刷卡排污远程监测监控采样系统的设计

引言

随着工业的快速发展，工业污水对环境的影响问题日益突出。人们对企业排放的污水流量进行监控的同时，却忽略了污水中污染物成分的危害性。因此，按何种依据实现对污水排放的控制，是本论文的研究内容之一；对超标行为做到有据可查，是本文研究的内容之二；构建何种控制平台，便于省市县三级联网，是本论文研究的内容之三。

计算机技术、现代信息技术、网络技术及信息集成技术的综合发展，推动了物联网技术的发展，为此，本文给出了一种按污染物总量进行控制和合理预付费的刷卡排污远程监测监控采样系统。该系统能集成多方面的信息，具有多种功能的资源共享服务平台，可有效实现对企业排污的控制，并对监测因子参数的超标现象进行污水采样，从而为环保部门决策提供科学的依据。

1系统总体架构和工作原理

1.1系统总体架构

本系统的总体组成如图1所示，系统主要由中心平台、现场控制器两大部分组成。其中，中心平台分为三大部分：web服务器软件，数据库以及前端通讯服务器软件。现场控制器部分实现污水的流量、COD、氨氮等监测因子的采集，并通过GPRS网络与中心平台进行数据的交换。现场控制器部分主要包括数据采集处理子系统、刷卡控制子系统、污水采样子系统三个部分。

数据采集处理子系统、刷卡控制子系统、污水采样子系统三大子系统既可以独立工作，以分别实现数据采集、刷卡控制、污水采样，同时三大子系统又可以与中心平台协调工作,实现污染物的总量控制。

1.2物联网技术

物联网(InternetofThings)是指将各种信息传感设备及系统，通过各种接入网与互联网结合起来而形成的一个巨大智能网络。

随着GPRS技术的不断发展，为物联网的建立奠定了坚实的网络基础。在本系统中，中心平台和现场控制器之间的通讯通过GPRS实现。另外对于现场端数据的采集可以采用Wi-Fi、ZigBee等物联网技术实现通讯。

1.3总量计算及控制

在污水中含有各种各样的污染物因子，如COD、氨氮等,对他们的监测由相应的一次仪表实现，而对应的排放总量为污染物浓度与对应的废水流量的乘积。以分钟为控制单位，式(1)为其计算方法：

式中:D是第i分钟污染物的排放总量(kg/h)；G是第i分钟污染物浓度值(m/L)；Qi是第i分钟废水排放量(m3/h)。

本系统由中心平台设置相关污染物因子的月排放允许量来实现对排污的控制。

2现场控制器的设计

2.1数据采集处理子系统的设计

数据采集处理子系统的结构图如图2所示。它以STM32F103VE6芯片为核心、主要由液晶+触摸屏、数据存储SD卡、A/D采集和串口扩展等组成，通过A/D采集模块和串口扩展模块实现对污水流量、COD、氨氮等信号采集、显示，并在中心平台和刷卡控制子系统、污水采样子系统之间实现数据传输。

图2数据采集处理子系统

2.1.1主空芯片的选择

主控制器选用ARM®Cortex™-M332位的RISC内核STM32F103VE6芯片,该芯片工作频率高达72MHz,内置64KB的SRAM的高速存储器和512KB的闪存，具有丰富的接口，如：5个USART、2个I2C、3个SPI、1个RTC、1个USB、1个CAN、1个SDIO、4个通用16位定时器和2个PWM定时器以及单周期乘法和硬件除法等，因而非常适用于各种复杂的计算和控制。

通过STM32F103VE6芯片的SPI接口与SD卡连接，实现实时数据的保存，具体包括监测因子的分钟数据、小时数据、日数据、月数据、年数据等。便于实时查询。

该子系统采用STM32F103VE6芯片的RTC作为实时时钟，为保证实时时钟在市电掉电后还能正常运行，设计需配置后备电池。

2.1.2AD采集模块

STM32F103VE6芯片虽然有内部的AD,但为了保证采集精度，增加抗干扰性能，本系统采用深圳市芯海科技有限公司生产的高精度、低功耗模数转换芯片CS1180,CS1180的分辨率为24b,有效分辨率可达19位。

模拟信号经多选一模拟开关ADG508选择后进入仪表放大器INA128,然后送入AD芯片CS1180进行转换。

芯片CS1180通过四通道数字隔离器ADuM1401与STM32F103VE6芯片的一个SPI口进行通讯，实现数据采集。

本文所设计的AD采集模块可以采集8路4〜20mA/0〜5V的模拟信号，便于现场多个一次仪表的接入。

2.1.3串口扩展模块

STM32F103VE6芯片有5个USART,其中一个与GPRSDTU通讯，一个与工业串口屏通讯，还有3个串口。但是现场一次仪表有时有多个，这时串口就不够用了，为了保证现场一次仪表能全部连接到本子系统，因此需对串口进行扩展。

本系统采用成都国腾微电子有限公司生产的GM8125芯片进行串口扩展，该芯片可以将一个全双工的标准串口扩展成5个标准串口，并能通过外部引脚控制串口扩展模式：单通道工作模式和多通道工作模式，本系统采用单通道工作模式。

2.1.4液晶+触摸屏

本子系统选用北京迪文科技有限公司开发的工业串口屏DMG80480C070_01WT作为人机接口，该串口屏分辨率为800X480像素，16.7M色，带有触摸屏，通过串口与主控芯片进行通信。

2.2刷卡控制子系统的设计

刷卡控制子系统结构如图3所示，主要由FM1702SL射频读写器、天线、IC卡、时钟(SD2058)、液晶(12864)、独立式按键和单片机(STC12C5A32S2)组成。该部分主要功能是实现刷卡充值功能和阀门控制功能。

刷卡充值功能有两种方式：一种是通过现场刷卡将排污允许量输入到单片机的EEPROM中；另一种是通过中心平台远程充值后下发给该模块，然后与剩余值进行累加，再保存到单片机的EEPROM中。

图3刷卡控制子系统

本子系统实时接收中心平台经过数据采集处理子系统发来的总量数据并进行实时扣除，当允许量为0时，进行关阀处理。亦可实时接收中心平台发送的开阀命令或关阀命令实现开关阀。开关阀电路由继电器触点实现。

另外，该子系统还具有记录和查询功能。

2.3污水采样子系统的设计

污水采样子系统主要由单片机(STC12C5A32S2)、时钟(SD2058)、工业串口屏(DMG80480C070_01WT)、温度检测(18B20)、泵控制、步进电机控制、存储器等部分组成。图4所示是污水采样子系统的结构原理框图。

中心平台通过实时监测各污染物因子的浓度值，与上限进行比较，当超标时发送采样命令。该子系统在接收到采样命令后，及时进行污水的采样，并记录下采样时间和存储瓶号。该子系统也可以实现时间等比例等多种方式的采样。其中主要部分如下。

图4污水采样子系统

2.3.1提升泵的控制

提升泵的作用是当污水离采样器较远时，采样前将污水抽到采样器附近的蓄水池中，便于采样，在具体应用中采用继电器直接控制泵的电源就可以啦。

2.3.2蠕动泵和分瓶器模块的设计

为了将污水抽入瓶中，采用蠕动泵实现，蠕动泵内压有软管，通过蠕动泵不断对软管的挤压，这样实现污水的采样。为了控制蠕动泵采样污水的量，设计中采用步进电机进行控制。通过测量步进电机每100步对应的采样量，然后推算出实际需采样的量对应的步进电机步数。达到精确控制采样量的要求。

分瓶器的作用是将污水的进水软管口移到对应的瓶口处，便于将污水采样到对应瓶中，本子系统采用步进电机驱动摇臂实现，同样通过控制其步数来实现摇臂的旋转，实现位置的精确控制。

3中心平台监控软件的设计

中心平台监控软件为基于.Net平台的Windows应用程序，采用C#语言开发，数据库使用SQLServer2008，中心平台主要包括web服务器软件，数据库以及前端通讯服务器软件。

前端通讯服务器软件主要实现对现场控制器实时发来的数据进行解析，保存到数据库中，同时将控制命令下发给对应的现场控制器。

web服务器软件主要目标包括以下几点:

实现总量控制：以发放的排污许可证数据为基础,利用现场控制器采集的监测数据为依据，对国控、省控、市控污染源废水排放量和污染物排放量进行监控，在废水或污染物排放量到达分配额度时，实施总量控制措施(即关闭污染源排污口阀门)。

实现定额分配：通过对污染源在线监测和流量数据的记录，了解企业的实际排放情况，在企业排污许可到期换证时对其允许排放量进行重新核定，合理分配排污权。

实现定向监管：根据职能部门对各企业核定的污水流量及污染物总量通过IC射频卡或中心进行充值来控制阀门的开启。

实现智能控污：应用先进的IC射频卡技术，使得排污收费更公正、便捷。

实现强化执法：通过此系统，对长期超标排放或超标严重的企业，以及被要求停产整顿的企业，可从技术上实现关阀，从而进一步强化环保部门对违法排污企业的行政执法手段。

为此，中心平台主要包括：企业信息管理功能；实时数据监控功能(包括搜索引擎、以管网监控的方式监控企业的污水实时排放数据、以动态图的形式显示污染源的实时监控数据、坐标显示污染源地理位置等)；趋势预判分析及报表和图表汇总功能；IC卡管理功能；远程设置参数、远程控制阀门和采样的功能；运营与管理功能。

4结语

在节能减排的今天，应用IC卡和物联网技术设计的一种刷卡排污监测监控采样系统，该系统结合环保部门核发的企业排污许可信息，通过定期刷卡充值，实时监控各监测因子浓度和总量，通过控制阀门开关实现排污刚性控制，并对超标排放进行采样，与一般排污控制系统相比，收费更合理，控制更科学，能实现省市县三级联网，为环保物联网的建立奠定了基础，具有很大的发展前景。

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