0 引言
污水是造成環(huán)境污染的原因之一。在人類生存環(huán)境日益惡化的今天．建立完整的污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常必要的．而處理分布在各處的污水檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題一直是建立污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的難點(diǎn)。
1 污水監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為污水參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和污水處理過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。前者實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫、pH值、濁度、電導(dǎo)率、溶解氧含量等污水參數(shù)的測(cè)量．并對(duì)污水關(guān)鍵進(jìn)水口和排水口重點(diǎn)區(qū)域的流量和水位檢測(cè)等進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測(cè)：后者完成各個(gè)污水處理池污水處理過(guò)程的參數(shù)與控制指令傳輸。由于污水進(jìn)水口和排水口廣泛分布．每個(gè)污水進(jìn)水口和排水口均可設(shè)為一個(gè)獨(dú)立子區(qū)域．因此可能分布多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。在每個(gè)子區(qū)域中構(gòu)建基于無(wú)線技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)．通過(guò)一個(gè)網(wǎng)關(guān)或者匯聚點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在污水處理過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中．每個(gè)污水處理池均存在多個(gè)傳感器和執(zhí)行器．它們與現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器或者遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器交互信息。基于簇(C1uster)的分層結(jié)構(gòu)具有天然的分布式處理能力．簇頭是分布式處理中心．即無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)匯聚點(diǎn)或者基站，每個(gè)簇成員(傳感器節(jié)點(diǎn))都把監(jiān)測(cè)的原始數(shù)據(jù)(或者簡(jiǎn)單處理)傳給簇頭．?dāng)?shù)據(jù)經(jīng)簇頭融合后由更強(qiáng)通信模塊傳輸至監(jiān)測(cè)中心。污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。
圖l 污水監(jiān)控系統(tǒng)的通信體系
分為3層：現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)監(jiān)測(cè)層、現(xiàn)場(chǎng)控制服務(wù)器與匯聚節(jié)點(diǎn)層和遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器層。由于ZigBee無(wú)線模塊是最新推出的低速率、低功耗無(wú)線通信技術(shù)．特別適合長(zhǎng)期無(wú)人值守場(chǎng)合．因此該系統(tǒng)建立以ZigBee無(wú)線模塊為核心的分層通信系統(tǒng)架構(gòu)。由于需要長(zhǎng)期無(wú)人值守工作，污水參數(shù)的ZigBee數(shù)據(jù)采集采用低功耗的ZigBee數(shù)傳模塊技術(shù)；視處理廠的規(guī)模，污水處理過(guò)程可以采用ZigBee無(wú)線模塊技術(shù)或者WLAN技術(shù)。每個(gè)進(jìn)出水的監(jiān)測(cè)污水參數(shù)通過(guò)ZigBee無(wú)線模塊直接傳送到匯聚點(diǎn)．匯聚點(diǎn)具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能，處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)WLAN或CDMA模塊傳送到現(xiàn)場(chǎng)控制服務(wù)器或者遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器。同樣，污水處理廠的污水處理過(guò)程數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee數(shù)傳模塊的傳送到具有WLAN功能的匯聚節(jié)點(diǎn)．后者把數(shù)據(jù)傳送到現(xiàn)場(chǎng)控制服務(wù)器：現(xiàn)場(chǎng)控制服務(wù)器產(chǎn)生控制指令后，通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)的中轉(zhuǎn)傳遞給具有ZigBee無(wú)線模塊的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)。遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器通過(guò)CDMA和Internet網(wǎng)絡(luò)與多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制服務(wù)器層或者匯聚節(jié)點(diǎn)連接．獲取相關(guān)子區(qū)域節(jié)點(diǎn)ZigBee數(shù)據(jù)采集的污水參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)控制過(guò)程數(shù)據(jù)．對(duì)污水參數(shù)和處理過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析．監(jiān)測(cè)水質(zhì)狀況的變化．實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的有效控制和管理．并對(duì)污染等突發(fā)事件和環(huán)境急劇變化進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。遠(yuǎn)程終端用戶通過(guò)Internet實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)。
2 無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)
基于ZigBee無(wú)線技術(shù)的污水參數(shù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)．即無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)，由低功耗MCU、數(shù)據(jù)采集通道、電池和ZigBee物理層芯片等部分組成．并掛接多個(gè)傳感器檢測(cè)水溫、pH值、濁度、電導(dǎo)率、溶解氧含量等參數(shù)。節(jié)點(diǎn)具有尺寸小、功耗低、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率為O～3．6dbm．通信距離為30～70m．經(jīng)過(guò)功率放大可達(dá)1000m左右．節(jié)點(diǎn)具有能量檢測(cè)和鏈路質(zhì)量指示功能．可根據(jù)檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)調(diào)整發(fā)射功率．在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下．最大限度地減少能耗。設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)時(shí)，電流約為30uA。
數(shù)據(jù)通信時(shí)．ZigBee無(wú)線模塊建立一次連接的時(shí)間約為20ms．較短的連接時(shí)間可大大減少傳感器節(jié)點(diǎn)向數(shù)據(jù)視頻基站上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生碰撞的概率。網(wǎng)絡(luò)安全方面，基于ZigBee數(shù)傳技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)．采用密鑰長(zhǎng)度為128位的加密算法．對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理。無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。軟件主要包括ZigBee協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)、測(cè)量應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)．以及低功耗處理子程序等模塊。無(wú)線傳感器執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)具有類似結(jié)構(gòu)。
圖2 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)
3 污水監(jiān)測(cè)與處理的一體化優(yōu)化控制技術(shù)
現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制服務(wù)器的主要作用：對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)污水處理過(guò)程；依據(jù)污水處理工藝過(guò)程．自動(dòng)利用知識(shí)與推理系統(tǒng)進(jìn)行決策分析．對(duì)執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制。污水處理廠的空間很大．不同傳感器測(cè)量點(diǎn)的信息是不同的．甚至相差較大，存在如何采集不同傳感器測(cè)量點(diǎn)的信息、采集何種信息(數(shù)據(jù)、圖像信息等)、不同信息怎樣融合應(yīng)用等問(wèn)題．需要對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理和集中控制優(yōu)化．
3．1粗格柵及提升泵站
(1)粗格柵運(yùn)行的控制。用超聲波液位差計(jì)來(lái)測(cè)量粗格柵前后的液位差．當(dāng)液位差值達(dá)到設(shè)定值．在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)未達(dá)到設(shè)定值時(shí)．均用電動(dòng)閥門自動(dòng)開(kāi)啟粗格柵除污機(jī)．完成一個(gè)運(yùn)行周期后停止運(yùn)行。
柵渣通過(guò)皮帶輸送機(jī)輸送到螺旋壓榨機(jī)，最后外運(yùn)。
皮帶輸送機(jī)與粗格柵機(jī)聯(lián)動(dòng)控制．任意回轉(zhuǎn)式格柵除污機(jī)啟動(dòng)后應(yīng)啟動(dòng)皮帶輸送機(jī)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行。
(2)潛污泵的控制。在潛污泵有壓力指示，開(kāi)泵時(shí)應(yīng)先開(kāi)水泵．當(dāng)達(dá)到一定壓力時(shí)用電動(dòng)閥f-1自動(dòng)打開(kāi)。進(jìn)水泵房有潛污泵5臺(tái)．2臺(tái)備用。設(shè)置成輪流啟動(dòng)方式。
3．2細(xì)格柵及沉砂池
(1)細(xì)格柵運(yùn)行的控制。用超聲波液位差計(jì)測(cè)量細(xì)格柵前后的液位差．當(dāng)液位差值達(dá)到設(shè)定值．或者在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)未達(dá)到設(shè)定值時(shí)．均用電動(dòng)閥門自動(dòng)開(kāi)啟細(xì)格柵除污機(jī)．完成一個(gè)運(yùn)行周期后停止運(yùn)行。
(2)沉砂池控制。沉砂機(jī)的自動(dòng)控制由設(shè)備配套提供的就地控制柜內(nèi)PLC完成。
3．3氧化溝
(1)對(duì)表曝機(jī)轉(zhuǎn)速的控制：通過(guò)連續(xù)測(cè)量氧化溝的溶解氧含量來(lái)控制表曝機(jī)轉(zhuǎn)速．當(dāng)溶解氧值達(dá)到下限時(shí)，表曝機(jī)由低速運(yùn)行轉(zhuǎn)入高速運(yùn)行：當(dāng)溶解氧值達(dá)到上限時(shí)，表曝機(jī)由高速運(yùn)行轉(zhuǎn)入低速運(yùn)行：當(dāng)溶解氧值達(dá)到上上限時(shí)．表曝機(jī)則停止運(yùn)行。
(2)對(duì)堰板高度的控制：通過(guò)連續(xù)測(cè)量氧化溝好氧段的溶解氧含量控制可調(diào)節(jié)堰板的高度．當(dāng)溶解氧值達(dá)到下限時(shí)，啟動(dòng)可調(diào)節(jié)堰板使溝中水位提高：當(dāng)溶解氧值達(dá)到上限時(shí)．啟動(dòng)可調(diào)節(jié)堰板使溝中水位降低。
(3)二沉池的控制：在雙周邊驅(qū)動(dòng)刮泥機(jī)上接手動(dòng)閥門．可手動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行周期和運(yùn)行時(shí)間：也可自動(dòng)調(diào)節(jié)．即根據(jù)二沉池污泥界面和污泥泵房MIJSS測(cè)量值自動(dòng)調(diào)整。
(4)回流污泥量控制?；亓魑勰嗔空{(diào)節(jié)的任務(wù)是為了保證生化處理系統(tǒng)混合液的濃度維持在一定范圍內(nèi)．回流污泥量的調(diào)節(jié)采用比例控制方式。
4 結(jié)語(yǔ)
針對(duì)污水處理過(guò)程的工藝要求．現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制服務(wù)器采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)．通過(guò)ZigBee無(wú)線模塊的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，最大限度地獲取被測(cè)目標(biāo)或環(huán)境的ZigBee數(shù)據(jù)采集的信息量。并獲得最優(yōu)的解釋或判斷：利用多個(gè)傳感器資源．通過(guò)對(duì)多傳感器及其觀測(cè)信息的合理支配和使用．把多個(gè)傳感器在空間或時(shí)間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合．以獲得被測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述：在收到大量ZigBee數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)以后．通過(guò)高效的數(shù)據(jù)融合算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理．然后經(jīng)過(guò)控制模型或者專家系統(tǒng)得到反饋控制結(jié)果．控制執(zhí)行節(jié)點(diǎn)的行為。