基于无线ZigBee的污水监测系统

0 引言

污水是造成环境污染的原因之一。在人类生存环境日益恶化的今天．建立完整的污水监测系统是非常必要的．而处理分布在各处的污水检测点的数据传输问题一直是建立污水监测系统的难点。

1 污水监测的无线传感器网络架构

污水监测系统分为污水参数监测系统和污水处理过程监测系统。前者实现对水温、pH值、浊度、电导率、溶解氧含量等污水参数的测量．并对污水关键进水口和排水口重点区域的流量和水位检测等进行实时视频监测：后者完成各个污水处理池污水处理过程的参数与控制指令传输。由于污水进水口和排水口广泛分布．每个污水进水口和排水口均可设为一个独立子区域．因此可能分布多个传感器网络节点。在每个子区域中构建基于无线技术的传感器网络．通过一个网关或者汇聚点进行数据传输。在污水处理过程监测系统中．每个污水处理池均存在多个传感器和执行器．它们与现场服务器或者远程监控服务器交互信息。基于簇(C1uster)的分层结构具有天然的分布式处理能力．簇头是分布式处理中心．即无线传感器网络的一个汇聚点或者基站，每个簇成员(传感器节点)都把监测的原始数据(或者简单处理)传给簇头．数据经簇头融合后由更强通信模块传输至监测中心。污水监测系统的通信系统构架如图1所示。

图l 污水监控系统的通信体系

分为3层：现场参数监测层、现场控制服务器与汇聚节点层和远程监控服务器层。由于ZigBee无线模块是最新推出的低速率、低功耗无线通信技术．特别适合长期无人值守场合．因此该系统建立以ZigBee无线模块为核心的分层通信系统架构。由于需要长期无人值守工作，污水参数的ZigBee数据采集采用低功耗的ZigBee数传模块技术；视处理厂的规模，污水处理过程可以采用ZigBee无线模块技术或者WLAN技术。每个进出水的监测污水参数通过ZigBee无线模块直接传送到汇聚点．汇聚点具有强大数据处理功能，处理后的数据通过WLAN或CDMA模块传送到现场控制服务器或者远程监控服务器。同样，污水处理厂的污水处理过程数据通过ZigBee数传模块的传送到具有WLAN功能的汇聚节点．后者把数据传送到现场控制服务器：现场控制服务器产生控制指令后，通过汇聚节点的中转传递给具有ZigBee无线模块的执行节点。远程监控服务器通过CDMA和Internet网络与多个现场控制服务器层或者汇聚节点连接．获取相关子区域节点ZigBee数据采集的污水参数和现场控制过程数据．对污水参数和处理过程数据进行处理和分析．监测水质状况的变化．实现对现场的有效控制和管理．并对污染等突发事件和环境急剧变化进行实时报警。远程终端用户通过Internet实现对污水的全天候实时监测。

2 无线传感节点

基于ZigBee无线技术的污水参数监测节点．即无线传感节点，由低功耗MCU、数据采集通道、电池和ZigBee物理层芯片等部分组成．并挂接多个传感器检测水温、pH值、浊度、电导率、溶解氧含量等参数。节点具有尺寸小、功耗低、适应性强等特点。节点发射功率为O～3．6dbm．通信距离为30～70m．经过功率放大可达1000m左右．节点具有能量检测和链路质量指示功能．可根据检测结果自动调整发射功率．在保证通信链路质量的条件下．最大限度地减少能耗。设计的无线传感器网络节点处于睡眠状态时，电流约为30uA。

数据通信时．ZigBee无线模块建立一次连接的时间约为20ms．较短的连接时间可大大减少传感器节点向数据视频基站上报数据时发生碰撞的概率。网络安全方面，基于ZigBee数传技术的无线传感器网络．采用密钥长度为128位的加密算法．对所传输的数据信息进行加密处理。无线传感节点的硬件结构如图2所示。软件主要包括ZigBee协议栈的实现、测量应用程序的实现．以及低功耗处理子程序等模块。无线传感器执行器节点和汇聚节点具有类似结构。

图2 传感器网络节点硬件结构

3 污水监测与处理的一体化优化控制技术

现场工业控制服务器的主要作用：对无线传感器网络的数据进行综合处理，实时监测污水处理过程；依据污水处理工艺过程．自动利用知识与推理系统进行决策分析．对执行设备进行自动控制。污水处理厂的空间很大．不同传感器测量点的信息是不同的．甚至相差较大，存在如何采集不同传感器测量点的信息、采集何种信息(数据、图像信息等)、不同信息怎样融合应用等问题．需要对无线传感器网络的数据进行综合处理和集中控制优化．

3．1粗格栅及提升泵站

(1)粗格栅运行的控制。用超声波液位差计来测量粗格栅前后的液位差．当液位差值达到设定值．在规定的时间内未达到设定值时．均用电动阀门自动开启粗格栅除污机．完成一个运行周期后停止运行。

    栅渣通过皮带输送机输送到螺旋压榨机，最后外运。

    皮带输送机与粗格栅机联动控制．任意回转式格栅除污机启动后应启动皮带输送机联动运行。

    (2)潜污泵的控制。在潜污泵有压力指示，开泵时应先开水泵．当达到一定压力时用电动阀f-1自动打开。进水泵房有潜污泵5台．2台备用。设置成轮流启动方式。

3．2细格栅及沉砂池

(1)细格栅运行的控制。用超声波液位差计测量细格栅前后的液位差．当液位差值达到设定值．或者在规定的时间内未达到设定值时．均用电动阀门自动开启细格栅除污机．完成一个运行周期后停止运行。

    (2)沉砂池控制。沉砂机的自动控制由设备配套提供的就地控制柜内PLC完成。

3．3氧化沟

(1)对表曝机转速的控制：通过连续测量氧化沟的溶解氧含量来控制表曝机转速．当溶解氧值达到下限时，表曝机由低速运行转入高速运行：当溶解氧值达到上限时，表曝机由高速运行转入低速运行：当溶解氧值达到上上限时．表曝机则停止运行。

    (2)对堰板高度的控制：通过连续测量氧化沟好氧段的溶解氧含量控制可调节堰板的高度．当溶解氧值达到下限时，启动可调节堰板使沟中水位提高：当溶解氧值达到上限时．启动可调节堰板使沟中水位降低。

    (3)二沉池的控制：在双周边驱动刮泥机上接手动阀门．可手动调节运行周期和运行时间：也可自动调节．即根据二沉池污泥界面和污泥泵房MIJSS测量值自动调整。

    (4)回流污泥量控制。回流污泥量调节的任务是为了保证生化处理系统混合液的浓度维持在一定范围内．回流污泥量的调节采用比例控制方式。

4 结语

针对污水处理过程的工艺要求．现场工业控制服务器采用多传感器数据融合技术．通过ZigBee无线模块的无线数据传输，最大限度地获取被测目标或环境的ZigBee数据采集的信息量。并获得最优的解释或判断：利用多个传感器资源．通过对多传感器及其观测信息的合理支配和使用．把多个传感器在空间或时间上的冗余或互补信息依据某种准则进行组合．以获得被测对象的一致性解释或描述：在收到大量ZigBee数据采集的数据以后．通过高效的数据融合算法对数据进行处理．然后经过控制模型或者专家系统得到反馈控制结果．控制执行节点的行为。