基于物聯(lián)網(wǎng)的城鎮(zhèn)污水處理監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

于大偉1,鐘華2,李子梅1

(1．長(zhǎng)春工程學(xué)院計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中心，長(zhǎng)春130012； 2．北京合遠(yuǎn)泰科技有限公司，北京100000)

主要研究信息系統(tǒng)。

摘要：為解決城鎮(zhèn)污水治理的運(yùn)行與監(jiān)管問(wèn)題，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)管的設(shè)計(jì)方案。利用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸、存儲(chǔ)與分析等功能，構(gòu)建了一套對(duì)污水處理設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以及對(duì)信息進(jìn)行分析、處理的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管系統(tǒng)，使環(huán)境監(jiān)管部門能及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握城鎮(zhèn)污水處理的數(shù)據(jù)和信息。系統(tǒng)有很好的靈活性和擴(kuò)展性，通過(guò)對(duì)污水處理各參數(shù)的動(dòng)態(tài)分析，為提高污水處理效率和對(duì)污水處理設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控起到了重要作用。系統(tǒng)的案例應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)省級(jí)城鎮(zhèn)污水處理廠的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；污水處理；遠(yuǎn)程監(jiān)管；信息管理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)傳輸；系統(tǒng)安全

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.03.023

收稿日期：2015-09-05

基金項(xiàng)目：吉林省教育廳“十二五”科研項(xiàng)目(120150054)

作者簡(jiǎn)介：于大偉(1969-)，男(漢)，吉林九臺(tái)，副教授，碩士

中圖分類號(hào)：TP393獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

城鎮(zhèn)污水處理廠的有效運(yùn)行及監(jiān)管對(duì)于削減污染物排放量、改善水環(huán)境、促進(jìn)水資源有效利用起著重要作用。一些城鎮(zhèn)污水處理企業(yè)通過(guò)引入污水處理監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控和管理，但存在著一些問(wèn)題：1)污水處理系統(tǒng)根據(jù)企業(yè)自身需求定制，不具通用性；2)數(shù)據(jù)傳輸格式、存儲(chǔ)格式相對(duì)固定，因此擴(kuò)展性差；3)系統(tǒng)多使用單一服務(wù)器，其負(fù)載能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力會(huì)受硬件限制，擴(kuò)展性較差，而且系統(tǒng)一般不會(huì)提供如預(yù)警條件配置等，可配置性差。

該系統(tǒng)運(yùn)用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動(dòng)測(cè)量技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)綜合性的污水處理運(yùn)營(yíng)監(jiān)管系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)污水處理量及相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)的自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備非正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況以及對(duì)污水偷排、超標(biāo)排放、設(shè)備閑置等情況實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警，自動(dòng)生成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)不同城鎮(zhèn)的資源整合與信息共享。在現(xiàn)有數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，利用視頻監(jiān)視和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集傳輸、實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析、信息管理。環(huán)境監(jiān)控部門技術(shù)人員可以不必親臨現(xiàn)場(chǎng)就可以獲取運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)省級(jí)城鎮(zhèn)污水處理廠的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

1網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

城鎮(zhèn)污水處理網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管系統(tǒng)總體架構(gòu)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)管理以及數(shù)據(jù)應(yīng)用4部分構(gòu)成，如圖1所示。在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝數(shù)據(jù)采集通訊設(shè)備，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，采集水量、水質(zhì)參數(shù)，如：流量、pH值、COD值、總磷值和總氮值等，對(duì)水量和水質(zhì)指標(biāo)實(shí)時(shí)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)。將在線監(jiān)測(cè)設(shè)備輸出的電壓或電流的模擬信號(hào)采集后，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線實(shí)時(shí)上傳，自動(dòng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理、顯示、存儲(chǔ)，并利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到預(yù)先設(shè)定的具有固定IP地址或者域名的監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器端口上，數(shù)據(jù)上傳到省級(jí)監(jiān)測(cè)中心并建立信息數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)中心數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，利用數(shù)據(jù)應(yīng)用子系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和分析，完成對(duì)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)單參數(shù)、多參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、小時(shí)數(shù)據(jù)、日數(shù)據(jù)報(bào)表圖表等不同方式的表現(xiàn)和分析，生成各種統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表、趨勢(shì)圖表和直觀的圖形，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)值的組合查詢，為管理者提供準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)配置和管理[1-2]。

2系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)分析與研究

2.1　現(xiàn)場(chǎng)控制端傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由布置在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的具有感知、計(jì)算和無(wú)線通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，是目前相關(guān)研究領(lǐng)域最前沿的課題之一。本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制端通過(guò)傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)信息采集節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)部署、數(shù)據(jù)自組織傳輸?shù)裙δ?。污水監(jiān)控系統(tǒng)的無(wú)線通信模塊將傳感器獲取的參數(shù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸傳到省級(jí)監(jiān)控中心。

圖1　系統(tǒng)總體架構(gòu)

遠(yuǎn)程終端設(shè)備RTU(Remote Terminal Unit) 使用7～30 V寬電壓供電范圍，可以輕松配置組建RS232或RS485網(wǎng)絡(luò)，6路AD模擬量輸入(12位)，輸入電壓為0～30 V，也可以測(cè)量4～20 mA電流信號(hào)，AD模擬量適合于采集各類傳感器信號(hào)，采用6路繼電器輸出控制、4路輸入輸出控制，傳輸支持多種協(xié)議。支持GPRS數(shù)據(jù)傳輸斷線自動(dòng)重連、支持固定IP和域名解析尋址方式，支持TCP、DNS以及FTP等協(xié)議，同時(shí)可以完成本地和遠(yuǎn)程參數(shù)的配置以及固件升級(jí)?，F(xiàn)場(chǎng)控制端流程如圖2所示[3]。

圖2　現(xiàn)場(chǎng)控制端程序流程

通過(guò)對(duì)監(jiān)控點(diǎn)RTU檢測(cè)時(shí)間表的設(shè)置，調(diào)整監(jiān)控點(diǎn)檢測(cè)參數(shù)的周期，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控點(diǎn)檢測(cè)策略的多樣化。主動(dòng)告警:當(dāng)RTU每次檢測(cè)到本地監(jiān)控參數(shù)后，與內(nèi)部的參數(shù)限值表進(jìn)行比較，向監(jiān)控中心發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息。這種機(jī)制可以使各監(jiān)控點(diǎn)的報(bào)警信息能及時(shí)地傳送至監(jiān)控中心。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與安全策略：通過(guò)RTU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，無(wú)線的收發(fā)和部分安全策略，同時(shí)具有通訊網(wǎng)絡(luò)重連機(jī)制，保證和監(jiān)控中心無(wú)線通訊的可靠性。

2.2　匯聚節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)傳輸及數(shù)據(jù)交換

GPRS網(wǎng)絡(luò)是存在于應(yīng)用層之下的承載網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)SGSN進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)管理、安全性管理、位置管理以及接入控制等，GPRS-Internet通信網(wǎng)絡(luò)作為監(jiān)控中心與各種終端設(shè)備之間信息交換的橋梁和紐帶，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線鏈接。遠(yuǎn)程終端設(shè)備RTU通過(guò)傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)如流量、溫度、液位、pH值、COD 等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，然后把現(xiàn)場(chǎng)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)控制模塊發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，再由 GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到Internet網(wǎng)上?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)，并傳送給監(jiān)控中心，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心就可以通過(guò)聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)訪問(wèn)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理后，控制執(zhí)行器做出相應(yīng)動(dòng)作[4]。另一方面，現(xiàn)場(chǎng)接收監(jiān)控中心的控制命令，并采取相應(yīng)的動(dòng)作。監(jiān)控中心控制服務(wù)器通過(guò)與底層控制設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊，完成數(shù)據(jù)的分析和處理的控制，將現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)和設(shè)備狀況寫入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，并從數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中獲取遠(yuǎn)程操作控制命令。Web 服務(wù)器完成與客戶端以網(wǎng)頁(yè)的形式進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互[5]，如圖3所示。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器完成用戶賬戶管理、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、控制參數(shù)的存儲(chǔ)和管理，以備 Web 服務(wù)器和控制服務(wù)器訪問(wèn)。遠(yuǎn)程監(jiān)控端由瀏覽器實(shí)現(xiàn)，是用戶直接與其交互的界面，從監(jiān)控中心獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或通過(guò)監(jiān)控中心發(fā)送控制命令。GPRS網(wǎng)絡(luò)解決了實(shí)時(shí)監(jiān)控點(diǎn)多且分布范圍廣的問(wèn)題。

圖3　數(shù)據(jù)傳輸及交換方式

2.3　系統(tǒng)安全性

網(wǎng)絡(luò)安全對(duì)監(jiān)控及管理系統(tǒng)非常重要，不但要確?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的正常作業(yè)以及網(wǎng)絡(luò)信息的安全，還要保證現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信息和遠(yuǎn)程控制信息在網(wǎng)絡(luò)上傳輸時(shí)的完整性和準(zhǔn)確性，防止遠(yuǎn)程用戶對(duì)監(jiān)測(cè)信息和控制設(shè)備的非法操作。

系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)安全控制方面做了以下幾方面工作：1)在Web服務(wù)器和Internet網(wǎng)絡(luò)間設(shè)置代理服務(wù)器和防火墻，用于瀏覽器與Web服務(wù)器之間過(guò)濾訪問(wèn)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)的不安全因素，阻止外部對(duì)內(nèi)網(wǎng)的非法訪問(wèn)。2)進(jìn)行用戶權(quán)限設(shè)汁，只允許授權(quán)用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行限制權(quán)利的訪問(wèn)，根據(jù)不同用戶分配相應(yīng)的權(quán)限，保證系統(tǒng)使用的安全。3)使用安全套接層(SSL)協(xié)議。SSL 協(xié)議采用數(shù)字證書進(jìn)行認(rèn)證，利用非對(duì)稱加密算法產(chǎn)生和交換密碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳輸以保證數(shù)據(jù)的保密性，通過(guò)握手協(xié)議、記錄協(xié)議和警告協(xié)議為兩個(gè)通信應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)提供私密性和可靠性。

3信息管理系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

研發(fā)該系統(tǒng)的目的是監(jiān)控吉林省內(nèi)各個(gè)區(qū)域、大部分污水處理廠的實(shí)際情況，詳細(xì)觀測(cè)每個(gè)污水處理廠的情況，包括處理廠的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)、規(guī)模和企業(yè)信息。通過(guò)此系統(tǒng)，用戶可以更加方便快捷地了解和管理全省內(nèi)的污水處理情況，主要包括：數(shù)據(jù)監(jiān)控、視頻監(jiān)控、工藝流程、報(bào)表分析、廠區(qū)上報(bào)、報(bào)警查詢、數(shù)據(jù)維護(hù)和系統(tǒng)設(shè)置等功能模塊。

3.1　數(shù)據(jù)監(jiān)控

顯示全省城鎮(zhèn)污水處理廠現(xiàn)狀分布地圖，包括主要城鎮(zhèn)河流分布情況、流域情況，并顯示各個(gè)區(qū)域已建、在建和擬建的污水處理廠數(shù)量，污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模。包括實(shí)時(shí)監(jiān)控信息和歷史監(jiān)控信息2大部分，實(shí)時(shí)監(jiān)控信息包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)和數(shù)采儀在線監(jiān)測(cè)；歷史監(jiān)控信息包括單位數(shù)據(jù)比較、歷史實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)、歷史日采樣數(shù)據(jù)等，如圖4所示。

3.2　報(bào)表分析

該目錄功能例表欄分為數(shù)據(jù)報(bào)表統(tǒng)計(jì)和減排比計(jì)算兩部分。數(shù)據(jù)報(bào)表統(tǒng)計(jì)包括元素變化情況表和元素變化匯總表。監(jiān)測(cè)匯總情況表顯示內(nèi)容包括：上傳時(shí)間(小時(shí)數(shù)據(jù)以每10 min為單位顯示，日數(shù)據(jù)以小時(shí)為單位顯示，)、化學(xué)需氧量(COD)、化學(xué)需氧量(COD)在線率、懸浮物(SS)及在線率、pH值及pH值在線率、污水流量和污水流量在線率。減排比計(jì)算包括COD分鐘減排比、小時(shí)減排比、月減排比等，如圖5所示。

圖5　COD月減排比

3.3　報(bào)警查詢

警報(bào)查詢包括數(shù)據(jù)超標(biāo)查詢和數(shù)采儀掉線查詢?？梢赃x擇想要查詢的污水處理廠，選擇進(jìn)口或出口排放口，將顯示超標(biāo)報(bào)警列表，內(nèi)容包括：污水進(jìn)出口信息、污染物名稱、報(bào)警值、標(biāo)準(zhǔn)值、報(bào)警時(shí)間。通過(guò)數(shù)采儀掉線查詢，可以了解數(shù)采儀掉線警報(bào)歷史，主界面類似于“數(shù)據(jù)超標(biāo)查詢”，提供污水處理廠列表，排放口和污染物選擇以及數(shù)采儀掉線列表，顯示內(nèi)容包括排放口名稱、數(shù)采儀掉線時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間、累計(jì)掉線時(shí)長(zhǎng)。

3.4　數(shù)據(jù)維護(hù)

數(shù)據(jù)操作包括數(shù)據(jù)單條編輯和數(shù)據(jù)批量編輯。為用戶提供了編輯、添加單條歷史數(shù)據(jù)的功能，添加選項(xiàng)包括：元素、數(shù)據(jù)、時(shí)間、數(shù)據(jù)來(lái)源(自動(dòng)、手動(dòng))、是否超標(biāo)(正常、超標(biāo)、未設(shè)定)。通過(guò)數(shù)據(jù)批量編輯，用戶先選擇污水處理廠，然后選擇時(shí)間段、排放口和污染物，界面將顯示對(duì)應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)，內(nèi)容包括污染物名稱、實(shí)測(cè)值、上傳時(shí)間、采樣方式、是否超標(biāo)。

系統(tǒng)充分考慮業(yè)務(wù)發(fā)展，確保數(shù)據(jù)的安全性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)如下功能：數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)處理，監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)通訊服務(wù)器運(yùn)行完成，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理，生成各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表和統(tǒng)計(jì)圖形，實(shí)現(xiàn)組合查詢；完成系統(tǒng)參數(shù)配置和管理，通過(guò)服務(wù)器上的參數(shù)設(shè)置軟件，系統(tǒng)管理員可以進(jìn)行用戶權(quán)限劃分；建立管理日志，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)、背景數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和統(tǒng)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)的整體運(yùn)行或前端設(shè)備的狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理。監(jiān)測(cè)中心內(nèi)部采用B/S方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和管理，同時(shí)利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)各級(jí)城市污水處理主管部門授予不同的訪問(wèn)權(quán)限，實(shí)現(xiàn)資源共享。

4結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了省級(jí)城鎮(zhèn)污水處理運(yùn)營(yíng)遠(yuǎn)程監(jiān)督和管理網(wǎng)絡(luò)化。利用GPRS實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)傳輸、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)分析處理，處理周期在幾十s甚至幾s內(nèi)，提高了數(shù)據(jù)傳輸安全；融合了較先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)層設(shè)備、傳輸設(shè)備和管理終端相互之間的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)功能完善、性能可靠，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和控制要求。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析功能，為管理部門的科學(xué)決策提供了有利的技術(shù)支持。利用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端設(shè)施的反控制以及對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和處理設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)化配置是下一階段研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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The design and research on the monitoring and management system for town

sewage treatment based on internet of things

YU Da-wei, et al.

(ComputerFoundationTeachingCentre,ChangchunInstituteofTechnology,

Changchun130012,China)

Abstract：In order to solve the problems in running and management of town sewage treatment, a remote monitoring and management design method based on internet of things has been proposed. It is a set of remote monitoring and management system which realizes wireless remote transmission, data storage and analysis by GPRS. It can remotely and real-timely monitor the running status of sewage facilities and manage information. By this system, the supervisors may comprehensively and timely master date and information of town sewage treatment. This system exhibits better flexibility and scalability. It plays an important role in improving the efficiency of sewage treatment and real-timely monitoring the running status of sewage facilities through the dynamic analysis various parameters of the sewage treatment. The case application of this system realizes remote monitoring and management to sewage treatment plants in provincial towns.

Key words：internet of things; sewage treatment; remote monitoring and management; system of information management; data transmission; system safety