基于物聯(lián)網的農村污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

賀磊

摘要：該文從農村污水處理入手，提出利用物聯(lián)網技術對設施運行情況進行遠程監(jiān)控的思路，實現(xiàn)設施遠程運行維護與監(jiān)管；對污水處理工藝進行仿真能夠更直觀發(fā)現(xiàn)故障，保證設備的良好穩(wěn)定運行；通過對水量、水質、能源消耗的智能分析，改進原有的工藝流程，實現(xiàn)了農村污水處理的智能化管理。

關鍵詞： 物聯(lián)網；污水處理工藝；SOA；大數(shù)據(jù)

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）26-0236-02

Abstract：This paper starts from the rural sewage treatment， proposed the use of networking technology for remote monitoring of the operation of facilities maintenance and operation way to realize remote supervision； the sewage treatment process simulation can be more intuitive to find fault， ensure the stable operation of the equipment； through the analysis of the intelligent water quality， energy consumption， process improvement original. The intelligent management of rural sewage treatment is realized.

Key words：Internet of things； Wastewater treatment process intelligent monitoring； SOA； Big data

1 概述

隨著建設社會主義新農村步伐的加快，農村水污染治理及水環(huán)境綜合整治已成為新農村建設的重要部分[1]。生活污水是首要污染源，會造成江河湖泊、地下水等水體環(huán)境受到污染。有效地治理農村污水，不僅改善水體環(huán)境、又能緩解農業(yè)用水緊張形勢。因此急需農村污水處理工藝的系統(tǒng)化研究，提出適合我國現(xiàn)狀的農村污水處理系統(tǒng)解決方案。利用物聯(lián)網與大數(shù)據(jù)技術，結合農村污水處理工藝，設計并研發(fā)一套農村污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)，能夠很好地解決當前農村污水處理的諸多問題 [2]。

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

基于物聯(lián)網的農村污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)通過對具體的業(yè)務流程進行系統(tǒng)的分析，提出以設備的遠程運維為主，數(shù)據(jù)分析、視頻監(jiān)控等功能加以補充和主要滿足用戶場景的應用、數(shù)據(jù)的時效性的設計思路。

基于物聯(lián)網的農村污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)的技術架構主要采用分層模塊化的SOA分布式系統(tǒng)架構模式。系統(tǒng)架構圖如圖1所示。

農村污水處理工藝分為兩大主體部分，工藝的基礎設施與污水處理設備。具體的污水處理工藝流程，通過收集、處理、檢測、排放幾個流程模塊組成，污水處理工藝流程如圖2所示。

2.1 遠程運維

污水處理設施主要由傳感器、變頻器、電機、風機、電磁閥、基礎設施等設備組成。安裝位置大多在野外較偏遠區(qū)域，區(qū)域跨度比較大，設備基本處于無人值守、自動運行的模式，污水設備的運維難度比較大，因此遠程運維非常關鍵。

2.1.1 故障告警

設備在運行中發(fā)生故障時，通過GPRS通信網絡將故障信息上傳到上位機監(jiān)控平臺，平臺進行推送消息告警。通過對告警信息的數(shù)據(jù)診斷、判定故障，及時排除設備故障恢復運行。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集

采集設備的運行數(shù)據(jù)，如水位、水壓、瞬時電流、電壓、電量等數(shù)據(jù)；采集污水的處理過程的數(shù)據(jù)，如排水量、水質檢測值等數(shù)據(jù)；將采集的數(shù)據(jù)通過GPRS通信裝置上傳到本系統(tǒng)平臺。

2.1.3 遠程控制

通過監(jiān)控平臺對各個污水處理裝置實現(xiàn)遠程的啟動與停止、故障的監(jiān)測。遠程設定設備的運行模式，自動與手動模式的切換。

2.2 工藝仿真

每個處理現(xiàn)場污水處理工藝不同，因此通過采集的實時數(shù)據(jù)以動畫形式展現(xiàn)，虛擬仿真污水處理工藝。如用圖形顯示水池水位緩慢升高，伴隨著水位的升高浮球浮起，排水泵葉輪開始轉動，排水口噴出水；電磁閥開啟后，風機葉輪轉動水中加氧氣泡排除；如發(fā)生故障時，故障設備發(fā)出閃爍的紅色警示標識。整個污水處理流程通過實時數(shù)據(jù)驅動工藝流程仿真，污水處理工藝仿真如圖3所示。

2.3 區(qū)域點位

通過GIS進行標注點位，通過使用不同顏色表示每個處理工藝的狀態(tài)，是否存在設備告警、是否停止。在區(qū)域點位上可以查看工藝仿真，進行設備的控制；自動/手動模式的切換。還可以查看每個工藝的告警列表。

2.4 視頻監(jiān)控

污水處理工藝基本都處于農田偏遠的地方，通過視頻監(jiān)控查看設備的狀況。如果過沒有有線網絡的情況下，可以采用3G模塊進行按時間間隔進行抓拍。并設定視頻移動告警的區(qū)域范圍。

2.5 數(shù)據(jù)分析

主要針對設備的運行狀態(tài)、水質、能源、故障原因等進行統(tǒng)計分析，瞬時電流、電壓的趨勢分析。通過大數(shù)據(jù)Hadoop技術對采集的海量數(shù)據(jù)進行保存、數(shù)據(jù)加工挖掘。

2.5.1 水質分析

處理過的污水要經過水質檢測合格后才可以排放，因此對水質的檢測是一個非常重要的環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)保留所有時間點的水質采樣數(shù)據(jù)。檢測水質指標主要有COD（mg/l）、SOD（mg/l）、SS（mg/l）、NH3N（mg/l）、TN（mg/l）、TP（mg/l）等。

2.5.2 能源報表endprint

能源報表主要從設備損耗、電費、水費、運維等進行總體統(tǒng)計。統(tǒng)計的結果與最終產出的價值進行對比。不斷的持續(xù)改進工藝流程，降低能源消耗，提高污水處理設備的效率，降低運維成本。

2.5.3 故障統(tǒng)計

對設備在運行發(fā)生的故障進行多維度的故障分析、故障推斷。按照時間、區(qū)域、設備零部件的故障統(tǒng)計分析。創(chuàng)建故障檢測模型，診斷故障的發(fā)生原因，方便用戶恢復設備運轉。也有利于設備的改進與遠程的運維。

2.6 數(shù)據(jù)傳輸

采集裝置主要分為瞬時電流、瞬時電壓、水位傳感器、水質檢測裝置、電磁閥等。各個傳感器的數(shù)據(jù)通過基板收集，集中發(fā)送到上位機。

傳感器與采集基板用串口通信方式傳輸數(shù)據(jù)；下位機與上位機傳輸數(shù)據(jù)采用GPRS模塊通信。傳感器與采集基板的通信協(xié)議采用Modbus協(xié)議。

3 實際運行效果

基于物聯(lián)網的農村污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)完成后穩(wěn)定地運行于用戶現(xiàn)場，達到預期的效果。界面展示如圖4所示。

實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和應用層邏輯分析，實現(xiàn)對設備進歸類建模、編號、設備識別及信息采集與反饋等功能。

能夠對污水處理設備的遠程運維，故障自動報警、污水處理工藝仿真、更直觀發(fā)現(xiàn)故障，保證設備的良好穩(wěn)定運行。

實現(xiàn)了出水量、水質、能源消耗的智能分析，改進原有的工藝流程。實現(xiàn)了農村污水處理的智能化管理。

4 結束語

本系統(tǒng)從農村污水處理入手，提出利用物聯(lián)網技術對設施運行情況進行遠程監(jiān)視的思路，實現(xiàn)設施遠程運行維護與監(jiān)管[3]；對污水處理工藝進行仿真能夠更直觀發(fā)現(xiàn)故障，保證設備的良好穩(wěn)定運行；通過對水量、水質、能源消耗的智能分析，改進原有的工藝流程，實現(xiàn)了農村污水處理的智能化管理。

參考文獻：

[1] 趙雪蓮， 張煜， 趙旭東，等. 北京市新農村污水處理技術現(xiàn)狀及存在問題[J]. 北京水務， 2010（1）：38-40.

[2] 包向明. 農村生活污水處理淺析[J]. 建材發(fā)展導向， 2016， 14（10）：314-315.

[3] 耿嘉偉， 譚學軍， 朱仕坤，等. 農村分散污水處理設施遠程監(jiān)控與信息管理系統(tǒng)設計[J].中國給水排水，2015（2）：70-72.endprint