设施远程自动报警器，包括数据采集终端和数据处理中心；所述数据采集终端包括PH电极、DO电极、ORP电极、温度探头，液位控制器，用于采集水质监测模拟电压信号；所述数据处理中心包括RS485/RS232接口、数据预处理单元、嵌入式数据处理器、数据存储器、继电器控制单元、电压监测单元、电线接线桩组、手机短信预警单元、液晶显示单元，用于对由数据采集终端的水质监测模拟电压信号进行去噪、运算、判定，生成设备控制指令控制设备运行，对设备运行状态进行实时监测和运算、判定设备运行状态，在异常事件发生时，自动生成预警短信并发送到制定人员手机；

所述RS485/RS232接口一端与数据预处理单元连接，另一端与水质监测电极(PH电极、ORP电极、DO电极)相连接，水质监测电极负责获取水质监测模拟电压信号，并将采集到的水质监测模拟电压信号通过RS485/RS232接口传递给数据预处理单元进行去噪、放大等预处理；

所述嵌入式数据处理器与数据预处理单元、数据存储器、液晶显示单元、继电器控制单元、电压监测单元连接，用于水质监测数据的进一步处理和运算，并将监测数据转换成可读的水质监测数据在液晶显示单元进行显示；通过数据比对和判别，判断水质是否超标；根据设备控制算法和采集到的实时数据进行运算，生成设备控制指令，并对设备运行状态的监测数据进行实时运算和判定；

所述水质监测模拟电压信号经数据预处理单元预处理后传递给嵌入式数据处理器，嵌入式数据处理器从数据存储器中读取存储的设备控制算法、水质监测数据转换算法以及设定的各监测数据的控制范围等预存储数据和算法，对预处理后的水质监测模拟电压信号作进一步处理和运算，将模拟监测信号转换为数字信号发送给液晶显示单元进行显示，对监测数据是否可控做出判断，并生成相应的设备控制指令下发给继电器控制单元，电压监测单元将电压监测信号发送给嵌入式数据处理单元，嵌入式数据处理单元从数据存储器中读取设备状态判定阈值，对设备运行状态进行判定，并通过与设备控制指令进行对比来判定设备故障与否，若监测数据判定结果为不可控或设备故障，则嵌入式数据处理器将判定结果、对应的监测数据以及管理员信息发送给手机短信预警单元，由手机预警单元生成预警短信发送给管理员；

所述继电器控制单元上与嵌入式数据处理器连接，下经电压监测单元通过接线桩与污水处理设备相连接，继电器控制单元从嵌入式数据处理器接收设备控制指令，并根据设备控制指令控制继电器的吸合和断开，从而达到控制相应设备的目的；

所述数据存储器与嵌入式数据处理器连接，用于存储设备控制算法、税制监测数据转换算法、设备状态判定阈值、水质监测数据的控制范围以及站点名称、编号、管理员等信息；

所述液晶显示单元与嵌入式数据处理器连接，用于实时接收和显示经嵌入式数据处理器处理过的水质监测数据和设备运行状态，以及对系统控制参数进行配置等；

所述电压监测单元分别与继电器控制单元，电线接线桩组、嵌入式数据处理器连接，用于对污水处理设备电源接入端的电压进行定时扫描，并将扫描到的电压值发送给嵌入式数据处理器进行进一步的处理和判定；

所述手机短信预警单元与嵌入式数据处理器连接，实时接收嵌入式数据处理器发送的水质异常或设备故障以及管理员信息等，并根据接收到的异常数据生成预警短信，并自动发送到管理员手机，若发送失败，则自动重发短信直至短信发送成功。

所述数据采集终端通过RS485/RS232接口与所述数据处理中心相连，主要用于采集出水水质的水质监测模拟信号数据，并将采集到的监测数据经RS485/RS232接口发送给数据处理中心进行处理和运算。

所述远程自动报警器，集成了水质监测、设备智能控制、设备运行状态监测、异常自动短信报警功能。

由上述方案可知，本发明公开的远程自动报警器能自动实现水质和设备运行状态的实时监测以及设备的自动控制，并将预警信息及时地发送到站点管理人员手机，缩短预警响应时间，能有效解决现有方案存在的设备安装复杂、配套设施多、运营成本高、网络覆盖低、网络信号不稳定的问题。

附图说明

图1为本发明实施例公开的一种远程自动报警器的结构框图。

图中：1：数据处理中心；11：RS485/RS232接口；12：数据预处理单元；13：嵌入式数据处理器；14：数据存储器；15：继电器控制单元；16：电压监测单元；17：电线接线桩组；18：液晶显示单元；19：手机短信预警单元。2：数据采集终端；21：PH电极；22：DO电极；23：ORP电极；24：温度探头；25：液位控制器。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种远程自动报警器，以解决现有水质监测预警和设备控制存在的设备安装复杂、配套设施多、运营成本高、网络覆盖低、网络信号不稳定的问题。

如图1所示，本实施例公开的远程自动报警器，包括：

数据处理中心1；

包括与数据处理中心1和数据采集终端2连接的RS485/RS232接口11、对采集数据进行预处理的数据预处理单元12、对监测数据进行进一步计算、生成控制指令和预警信息的嵌入式数据处理器13、用于存储设备控制算法及水质监测数据转换算法的数据存储器14、用于执行设备控制算法，对设备进行控制的继电器控制单元15、用于监测设备电压值的电压监测单元16、用于设备接入的电线接线桩组17、用于设备状态显示及系统设置的液晶显示单元18、用于发送手机预警短信的手机短息预警单元19。

与数据处理中心1通过RS485/RS232接口11连接的、用于获取水质、液位等原始监测数据的数据采集终端2；

包括用于获取出水PH电压监测值的PH电极21、用于获取出水溶氧电压监测值的DO电极22、用于获取出水ORP电压监测值的ORP电极23、用于获取出水温度电压值的温度探头24、用于获取原水池液位高低的液位控制器25。

具体的，采用本实施例公开的农村微动力远程自动报警器进行农村微动力污水处理出水水质和设备控制运行状态监测时，在集水池(又称原水池)中部署液位控制器25(又称浮球)；在厌氧生化处理池中部署PH电极21和ORP电极23；在好氧生化处理池(又称曝气池)中部署DO电极22；温度探头24与DO电极22一样部署于好氧生化处理池(新型DO电极自身大多带有温度测量功能，若采用带温度测量的DO电极，则可省去温度探头24)；污水泵(又称提升泵，部署在原水池中)、曝气机(部署在好氧生化处理池中)、回流泵(部署在沉淀池中，将污泥回流至好氧和厌氧生化处理池中，以保证生化处理池中有足够的微生物对污水进行生化处理)的电源线通过电线接线桩组17接入本实施例公开的远程自动报警器。

数据采集终端2通过部署在原水池及生化处理池的电极获取水质监测模拟电压信号；获取的模拟电压信号数据经RS485/RS232接线端11传递给数据处理中心1；在数据处理中心1中数据预处理单元12对接收到的模拟电压信号进行去噪、放大等预处理后，传递给嵌入式数据处理器13进行进一步的运算，嵌入式数据处理器13从数据存储器14中读取存储的水质监测数据转换算法以及水质监测参数控制范围，将处理后的模拟电压信号转化成可读的数字形式的水质监测数据，并对监测数据是否可控做出判定，若判定结果为不可控，则自动从数据存储器14中读取站点编号以及管理信息等数据，连同判定结果、对应的监测数据等传递给手机短信预警单元19，由手机短信预警单元19对预警信息进行整合，生成预警短信发送给管理员。PH、ORP、溶氧DO的计算方法如下所述：

一、PH和ORP值的计算

PH电极和ORP电极原理相同，其实质均是由玻璃电极和甘汞(也可用Ag/AgCl)参比电极组成的电池，可根据能斯特方程式计算出与溶液PH相关的电位差：S_ph＝E_x-E₀。

能斯特方程式常用于计算电极上相对于标准电势E₀的指定氧化还原对的平衡电压值E，只有在氧化还原对中两种物质同时存在时，能斯特方程才具有实际意义，方程式如下：

$E=E_0-\frac{\mathrm{RT}}{\mathrm{nF}}\ln \frac{a_{\mathrm{red}}}{a_{\mathrm{ox}}}=E_0+\frac{\mathrm{RT}}{\mathrm{nF}}\ln \frac{a_{\mathrm{ox}}}{a_{\mathrm{red}}}$

常温25℃＝298.15K时，存在此时，能斯特方程可简化为：

$E=E_0-\frac{0.05916}{n}\lg \frac{\left[\mathrm{red}\right]}{\left[\mathrm{ox}\right]}=E_0+\frac{0.05916}{n}\lg \frac{\left[\mathrm{ox}\right]}{\left[\mathrm{red}\right]}$

式中，

(1)R＝8.314472J/K.mol为理想气体常数；

(2)T是温度，单位为K；

(3)a代表化学物质的活度(活度＝浓度*活度系数)，[red]还原型，[ox]氧化型。

(4)F＝96485.3365C/mol为法拉第常数；

(5)n为半反应式的电子转移数量，单位mol；

(6)[氧化型]/[还原型]表示参与电极反应所有物质浓度的乘积与反应产物浓度乘积之比，浓度的方次与它们在电极反应中的系数相等。

运算所得电位差进行具有高输入阻抗的前置放大器放大(G＝3.98)，热敏元件送出对应温度值的信号，两组信号被放大后经A/D转换成可读监测数据，经I/O接口芯片及嵌入式数据处理器运算后再液晶显示单元中给予显示。

一个PH值对应的电压值为59.16mv，则PH(0～14)对应的电压范围为-414.12mv～414.12mv,经放大器放大并抬升1.65v后，电压范围为0v～3.3v。

若不对PH使用校正液矫正，则：

T＝25；V_PH0＝0v；V_PH7＝1.65v；V_PH14＝3.3v；

由此计算斜率和V_PH0＝0v。

若使用PH矫正液进行PH矫正，则：T＝25；

第一点：输入PH矫正液PH值，读V₁(第一点PH₁＝7.0)；

第二点：输入PH矫正液PH值，读V₂(第二点PH₂＝4.01)；

由此计算斜率 $K=\frac{V_1-V_2}{{\mathrm{PH}}_1-{\mathrm{PH}}_2}$ 和 $V_{\mathrm{PH}0}=V_1-\frac{{\mathrm{PH}}_1(V_1-V_2)}{{\mathrm{PH}}_1-{\mathrm{PH}}_2}.$

无温度补偿的PH值计算方程式为：

PH值＝7+(V-V_PH0)*K

式中，V为经数据预处理器放大后的测量值。

有温度补偿的PH值计算公式为：

PH值＝7+(V-V_PH0)*K-(T-25)*0.003

ORP与PH的计算类似，计算方程式为：

$\mathrm{ORP}=\frac{\mathrm{AD}-511}{512}*1.65*1000/3.98$

式中，AD为监测值

二、溶氧DO值的计算

DO电极以铂金P_t作阴极，Ag/AgCl作阳极，电解液为0.1M氧化钾，用硅橡胶渗透膜作

透气膜。测量时，在阳极和阴极间加水0.68v的极化电压，氧通过渗透膜在阴极消耗，透过膜的氧量与水中溶解氧浓度成正比，因而电极间的极限扩散电流与水中溶解氧浓度成正比，仪表检测此电流并经运算变换成氧浓度。同时，热敏电阻检测溶液温度，并对氧浓度进行温度补偿。电极上的电极反应为：

阴极(Pt)：O₂+2H₂O+4e＝4OH^-

阳极(Ag)：4A_g+4Cl-＝4A_gCl+4e

在设备安装进行在线测量时需对电极进行校正，DO电极校正分为单点标定和二点标定两种方式，标定步骤如下：

A.单点标定(氯chlorinity＝0，盐salinity＝0)

V₀＝0；(可能为-*.***v)

step1、电极放入已知标定溶液的含氧值，或空气100％；

step2、读取稳定的V_Saturation电压值，即可得V_Saturation对应的溶氧百分度，记录保存V_Saturation。

B.二点标定

Step1、标定DO零点：

电极放入已知含氧量值为0的标定溶液，记录保存V₀；

Step2、单点：

电极放入已知标定溶液的含氧值，或空气100％。读取稳定的V_Saturation电压值，即可得到V_Saturation对应的溶氧百分度，记录保存V_Saturation。

C.溶氧测量

若溶液当前溶氧电压测量值V和当前温度测量值T，则溶液含氧量计算公式为：

DO％＝(V-V₀)(V_Saturation-V_o)

DO_mg＝DO_{mg,Saturation}*DO％

式中，DO_{mg,Saturation}为标准溶氧值。

三、设备控制

液位控制器25实质是一个通断开关，由液位高低控制信号的通断。嵌入式数据处理器13以一次/分钟的频率分别从液位控制器25和数据存储器14读取信号通断信息及设备控制算法，并对系统时间、设备控制方式、计时器时间、液位、各设备之间的控制逻辑关系及从数据存储器中读取的设备控制算法进行综合运算，生成各个设备的控制指令，继电器控制单元根据控制指令控制对应继电器的吸合和断开，从而达到控制设备启停的目的。控制指令每分钟更新一次，保证指令的实时性和准确性。

四、设备检测

电压监测单元16通过对设备接入线电压波形的监测获取设备实时的运行电压值，经A/D转换获取监测数据的有效电压值U_监测值，通过有效值与U_阈值的对比来判定设备的实时运行状态，判定规则如下：

五、自动预警

嵌入式数据处理13其根据判定规则对设备状态进行判断，若连续几个判断周期(可在系统中设定)的判断结果均为异常，则自动从数据存储器14中读取存储的联系人手机号、站点编号、站点位置等信息，并连同异常情况一起转发给手机短信预警单元19，由手机短信预警单元13将异常情况生成预警短信，并发送给指定的联系人，发出预警通知。预警信息包含站点编号、站点名称、站点位置、预警内容。

若信息发送成功，则在此异常解决之前不会再次发送预警短信，直到有新的预警事件发生。若信息发送失败，则系统自动重发预警信息，直到信息发送成功。有效避免了漏警、误警情况的发生。

对所公开的实施例的上述说明，使相关领域的专业技术人员能够实现或使用本发明，在本文中定义的一般原理可在不脱离本发明范围的情况下在其他实施例中实现。因此，本发明并不局限于本文所述实施例，而是与本文公开的原理和新颖特点相一致的最宽权利范围。

Claims (4)

1.一种农村微动力污水处理设施远程自动报警器，其特征在于；包括数据采集终端和数据处理中心；所述数据采集终端用于采集水质监测模拟电压信号；所述数据处理中心包括RS485/RS232接口、数据预处理单元、嵌入式数据处理器、数据存储器、继电器控制单元、电压监测单元、电线接线桩组、手机短信预警单元、液晶显示单元，用于对由数据采集终端的水质监测模拟电压信号进行去噪、运算、判定，生成设备控制指令控制设备运行，对设备运行状态进行实时监测和运算、判定设备运行状态，在异常事件发生时，自动生成预警短信并发送到制定人员手机；

所述RS485/RS232接口一端与数据预处理单元连接，另一端与数据采集终端连接，并将采集到的水质监测模拟电压信号通过RS485/RS232接口传递给数据预处理单元进行去噪、放大等预处理；

所述嵌入式数据处理器与数据预处理单元、数据存储器、液晶显示单元、继电器控制单元、电压监测单元连接，用于水质监测数据的进一步处理和运算，并将监测数据转换成可读的水质监测数据在液晶显示单元进行显示；通过数据比对和判别，判断水质是否超标；根据设备控制算法和采集到的实时数据进行运算，生成设备控制指令，并对设备运行状态的监测数据进行实时运算和判定；

所述继电器控制单元上与嵌入式数据处理器连接，下经电压监测单元通过接线桩与污水处理设备相连接，继电器控制单元从嵌入式数据处理器接收设备控制指令，并根据设备控制指令控制继电器的吸合和断开，从而达到控制相应设备的目的；

所述数据存储器与嵌入式数据处理器连接，用于存储设备控制算法、税制监测数据转换算法、设备状态判定阈值、水质监测数据的控制范围以及站点名称、编号、管理员等信息；

所述液晶显示单元与嵌入式数据处理器连接，用于实时接收和显示经嵌入式数据处理器处理过的水质监测数据和设备运行状态，以及对系统控制参数进行配置等；

所述电压监测单元分别与继电器控制单元，电线接线桩组、嵌入式数据处理器连接，用于对污水处理设备电源接入端的电压进行定时扫描，并将扫描到的电压值发送给嵌入式数据处理器进行进一步的处理和判定；

所述手机短信预警单元与嵌入式数据处理器连接，实时接收嵌入式数据处理器发送的水质异常或设备故障以及管理员信息等，并根据接收到的异常数据生成预警短信，并自动发送到管理员手机，若发送失败，则自动重发短信直至短信发送成功。

2.根据权利要求1所述的远程自动报警器，其特征在于所述数据采集终端包括PH电极、DO电极、ORP电极、温度探头、液位控制器。

3.根据权利要求1所述的远程自动报警器，其特征在于所述数据采集终端与数据处理中心通过RS485/RS232接口相连。

4.根据权利要求1所述的远程自动报警器，其特征在于集成了水质监测、设备智能控制、设备运行状态监测、异常自动短信报警功能。