裴靜++尹曙輝

摘 要：對水環(huán)境處理的環(huán)保設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化、智能化和現(xiàn)代化改造是大勢所趨?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的綜合水處理裝置改造研究項目，針對無線水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和污水處理設(shè)備的智能化設(shè)計改造，主要是構(gòu)建基于ZigBee協(xié)議無線傳感網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境信息采集系統(tǒng)，同時有手機(jī)射頻通信和短信報警功能。依據(jù)信息采集后集中反映在監(jiān)控上位PC機(jī)，數(shù)據(jù)經(jīng)過射頻發(fā)送到移動處理裝置的觸摸屏中，嵌入觸摸屏監(jiān)控技術(shù)、伺服電機(jī)、變頻器控制等現(xiàn)代電工技術(shù)，實現(xiàn)了實時參數(shù)信息顯示與設(shè)備即時控制。

關(guān)鍵詞：無線組網(wǎng) 監(jiān)測傳感 射頻技術(shù) PLC技術(shù) 觸摸屏控制

中圖分類號：TP30 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（a）-0012-04

該項目為利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將現(xiàn)場參數(shù)信息采集到位（作為環(huán)保設(shè)備運行的依據(jù)），系統(tǒng)集成運算后實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控和智能處理的工作。傳感技術(shù)綜合采用單參數(shù)和整合型自動化信號采集儀器，采集點用低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實現(xiàn)組網(wǎng)。通過對比預(yù)設(shè)定參數(shù)運算處理后，系統(tǒng)控制自動化控制裝置實現(xiàn)自動處理。主要通過PLC、變頻器等控制設(shè)備對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，控制對象主要有電機(jī)帶動的泵（控制其流量和壓力）、伺服電機(jī)（控制轉(zhuǎn)矩、位置、轉(zhuǎn)速等等機(jī)械參數(shù)）、電磁閥、電機(jī)的調(diào)速等等。

1 水環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)技術(shù)的組網(wǎng)

1.1 整體方案設(shè)計

環(huán)境監(jiān)測主要有若干個固定式監(jiān)測點和浮動監(jiān)測點組成。固定監(jiān)測點的布置依據(jù)是河流斷面、行政交接點、主要污染源監(jiān)控點。浮動監(jiān)測點主要布置在湖泊中間面、河湖斷面以及飲用水水源地等。固定點的水質(zhì)監(jiān)測選用現(xiàn)成的檢測設(shè)備[1]。該項目選用了德國ADCON的型號為Adcon_WQ？的在線多參數(shù)監(jiān)測設(shè)備。浮動監(jiān)測點由于考慮到實際工作環(huán)境與壽命等因素，只能檢測部分主要參數(shù)，每個檢測點就是一個節(jié)點，防水防風(fēng)防腐蝕以及保持正常工作是浮動檢測點的關(guān)鍵。通過太陽能提供工作電力，浮標(biāo)搭載監(jiān)測PH值、濁度、總氮、總磷、溫度等參數(shù)，必要的時候可以設(shè)置GPS定位系統(tǒng)[2]。每個節(jié)點通過ZigBee協(xié)議組網(wǎng)，通過網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位PC機(jī)，實現(xiàn)室內(nèi)監(jiān)控。必要的時候可以接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)多處遠(yuǎn)程查看。為了實現(xiàn)信息無線傳輸?shù)綗o網(wǎng)絡(luò)的移動環(huán)保設(shè)備中以及信息及時傳送到操控工人手機(jī)中去，PC機(jī)通過RS232串口線外接單片機(jī)，單片機(jī)再與T35、NRF24L01G連接，分別實現(xiàn)GSM短信收發(fā)功能和數(shù)據(jù)信息射頻傳送功能。 整體設(shè)計方案圖見圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

固定監(jiān)測點采用ADCON監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備組成有：遙測數(shù)采（RTU）、傳感器、網(wǎng)關(guān)基站、服務(wù)器PC終端等。每個監(jiān)測點就是一個節(jié)點，其以遙測數(shù)采為核心完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸，傳輸?shù)耐緩娇梢詿o線模式和GPRS模式?；就ㄐ庞肎PRS模式，可以分布各地，從極限值來講，每個網(wǎng)管基站可以組建高達(dá)1 000個遙測數(shù)采[3]。

1.3 組網(wǎng)協(xié)議及設(shè)計

無線網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議是在一定的帶寬范圍內(nèi)合理有效的使用，除此之外，還能根據(jù)當(dāng)時的信息情況選擇最優(yōu)路徑。由于節(jié)點是移動的，一般是干電池或者太陽能供電，要求協(xié)議的能量消耗要小。當(dāng)前ZigBee協(xié)議常見的有基于能量、協(xié)商、層次的3種協(xié)議[4]。

此次設(shè)計選用了基于層次路由的協(xié)議，在應(yīng)用層常見的有4種：低能量自適應(yīng)聚簇分層（LEACH）、節(jié)能的閾值敏感的傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TEEN）、兩層數(shù)據(jù)發(fā)布（TTDD）、自適應(yīng)周期閥值敏感性節(jié)能傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（APTEEN）。在這其中，此次設(shè)計選擇了APTEEN協(xié)議。

1.4 STC12C5A60S2及通信設(shè)計

單片機(jī)STC12C5A60S2與T35通信模塊是用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)和短信通信[5]。除了把主要數(shù)據(jù)發(fā)送到指定手機(jī)用戶，用戶也可以發(fā)送指令通過T35給單片機(jī)，NRF24L01G射頻收發(fā)器是將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送到可以移動的水處理設(shè)備的觸摸屏上，以便工作人員實時觀察檢測數(shù)據(jù)而相應(yīng)做出操作。單片機(jī)STC12C5A60S2與T35、NRF24L01G連接電路如圖所示，“選擇”鈕和“增、減”等按鈕可以設(shè)置發(fā)送間隔時間、參數(shù)設(shè)定現(xiàn)值等有關(guān)參數(shù)的。外接一個12864液晶顯示屏用作顯示。主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，程序設(shè)計流程圖見圖3。

1.5 組網(wǎng)編程設(shè)計

CC2530的點點通信和串口通信主要參數(shù)：直接序列擴(kuò)頻方式；數(shù)據(jù)速率達(dá)250 kbps；碼片速率達(dá)2 Mchip/s；硬件可支持自動幀格式生成、同步插入與檢測、10 bit的CRC校驗、電源檢測、完全自動MAC層保護(hù)；-94 dBm高接收靈敏度；39 dB抗鄰頻道干擾能力。

2 水處理裝置的現(xiàn)代化改造

2.1 改造前的格柵除污裝置

格柵除污裝置是一種格柵除污裝置，用于各種原水、取水口、污泵站，通常用作前道清污工具，可清除大容量雜物，保護(hù)電站、污水或原水廠的重要設(shè)備或下游水泵。原始產(chǎn)品由3部分組成：懸掛單軌系列、移動小車和抓爪裝置等組成[6]。裝有彈簧的擺動限位可以使耙斗保持在上部。

2.2 改造后的電氣結(jié)構(gòu)圖

此次設(shè)計主要是引入觸摸屏、伺服電機(jī)等現(xiàn)代化電工技術(shù)?？刂贫搜赜迷瓉淼陌粹o控制以外，加入了觸摸屏顯示和控制技術(shù)：即面板按鈕控制與觸摸屏觸點控制雙重控制。上、下、左、右以及循環(huán)次數(shù)等都將顯示在觸摸屏上，主要有上下、左右點動控制直到觸發(fā)相應(yīng)限位開關(guān)停止，投放相關(guān)試劑、攪拌時間以及電磁閥放流時間都在觸摸屏上實現(xiàn)?？傮w設(shè)計框架如圖4所示。

2.3 各器件及設(shè)置

此次設(shè)計中使用三菱變頻器由PLC控制。變頻器工作方式選用外部方式（P79=0或者2），產(chǎn)品設(shè)計中選用3段速（高速、中速、低速）每個速度的頻率可自行調(diào)控過P4、P5、P6的參數(shù)設(shè)置。提速、降速時間分別由P7、P8來設(shè)定，額定保護(hù)電流由P3來設(shè)定。主要涉及到的參數(shù)設(shè)置見表1 。

觸摸屏用的是北京昆侖通態(tài)型號為TPC1262Hi的觸屏，進(jìn)行串口父設(shè)備通訊參數(shù)、驅(qū)動構(gòu)件基本參數(shù)的設(shè)置。主要設(shè)置波特率、通信口、校正位、校驗位等等，此次設(shè)計是串口通信，接PLC，波特率9 600 bps，采集周期為1 s，數(shù)據(jù)位為7，停止位為1，偶檢驗方式。交流伺服電機(jī)是松下A4伺服電機(jī)，具體設(shè)置有效參數(shù)見表2。

3 結(jié)論

此設(shè)計整合了物聯(lián)技術(shù)與水處理技術(shù)裝置，應(yīng)用ZigBee組網(wǎng)、C語言編程、GSM短信等技術(shù)實現(xiàn)硬件和軟件相匹配的課題實踐研究。此次設(shè)計具有以下幾個特點。

（1）硬件電路設(shè)計結(jié)構(gòu)化、模塊化，把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與水處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合，易于系統(tǒng)的移植和維護(hù)。

（2）使用的人機(jī)界面友好，有用戶權(quán)限設(shè)置，須輸入密碼，界面操作方便、效率高。

（3）設(shè)計中有雙重?zé)o線通信：GSM短信通知到用戶手機(jī)和射頻收發(fā)顯示在觸摸屏，重要參數(shù)指標(biāo)可以同時顯示在手機(jī)和觸摸屏屏幕上。

（4）設(shè)計中應(yīng)用了險情自動短信報警、屏幕報警，同時有自動斷電保護(hù)功能、全息主動短信和被動查詢回復(fù)功能。

參考文獻(xiàn)

[1] 王付浩.面向水環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2015.

[2] 徐沾偉.多參數(shù)在線水質(zhì)傳感器的研究與實現(xiàn)[D].武漢：武漢大學(xué)，2012.

[3] 楊寶.基于GPRS遠(yuǎn)程無線通信的水溫水位采集和控制卡的設(shè)計研究[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2014.

[4] 李煜民，于芳，王魯達(dá).基于數(shù)據(jù)預(yù)處理的ZigBee協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)研究[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2014（10）：9-11.

[5] 劉新輝，陳金鵬，劉新光.基于GPRS的水質(zhì)參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2013（1）：27-30.

[6] 陳紅衛(wèi)，傅仁浦，王新剛，等.格柵除污機(jī)缺陷原因分析及應(yīng)對措施[J].設(shè)備管理與維修，2013（S2）：51-54.