污水集中排放监控终端的设计和实现

摘要：设计了一套针对污水处理厂的排污企业污水排放监控系统。主要监测其排放污水的实时流量、流速等现场数据。采用485通信、无线DTU传输、因特网接入等多种通信方式，解决了远程现场环境下的数据传输问题，实现了污水排放现场数据实时上传和排污现场控制功能。
关键词：污水处理；监控；数据采集；无线传输

O 引言
    近年来，城市污水处理产业进入快速发展期。污水排放企业将污水集中排放到污水处理厂进行集中污水处理，排污企业根据排污量缴费。而传统的污水排放量主要是由人工对排污企业的现场流量计进行抄收，但这种由于排污企业比较分散而显得方法费时费力，因此，设计了一套针对污水排放企业的集中监控系统。通过系统采集排污企业的污水排放实时流量、流速、电机状态等现场数据，集中传输到污水处
理厂的监控中心，并通过监控中心实时控制现场污水排放。

1 污水集中排放监控系统概述
    污水处理集中监控系统框图如图1所示：


    集中监控系统包括三层：顶层、中间层、底层。
    顶层为监控中心的上位机，负责系统的监控任务，通过Internet接入完成和无线数据收发器(DTU)之间的通信，在这里可以看到底层各个部分的实时情况，并可对底层的一些部分进行控制。
    中间层为污水排放监控终端，负责数据的处理和传输，并控制底层的执行机构和采集底层现场数据。它既是各个现场对象的数据采集器，又是这些数据处理和集中传输的部分。
    底层为现场数据采集和控制单元，能够对上位机过来的数据进行处理，并且能使外围的电路执行相应的动作，同时也能够对周边环境中的模拟量进行数据采集，并发送给监控终端。

2 监控终端系统设计
2．1 系统功能要求
    根据监控系统的要求，监控终端必须具备以下功能：
    (1)能够采集污水流量计的数据，包括累计流量、实时流量、流速等参数。
    (2)能够根据污水排放企业的交费情况，控制企业是否可以排放污水。
    (3)能够通过远程控制系统的运行。
    (4)在网络不佳或其他特殊的情况能够本地控制系统的运行。
    (5)系统的进行必要经过授权。
    (6)系统在断电的情况下，必须能运行关阀指令，在关阀后系统关闭。
    功能系统的以上要求，采用了2片ATMEGA128作为处理器，一方面解决了ATMEGA128本身UART不足的问题，同时减轻了主CPU的工作量，使系统能够稳定运行。
2．2 系统结构框图
    根据上述要求。监控终端系统结构图如图2所示。


    系统采用2片ATMEGA128作为处理器，通过SPI构成了主从式通信。主CPU负责人机交互、非接触式IC卡读卡、断电检测以及对水泵阀门的控制。从机负责和流量计的通信以及通过无线数据收发器(DTU)完成数据到监控中心的上传和监控命令的下传。
2．3 系统SPI通信功能
    ATmegal28SPI的特点如下：全双工，3线同步数据传输。主机或从机操作，LsB首先发送或MSB首先发送。7种可编程的比特率，传输结束中断，写碰撞标志检测。可以从闲置模式唤醒。作为主机时具有双速模式(CK／2)。


    SPI通信系统包括两个移位寄存器和一个主机时钟发生器。通过将需要的从机的ss引脚拉低。主机启动一次通讯过程。主机和从机将需要发送的数据放入相应的移位寄存器。主机在SCK引脚上产生时钟脉冲以交换数据。主机的数据从主机MOSI移出。从从机的MOSI移入；从机的数据从从机的MISO移出。从主机的MISO移入。主机通过将从机的SS拉高实现与从机的同步。

3 监控终端系统软件功能实现
    系统软件分主CPU部分和从CPU部分。
    主CPU部分功能主要实现如下：
    (1)水泵阀门控制：上电复位后，系统在没有键盘操作的情况下，通过SPI通信获取监控中心对水泵和阀门的控制状态，正确地关闭或打开。
    (2)断电检测：系统周期性的检测外部电源是否掉电，如果掉电，为防止人为断电而偷排污水，马上关闭阀门和水泵。为防止短时间的跳闸断电，系统进行延时断电。
    (3)计算累计当前排水量是否超过允许排水量，如果超过，根据预先的设定可以关闭阀门和水泵，也可以发报警信息到监控中心。
    (4)实时数据显示：在不进行人机操作的时候，LCD显示器显示实时水量、流速等计量数据以及系统中所介入设备的状态。实时反映，一目了然，方便企业查看。
    (5)本地授权操作：为防止网络问题的出现，排水企业充值后将IC卡插入本地监控终端，一方面完成允许排水量或者预存金额的本地存储，另一方面，在特殊情况下可以通过IC卡授权进行系统，控制阀门和水泵的运行。
    系统采用非接触式IC卡读写模块，模块在检测到刷卡后通过上传卡号命令发送给主机，主机在接收到此命令后必须在300毫秒内发送读卡命令，写卡命令，加减值命令中的任意一个命令，如果模块在300毫秒内没有接收到上述命令中的其中之一命令，模块将自动关闭卡片，并进行下一轮的卡片检测。如果300毫秒内收到上述命令中的其中之一命令，模块将按照接收的命令进行处理，并且只要两条命令之间不超过300毫秒，命令可以连续发送。超出300毫秒模块将会自动关闭卡片并进行下一轮的卡片检测。关闭卡片后发送的对卡的读写操作都将失败。
    从CPU部分功能主要实现如下：
    (1)流量计数据采集：通过485总线，采集排水企业的一个或者多个排水点的流量数据。
    (2)无线数据通信：系统通过无线数据传输设备(DTU)将采集的流量数据实时传输到监控中心，并接受监控中心的指令。
    DTU是建立在GPRS网络的基础上的，DTU使用比较简单，是因为它本身内部封装了PPP拨号协议以及TCP／IP协议栈。而且DTU在设计上大都将串口数据设计成“透明转换”的方式，也就是说DTU可以将串口上的原始数据转换成TCP／IP数据包进行传送，而不需要改变原有的数据通信内容。因此，DTU可以和各种使用串口通信的用户设备进行连接，而且不需要对用户设备作改动。实际使用前先对DTU进行配置，设定好串行通信参数，设定远程接入服务器的参数等通信参数，设置完成后，在系统中就可以只把它当做一个串口设备来处理。

4 系统抗干扰设计
    由于监控终端系统运行在排污企业现场，很容易受到大功率电气设备的干扰而导致系统运行错误或死机等问题。因此，系统设计时特别针对现场干扰采取了硬件抗干扰和软件抗干扰措施。具体措施如下：
    (1)首先，硬件设计时充分考虑电源和电路的抗干扰，在电源220 V输入端设计了平波电抗器，电源直流输出端采用了电子滤波技术，尽量把来自电源的干扰降到最小。
    (2)其次，全面考虑系统的接地。除了遵循电路设计中的数字地、模拟地的接地原则，对LCD液晶显示器等易受干扰的部件采用外壳接地，系统全机外壳接地的方法，极大的降低了工业现场的干扰。
    (3)最后，在软件设计中采用多种抗干扰设计技术。系统对易受干扰的部件采用状态检测和周期复位等方法，避免了因为外部设备错误等原因造成的系统不正常现象。在水泵等大功率设备开关时采用休眠、延时等方法来躲避这些已知干扰源的干扰。另外，在数据通信中采用完善的数据帧通信协议，具备CRC校验功能，极大的降低了通信中的错误，提高了通信的可靠性。

5 结束语
    污水集中排放监控系统的设计应用为污水企业的高效实时管理提供了可靠的手段，一方面节约了污水处理厂人力抄表成本，另一方面也极大地减少了排污企业偷排污水的现象，系统稳定运行近一年多来取得了较好的效果。