王力軍，張 虎，鮑文慧，于連棟

（合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥 230000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，農(nóng)村和城市的水污染也越來越嚴(yán)重[1]。傳統(tǒng)的污水收集處理方法多為由重力管網(wǎng)收集再集中處理的方式，近年來新興的真空污水收集處理系統(tǒng)，則是對傳統(tǒng)重力排污治污系統(tǒng)的一個重要創(chuàng)新和有力補充[2-3]。

真空污水收集處理系統(tǒng)主要由真空井、真空管網(wǎng)、真空站和污水處理站等組成。其中，真空井用于收集暫存附近的生活污水，多個真空井通過真空管網(wǎng)最終都連接到真空站和污水處理站。真空站內(nèi)的真空泵等設(shè)備，負(fù)責(zé)將其周邊數(shù)百米內(nèi)幾十個真空井內(nèi)的污水收集到污水處理站，污水處理站再進(jìn)行處理[4]。由于該系統(tǒng)設(shè)備繁多，覆蓋面積大，且需要全天候不間斷運行，人工進(jìn)行監(jiān)測控制和故障排查既不現(xiàn)實也不經(jīng)濟(jì)，另外用戶用水量、設(shè)備功耗等數(shù)據(jù)是具有重要意義的信息。對此文中提出了一種智能遠(yuǎn)程監(jiān)測及自動控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

真空污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)，以村為單位，監(jiān)測并控制1個真空站和幾十個真空井，監(jiān)控硬件設(shè)備在工業(yè)現(xiàn)場運行，監(jiān)控結(jié)果則需要遠(yuǎn)程查看、操作。為滿足這些要求，系統(tǒng)被劃分為1個真空站監(jiān)控模塊、多個真空井監(jiān)控模塊以及遠(yuǎn)端監(jiān)控軟件等幾部分，其整體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體方案Fig.1 Systems solutions

2 硬件方案設(shè)計

2.1 真空站監(jiān)控板硬件方案設(shè)計

真空站監(jiān)控模塊是監(jiān)控系統(tǒng)的信息中轉(zhuǎn)節(jié)點，負(fù)責(zé)接收解析和處理遠(yuǎn)端監(jiān)控軟件下發(fā)的指令信息。真空站監(jiān)控板硬件的設(shè)計方案如圖2所示，選用STM32F103CBT6作為真空站監(jiān)控板的核心來實現(xiàn)其功能。

圖2 真空站監(jiān)控板硬件方案Fig.2 Hardware solution of vacuum station monitoring board

2.1.1 關(guān)于主控芯片

STM32F10CBT6是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位微處理器，具有128 k Flash，20 k RAM，4個16位的定時器，36個I/O端口，2個看門狗以及各種串行接口等豐富的片上外設(shè)資源，采用LQFP 48封裝，占用空間非常小，在此主要使用其中的串口、I/O端口、內(nèi)部定時器和看門狗等資源[5]。

2.1.2 電源電路設(shè)計

真空站監(jiān)控板采用外部24 V直流電源輸入，電路板上還需要使用5 V、3.3 V等電源，考慮到該監(jiān)控板需安裝在工業(yè)現(xiàn)場，電源電路的保護(hù)以及電源之間的隔離尤其重要，故設(shè)計了電源保護(hù)和電源隔離電路。

該電路使用二極管防止電源反接，使用瞬態(tài)抑制二極管和壓敏電阻以避免雷擊等極端情況的影響，并采用金升陽B_S系列隔離電源模塊。該系列產(chǎn)品是專門針對板上電源系統(tǒng)中需要產(chǎn)生一組與輸入電源隔離的電壓的應(yīng)用場合而設(shè)計的[6]，選用B2405S和B0503S即可得到相互隔離的5 V、3.3 V電源以供電路使用。

2.1.3 通訊接口電路設(shè)計

真空站監(jiān)控板作為網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)485模塊的485從機(jī)，主控芯片與網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)485模塊之間的通訊選用P3485。該芯片為3.3 V供電的低功耗半雙工RS485收發(fā)器[7]，將主控芯片的串口1與之對應(yīng)連接，通過軟件編程即可間接實現(xiàn)真空站監(jiān)控板與遠(yuǎn)端監(jiān)控軟件之間的通訊。

同時，真空站監(jiān)控板也作為多個真空井監(jiān)控板的485主機(jī)，選用TLP2362和MAX485來實現(xiàn)帶隔離的485通訊。TLP2362是東芝的高速光耦，其工作電壓為2.7～5.5 V，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10 MBd，可以將真空站監(jiān)控板主控芯片與485總線上的信號隔離，保護(hù)主控芯片[8]。MAX485是5 V供電的低功耗、限擺率、RS-485/RS-422收發(fā)器[9]。把主控芯片的串口2通過光耦，間接連接到MAX485接口芯片，以實現(xiàn)真空站監(jiān)控板與多個真空井監(jiān)控板之間的通信。

2.1.4 供電控制電路設(shè)計

為實現(xiàn)所有真空井設(shè)備通斷電的遠(yuǎn)程控制，在此利用主控芯片的2個I/O端口、雙路光耦TLP521-2GB和三極管D882等器件，以及外接繼電器實現(xiàn)此功能。

2.2 真空井監(jiān)控板硬件方案設(shè)計

真空井監(jiān)控板是監(jiān)控系統(tǒng)中的信息獲取節(jié)點，主要功能是根據(jù)真空井內(nèi)的液位狀態(tài)自動控制電磁閥的打開與關(guān)閉，同時與遠(yuǎn)端監(jiān)控軟件進(jìn)行通訊，并根據(jù)指令內(nèi)容回復(fù)真空井內(nèi)的狀態(tài)信息，或執(zhí)行開閉閥門和修改時間參數(shù)等動作。真空井監(jiān)控板硬件方案如圖3所示。該監(jiān)控板同樣以STM32F 103CBT6為主控核心，完全可以滿足液位檢測、閥門控制以及遠(yuǎn)程通訊等功能要求。

圖3 真空井監(jiān)控板硬件方案Fig.3 Hardware solution of vacuum well monitoring board

2.2.1 電源與通訊接口電路設(shè)計

電源與通訊接口電路的設(shè)計方法與真空站監(jiān)控板類似。電源部分使用B2405S，B0505S，B0503S，等得到相互隔離的5 V和3.3 V電源；通訊部分使用MAX485和TLP2362來實現(xiàn)帶隔離的485通訊。

需要注意的是，真空井監(jiān)控板作為掛接在485總線上的從機(jī)，理論上來講，當(dāng)通訊距離超過300 m時，需要在總線末端設(shè)備上使用120 Ω匹配電阻[10]。在此使用了1個跳線帽，實際需要接入終端匹配電阻時，合上跳線帽即可。

2.2.2 地址設(shè)置電路設(shè)計

每個真空井監(jiān)控板作為真空站監(jiān)控板的485設(shè)備掛接在總線上，與真空站監(jiān)控板之間的通訊協(xié)議參考Modbus協(xié)議[11]制定，所以每個真空井監(jiān)控板都需要一個獨一無二的Modbus地址，并且可以手動設(shè)置。在此，使用1個8位的撥碼開關(guān)和4.7 kΩ的排阻，連接到主控芯片的PA0～PA7口，設(shè)置相應(yīng)的撥碼開關(guān)位就能設(shè)置真空井監(jiān)控板的Modbus地址。

2.2.3 液位檢測電路設(shè)計

液位檢測電路相對比較簡單，使用的是液位開關(guān)，液位到達(dá)一定高度時液位開關(guān)閉合，低于該液位時液位開關(guān)斷開。故只需將液位開關(guān)的一個觸點接到地，另一個觸點通過上拉電阻接到主控核心的I/O端口，判斷該端口的電平高低狀態(tài)即可得到真空井內(nèi)的液位信息。

2.2.4 閥門控制電路設(shè)計

電磁閥的合理控制是真空污水收集處理系統(tǒng)正常工作的重要保證。電磁閥工作電壓為24 V，工作電流約為200 mA。在此，使用主控芯片的1個I/O端口來控制光耦的通斷，光耦的通斷將引起三極管工作狀態(tài)的改變，進(jìn)而控制電磁閥的開閉：光耦未導(dǎo)通時，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，電磁閥不工作；光耦導(dǎo)通時，三極管處于深度飽和狀態(tài)，電磁閥被打開。其中光耦用于隔離主控芯片與電磁閥工作電路，保護(hù)主控芯片。

3 軟件方案設(shè)計

3.1 真空站監(jiān)控板軟件設(shè)計

真空站監(jiān)控板的主要功能是接收遠(yuǎn)程Modbus指令，根據(jù)指令內(nèi)容查詢所有真空井工作狀態(tài)，或開啟某個真空井的閥門，或修改某個真空井控制板的時間參數(shù)，或控制所有真空井的電源開關(guān)。真空站監(jiān)控板整體軟件方案如圖4所示。

圖4 真空站監(jiān)控板軟件方案Fig.4 Software solution of vacuum station monitoring board

由圖可見，首先進(jìn)行串口，GPIO，定時器，看門狗等外部設(shè)備以及相關(guān)軟件參數(shù)的初始化，然后進(jìn)入主循環(huán)，判斷是否接收到正確的遠(yuǎn)程指令的標(biāo)記（該標(biāo)記在串口中斷中置位），如果該標(biāo)記置位則根據(jù)指令內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)子函數(shù)，然后清零接收標(biāo)記并喂看門狗；若無接收標(biāo)記，則只執(zhí)行喂看門狗動作。

3.2 真空井監(jiān)控板軟件設(shè)計

真空井監(jiān)控板的主要功能是獲取真空井內(nèi)的實時液位狀態(tài)，并根據(jù)該液位狀態(tài)以及設(shè)置的時間參數(shù)自動控制電磁閥的打開和關(guān)閉。同時，接收485總線上的數(shù)據(jù)，根據(jù)指令信息回復(fù)液位和電磁閥狀態(tài)，或開閉電磁閥，或修改時間參數(shù)等。真空井監(jiān)控板整體軟件方案如圖5所示。

由圖可見，首先進(jìn)行串口，定時器，GPIO，Modbus，井信息，延時，中斷分組，看門狗，等初始化操作，然后進(jìn)入主循環(huán)，先調(diào)用電磁閥自動控制函數(shù)，根據(jù)液位狀態(tài)和時間參數(shù)控制電磁閥的開閉，再判斷是否接收到發(fā)給本機(jī)的遠(yuǎn)程指令標(biāo)記，若接收到則調(diào)用處理指令子函數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)動作，再清零標(biāo)記、喂看門狗；若未接收標(biāo)記，則直接執(zhí)行喂看門狗操作。

圖5 真空井監(jiān)控板軟件方案Fig.5 Software solution of vacuum well monitoring board

3.3 遠(yuǎn)端監(jiān)控軟件設(shè)計

該監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)端監(jiān)控軟件是基于Visual Studio 2010進(jìn)行開發(fā)的，采用C++語言和MFC編程語言庫實現(xiàn)，在PC端運行，運行環(huán)境為Windows。利用該監(jiān)控軟件，在電腦端即可實現(xiàn)多項目狀態(tài)監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制，此外具有記錄歷史數(shù)據(jù)、修改參數(shù)、故障報警等功能。其主界界面如圖6所示。

圖6 電腦端監(jiān)控軟件主界面Fig.6 Main interface of PC-end monitoring software

4 系統(tǒng)功能驗證

監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計完成后，在新潭村的真空污水收集處理項目現(xiàn)場進(jìn)行了現(xiàn)場安裝測試。

在該村落項目的真空站內(nèi)安裝網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)485模塊和真空站監(jiān)控板，在13個真空井內(nèi)安裝真空井監(jiān)控板并掛接到485總線上，為整個系統(tǒng)的設(shè)備供電。真空井監(jiān)控板可以根據(jù)真空井內(nèi)的實時液位狀態(tài)和設(shè)置的時間參數(shù)，自動控制電磁閥的打開和關(guān)閉；打開電腦端的監(jiān)控軟件，就可以查看真空站內(nèi)的各種設(shè)備以及所有真空井的液位和閥門狀態(tài)，也可以遠(yuǎn)程控制某個設(shè)備的啟動或停止、閥門的打開和關(guān)閉、時間參數(shù)的修改等，基本實現(xiàn)了監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制的功能。該項目部分監(jiān)控數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 實時監(jiān)控數(shù)據(jù)Fig.7 Real-time monitoring data

5 結(jié)語

文中所設(shè)計的真空污水處理智能監(jiān)測及控制系統(tǒng)包含真空站監(jiān)控模塊、真空井監(jiān)控模塊以及電腦端監(jiān)控軟件，利用STM32單片機(jī)、485通信、網(wǎng)絡(luò)通信以及C++上位機(jī)軟件開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)，基本實現(xiàn)了對整個真空污水收集處理系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制功能，滿足合作單位的要求。目前，該監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在黃山拓達(dá)科技有限公司的多個真空污水收集處理項目中投入使用，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制的功能，具有重要的實際意義。

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