裴静++尹曙辉
摘 要：对水环境处理的环保设备进行网络化、智能化和现代化改造是大势所趋。基于物联网技术的综合水处理装置改造研究项目，针对无线水环境监测系统和污水处理设备的智能化设计改造，主要是构建基于ZigBee协议无线传感网技术的环境信息采集系统，同时有手机射频通信和短信报警功能。依据信息采集后集中反映在监控上位PC机，数据经过射频发送到移动处理装置的触摸屏中，嵌入触摸屏监控技术、伺服电机、变频器控制等现代电工技术，实现了实时参数信息显示与设备即时控制。
关键词：无线组网 监测传感 射频技术 PLC技术 触摸屏控制
中图分类号：TP30 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）12（a）-0012-04
该项目为利用物联网技术将现场参数信息采集到位（作为环保设备运行的依据），系统集成运算后实现现场监控和智能处理的工作。传感技术综合采用单参数和整合型自动化信号采集仪器，采集点用低速网络协议，实现组网。通过对比预设定参数运算处理后，系统控制自动化控制装置实现自动处理。主要通过PLC、变频器等控制设备对执行机构的控制，控制对象主要有电机带动的泵（控制其流量和压力）、伺服电机（控制转矩、位置、转速等等机械参数）、电磁阀、电机的调速等等。
1 水环境监测物联技术的组网
1.1 整体方案设计
环境监测主要有若干个固定式监测点和浮动监测点组成。固定监测点的布置依据是河流断面、行政交接点、主要污染源监控点。浮动监测点主要布置在湖泊中间面、河湖断面以及饮用水水源地等。固定点的水质监测选用现成的检测设备[1]。该项目选用了德国ADCON的型号为Adcon_WQ？的在线多参数监测设备。浮动监测点由于考虑到实际工作环境与寿命等因素，只能检测部分主要参数，每个检测点就是一个节点，防水防风防腐蚀以及保持正常工作是浮动检测点的关键。通过太阳能提供工作电力，浮标搭载监测PH值、浊度、总氮、总磷、温度等参数，必要的时候可以设置GPS定位系统[2]。每个节点通过ZigBee协议组网，通过网关将数据发送到上位PC机，实现室内监控。必要的时候可以接入互联网，实现多处远程查看。为了实现信息无线传输到无网络的移动环保设备中以及信息及时传送到操控工人手机中去，PC机通过RS232串口线外接单片机，单片机再与T35、NRF24L01G连接，分别实现GSM短信收发功能和数据信息射频传送功能。 整体设计方案图见图1所示。
1.2 数据采集系统
固定监测点采用ADCON监测网络硬件设备组成有：遥测数采（RTU）、传感器、网关基站、服务器PC终端等。每个监测点就是一个节点，其以遥测数采为核心完成数据的采集和传输，传输的途径可以无线模式和GPRS模式。基站通信用GPRS模式，可以分布各地，从极限值来讲，每个网管基站可以组建高达1 000个遥测数采[3]。
1.3 组网协议及设计
无线网络的路由协议是在一定的带宽范围内合理有效的使用，除此之外，还能根据当时的信息情况选择最优路径。由于节点是移动的，一般是干电池或者太阳能供电，要求协议的能量消耗要小。当前ZigBee协议常见的有基于能量、协商、层次的3种协议[4]。
此次设计选用了基于层次路由的协议，在应用层常见的有4种：低能量自适应聚簇分层（LEACH）、节能的阈值敏感的传感器网络协议（TEEN）、两层数据发布（TTDD）、自适应周期阀值敏感性节能传感器网络协议（APTEEN）。在这其中，此次设计选择了APTEEN协议。
1.4 STC12C5A60S2及通信设计
单片机STC12C5A60S2与T35通信模块是用于实现数据和短信通信[5]。除了把主要数据发送到指定手机用户，用户也可以发送指令通过T35给单片机，NRF24L01G射频收发器是将检测数据发送到可以移动的水处理设备的触摸屏上，以便工作人员实时观察检测数据而相应做出操作。单片机STC12C5A60S2与T35、NRF24L01G连接电路如图所示，“选择”钮和“增、减”等按钮可以设置发送间隔时间、参数设定现值等有关参数的。外接一个12864液晶显示屏用作显示。主电路结构设计如图2所示，程序设计流程图见图3。
1.5 组网编程设计
CC2530的点点通信和串口通信主要参数：直接序列扩频方式；数据速率达250 kbps；码片速率达2 Mchip/s；硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、10 bit的CRC校验、电源检测、完全自动MAC层保护；-94 dBm高接收灵敏度；39 dB抗邻频道干扰能力。
2 水处理装置的现代化改造
2.1 改造前的格栅除污装置
格栅除污装置是一种格栅除污装置，用于各种原水、取水口、污泵站，通常用作前道清污工具，可清除大容量杂物，保护电站、污水或原水厂的重要设备或下游水泵。原始产品由3部分组成：悬挂单轨系列、移动小车和抓爪装置等组成[6]。装有弹簧的摆动限位可以使耙斗保持在上部。
2.2 改造后的电气结构图
此次设计主要是引入触摸屏、伺服电机等现代化电工技术。控制端沿用原来的按钮控制以外，加入了触摸屏显示和控制技术：即面板按钮控制与触摸屏触点控制双重控制。上、下、左、右以及循环次数等都将显示在触摸屏上，主要有上下、左右点动控制直到触发相应限位开关停止，投放相关试剂、搅拌时间以及电磁阀放流时间都在触摸屏上实现。总体设计框架如图4所示。
2.3 各器件及设置
此次设计中使用三菱变频器由PLC控制。变频器工作方式选用外部方式（P79=0或者2），产品设计中选用3段速（高速、中速、低速）每个速度的频率可自行调控过P4、P5、P6的参数设置。提速、降速时间分别由P7、P8来设定，额定保护电流由P3来设定。主要涉及到的参数设置见表1 。
触摸屏用的是北京昆仑通态型号为TPC1262Hi的触屏，进行串口父设备通讯参数、驱动构件基本参数的设置。主要设置波特率、通信口、校正位、校验位等等，此次设计是串口通信，接PLC，波特率9 600 bps，采集周期为1 s，数据位为7，停止位为1，偶检验方式。交流伺服电机是松下A4伺服电机，具体设置有效参数见表2。
3 结论
此设计整合了物联技术与水处理技术装置，应用ZigBee组网、C语言编程、GSM短信等技术实现硬件和软件相匹配的课题实践研究。此次设计具有以下几个特点。
（1）硬件电路设计结构化、模块化，把物联网技术与水处理技术有机结合，易于系统的移植和维护。
（2）使用的人机界面友好，有用户权限设置，须输入密码，界面操作方便、效率高。
（3）设计中有双重无线通信：GSM短信通知到用户手机和射频收發显示在触摸屏，重要参数指标可以同时显示在手机和触摸屏屏幕上。
（4）设计中应用了险情自动短信报警、屏幕报警，同时有自动断电保护功能、全息主动短信和被动查询回复功能。
参考文献
[1]王付浩.面向水环境监测的无线传感器网络技术研究[D].秦皇岛：燕山大学，2015.
[2]徐沾伟.多参数在线水质传感器的研究与实现[D].武汉：武汉大学，2012.
[3]杨宝.基于GPRS远程无线通信的水温水位采集和控制卡的设计研究[D].济南：山东师范大学，2014.
[4]李煜民，于芳，王鲁达.基于数据预处理的ZigBee协议物联网组网技术研究[J].网络安全技术与应用，2014（10）：9-11.
[5]刘新辉，陈金鹏，刘新光.基于GPRS的水质参数无线监测系统设计[J].工业仪表与自动化装置，2013（1）：27-30.
[6]陈红卫，傅仁浦，王新刚，等.格栅除污机缺陷原因分析及应对措施[J].设备管理与维修，2013（S2）：51-54.
