基于物联网的生活废水智能管理与综合利用系统的设计与实现

摘要：为了解决用水与水资源紧缺的矛盾，保护环境，文章运用传感器技术，对生活废水进行统一的判断、处理和分类，并把得到的可二次利用的废水储存起来进行二次利用，给出了一种基于物联网的生活废水智能管理与综合利用系统的设计方案。整个系统采用软件与硬件相结合的模式，可实现生活废水的智能管理与综合利用;避免了化学试剂对废水处理所带来的环境影响，节省了人工处理所耗费的资源，提高了废水处理和废水利用的效率。

0 引言

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。顾名思义，物联网就是“物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;第二，其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是：通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

随着物联网技术的不断发展，其技术也广泛应用到各个领域。利用物联网的传感器技术，对生活废水进行二次利用，可以有效地保护环境、缓解水资源等问题，为创建节水型城镇，实施可持续发展，共建和谐社会起到了推动作用。

1 相关技术及现状

本系统的设计主要是针对生活废水的智能化处理，把可二次利用的废水储存起来，用于冲便器、智能化绿化和灌溉等。

经查阅相关资料，现有节水系统对日常生活废水只能进行人为的判断，即人为地进行三通阀的开关。

随着农业的不断发展，生产工具也在日新月异地更新，其中，灌溉系统对农业生产效率起着不可替代的作用。原有的节水灌溉系统虽然在降低作物灌溉制度，提高作物产量上有明显的作用，但由于人工操作的可变性过大，致使灌溉的合理性无法得到进一步的提高。

本系统基于传感器技术，对土壤含水量进行数据采集。把采集到的数据通过无线传输的方式发送给中央控制计算机，通过软件，进行运算，以精确实现智能化灌溉。

2 基于物联网的生活废水二次利用系统设计

2.1 系统的基本设计

系统基于物联网技术(IOT)，通过系统智能化管理，对日常生活中的废水(洗菜水、洗衣水、洗澡水等)进行统一的判断、处理、分类，把可二次利用的废水储存在地面下的总蓄水池中，通过智能化控制，把废水进行综合利用。

据统计，日常生活中冲便器所需要的水量远远小于生活中产生的可二次利用的废水。因此，依据此特点，本系统另一用途：利用传感器技术、自动控制技术、计算机技术、无线通信技术等对绿色植被、农作物进行智能化灌溉。

智能灌溉系统由中央控制计算机、无线数据传输设备、测量控制单元和相应传感器、灌溉设备组成。数据采集和灌溉控制通过无线方式由计算机控制，实现对绿色植被、农作物的气象参数和灌溉参数的实时采集。

整个系统的设计与以往的废水处理系统相比较，采用了过滤网进行过滤，传感器进行判断，系统智能化抽水，系统智能化灌溉，避免了以往废水处理用化学试剂对环境产生的负面影响，节省了传统灌溉的人力资源。整个系统遵循绿色环保、节能和可持续发展的设计理念，突出体现能源再生利用、超低能耗、信息化控制、健康环保和人性化的设计理念，其工作原理如图1所示。

2.2 关键技术

整个系统引入物联网技术进行智能化控制、机械传动系统的设计，有机地集成了机械、控制和信息等学科的相关技术，实现了废水二次利用智能化管理和综合利用。系统主要将废水用于冲便器和智能灌溉。

2.2.1 废水冲便器

废水冲便器的设计首先是水的过滤，就是采用过滤器过滤一些较大的颗粒物质(泥土颗粒、菜叶、纸屑等)。经过滤器处理后，水体中的异味、有机物、胶体、铁及余氯的含量大幅下降，并降低了水体的浊度、色度，净化水质，减少对后续系统(反渗透、超滤、离子交换器)的污染。

水质传感器主要用于检测废水中所含化学物质浓度(pH值、油脂浓度和一些有毒有害化学物质等)。

在抽水泵的选择时，应注意不同高度楼层对所需抽水泵的参数要求不同。这里分别以高18 m、6层的多层建筑和高54 m、18层的高层建筑为例。多层建筑应选择流量为12.5 m3/h，扬程20 m，功率1.5 kW的抽水泵。而高层建筑应选择流量为30 m3/h，扬程67 m，功率15 kW的抽水泵。

2.2.2 智能化绿化灌溉和农业灌溉

设计首先应从地下总蓄水池引出总管道，再在总管道引出各个分管道到绿地。然后在绿地或者农田的不同区域安装传感器，以用来检测土壤的含水量。

由于不同植被或者农作物对土壤含水量的需求不同，因此需要在中央控制计算机上建立数据库。数据库中存放不同植被或者农作物需水量有关数据，将传感器采集到土壤中的含水量的数据，利用无线技术将数据传输到中央控制计算机，和数据库中的数据进行运算、比对，再由中央控制计算机发出指令，按量进行智能化灌溉。

传感器采集来的数据实时存放在中央控制计算机的数据库中，经系统分析后控制喷水设备进行智能化灌溉。为了防止降雨给植被或农作物造成水量过剩问题，中央控制计算机与互联网上的天气预报接口相连，实现及时调整灌溉时间和灌溉所需的水量。

2.3 创新点

住户家中产生的废水(洗菜水、洗衣服水、洗澡水等)经过滤网过滤掉杂质后，流经每栋建筑物水质传感器进行是否可二次利用的判断(pH值、油脂浓度、一些有毒有害化学物质等)。本设计的水质传感器与三通电磁阀相连，可进行水质检测判断。若废水可二次利用，则经管道流入地面下总蓄水池，否则流入下水管道。

为防止地面下蓄水池中的水出现无水状态，本设计在蓄水池中安装水位传感器(该水位传感器用来控制水位高度和判断总蓄水池中是否有水)。这样，在总蓄水池无水的状态下，自来水管道的电磁阀门自动打开，开始往总蓄水池中注水，当水位达到水位传感器上端探头时停止注水。

楼顶水箱采用智能化管理进行抽水。即：在楼顶水箱安装水位传感器，并与抽水泵相连，实现智能化抽水管理(当水位过低时，抽水泵开始抽水;当水位过高时，抽水泵停止抽水)。

此外，本设计还利用传感器技术实现对绿色植被、农作物的气象参数和灌溉参数的实时采集，并可进行智能化灌溉。

2.4 系统优点

针对目前的节水便器设计和智能化灌溉系统，提出了基于物联网技术，对整栋楼的废水进行智能化统一管理和处理，以实现废水的分类、处理，把可二次利用的水储存起来进行二次利用(如：用于冲便器、智能化农业灌溉、智能化绿化灌溉等)。

实验结果表明，本系统进行废水处理时，实现了废水的分类处理，废水的智能化处理，智能化灌溉，节省了以往的人工处理所耗费的资源，提高了废水处理的效率。

3 结语

本系统集成了机械、控制和信息等学科的相关技术，因而具有电力驱动、节能环保等优势。同时利用物联网技术对废水进行智能化处理、管理和智能化综合利用，从而避免了以往用化学试剂对废水处理所产生的对环境的负面影响，节省了以往的人工处理所耗费的资源，提高了废水处理和综合利用的效率。

本系统可一次性投资，终身永久受益，同时可对绿色植被、农作物等进行智能化灌溉。另外，本系统通用性强，可实施性强，可用于小区、学校、酒店、企业等不同建筑。