基于物联网技术的工业污染总量控制系统的研究

顾浩++徐宏飞++陈卫兵

摘 要：针对国家节能减排以及对工业污水排放的监测监控要求，利用物联网技术和现代远程监控技术设计了一种工业污染总量控制系统。该系统采用物联网技术进行远程通讯，以安装在环保部门的中心平台为核心，将现场总量控制器实时采集的工业污水流量以及化学需氧量、氨氮等多种监测因子的浓度转换成污染总量来刚性控制阀门的开关。与传统的单独流量控制相比，控制依据更合理，手段更先进。现场长时间运行表明，本系统采集误差小于1‰，通讯传输率达到99%以上，运行稳定可靠，并为环保物联网的建立奠定了基础。

关键词：物联网；工业污染；总量控制系统；远程通讯

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

《国家环境保护“十二五”规划》中，对化学需氧量（COD）、氨氮、二氧化硫、氮氧化物均提出了明确的减排指标。目前污染物总量控制以环境质量目标为基本依据，国家政府环保管理机构以行政手段对区域内各污染源的污染物或重点污染物的排放总量实施控制，而随着排放污染物的增加和不断变化，迫切需要通过工业信息化手段来解决污染物的总量控制。基于物联网技术的工业污染总量控制系统以工业级平板电脑为核心，配以AD、开关量、通讯等模块对污染物中各监测因子的浓度进行实时采集，并与采集到的实时流量一起计算，得到各监测因子的瞬时排放量，进而计算得到各监测因子的日、月、年的排放总量，为环保提供一种合理有效的监测监控依据，并利用物联网技术实现远程控制。

1 系统总体架构和工作原理

1.1 系统总体架构

本系统的总体架构如图1所示，主要由安装在环保部门的总量控制平台和安装在企业现场的总量控制装置两大部分组成，二者之间通过无线或有线网络链接。

总量控制平台分为前端通信程序、数据库、监控平台软件三大部分。前端通信软件主要实现总量控制平台和总量控制装置的对接，并将数据进行解析保存在数据库里，便于监控平台软件进一步处理并呈现。同时用户通过监控平台软件下发的控制命令，亦通过前端通讯程序下发给总量控制装置。

总量控制装置由总量控制器、数据采集控制器组成，数据采集控制器主要采集一次仪表的模拟量输出信号，计算得到相应因子的实时数据，并通过RS 232接口与总量控制器通讯，总量控制器亦可通过RS 232/485接口与一次仪表直接通讯以获取各类因子的实时数据，然后对数据进行汇总、存储后，以GPRS等无线方式或有线方式与总量控制平台进行数据交换。当接收到控制阀门命令时，通过数据采集控制器实现阀门控制。

图1 系统总体架构

1.2 物联网技术

物联网是指按约定协议，通过多种信息传感设备将物品与互联网相连接进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、监控和管理等的一种网络技术[1]。

GPRS技术等现代通讯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，总量控制平台和总量控制装置之间的通讯采用GPRS、有线等多种通讯方式实现。现场数据采集控制器和总量控制器之间采用RS 232通讯，若距离远，亦可采用无线RS 232方式、ZigBee方式等物联网技术实现通讯。

1.3 总量计算

现场由相应的一次仪表实现对诸如COD、氨氮等工业污染因子的实时在线监测，通过将各监测因子的浓度和污水的流量进行乘积得到相应的总量。本系统以分钟为计算单位，计算方法见公式（1）：

Di= Ci×Qi×10-6 （1）

式中，Di为第 i分钟污染物排放总量（kg/h）；Ci为第i分钟污染物浓度值（mg/L）；Qi为第i分钟废水排放量值（m3/h）。

本系统由总量控制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 总量控制装置的设计

2.1 总量控制装置的总体设计

总量控制装置的总体结构如图2所示。总量控制器由工业级平板电脑、刷卡模块、无线通信模块、短信模块、数据采集控制器组成。

2.2 数据采集控制器

由于一次仪表有的是模拟量输出，有的是数字量输出，为了采集一次仪表的模拟量信号并实现阀门控制，及采集相关开关量信号的设备工况，故设计了具有AD采集和IO输入输出的数据采集控制器。

数据采集控制器以STM32F103RBT6为核心，该芯片是意法半导体（ST）公司出品的一款32位ARM微控制器[2]，其内核是Cortex-M3，最高达72 MHz的工作频率，接口非常丰富，运算速度快，非常适合应用于计算和控制方面。

为了提高AD的采集精度，故使用精度高达24位的德州仪器（TI）高精度模数转换器ADS1256进行外扩，该芯片采样速率最高可达30 K/s，采用SPI方式与MCU通讯。模块可以同时采集8路模拟量，模拟信号兼容420 mA、020 mA、15 V、05 V多种类型，考虑到工业环境的复杂性，模块具备信号隔离、抗干扰等功能。为保证数据采集的准确性，采集十个样本值，去掉最大值和最小值，使用剩下的计算平均值。实践证明，数据的实际采集误差完全控制在1‰以内。AD采集模块结构图如图3所示。

数据采集控制器直接采用STM32F103RBT6的IO口，通过光电隔离进行扩展，实现开关量信号的采集和阀门等的控制。本系统具有32路开关量状态检测和16路常开无源触点输出。开关量输入电路如图4所示，开关量输出控制电路如图5所示。

2.3 无线通信模块

无线通信模块采用GPRS DTU。现场控制器通过RS 232连接DTU实现与GPRS网络的双向透明传输，GRPS 数据传输单元（Data Terminal Unit，DTU）是一种物联网无线数据终端，利用公用运营商网络GPRS网络（又称G网）为用户提供无线长距离数据传输功能。DTU采用工业级嵌入式处理器，内嵌TCP/IP协议栈，具有高速、稳定可靠，数据终端永不掉线的特点。无线通信模块总体结构如图6所示。

2.4 刷卡模块

刷卡模块主要由FM1702SL射频读写器[3]、天线、IC卡组成，该部分可实现刷卡充值功能。刷卡充值有以下两种方式：

（1）通过现场刷卡将排污允许量输入到总量控制系统，并保存在平板电脑中。

（2）通过中心平台远程充值后下发给总量控制系统，并与剩余值进行累加保存。

3 总量控制平台软件的设计

总量控制平台软件主要包括监控平台软件、数据库以及前端通讯程序。

前端通讯程序通过GPRS或有线通讯实现解析现场总量控制系统发来的数据，并将其保存到数据库中，同时将控制命令下发给对应的现场总量控制系统。为了实现与众多现场总量控制系统的数据并发接收处理，本系统设计时选用Java语言开发，并采用网络套接字（Socket）技术[4]。具体步骤如下：

（1）由总量控制平台创建套接字（Socket）。

（2）等待现场端连接端口，并绑定端口号。

（3）前端通讯程序接收到现场端的连接请求后，调用Accept函数来建立与现场端的通信。

（4）通信建立成功后，通过Read或Write函数进行读写。

在具体的实施过程中，由于网络原因会导致一些进程等待，造成网络拥塞，为此设置进程计数器，当等待进程超过一定数量时（如500个），则释放被阻塞的所有进程，重新创建Socket。

监控平台软件为基于.Net平台的Windows应用程序，采用C#语言开发，数据库使用SQL Server2008，主要目标包括总量控制、定额分配、定向监管、智能控污、强化执法[5]。通过发放排污许可证数据，以实时采集的总量数据为依据，对工业污染排放总量进行监控，根据企业的实际排放情况，在许可到期换证时，对企业合理分配排污权。对长期超标排放或超标严重的企业，从技术上实现关阀，进一步强化环保部门对违法排污企业的行政执法手段，同时也有益于企业转型升级。为此，监控平台软件包括如下功能：

（1）企业信息展示。

（2）实时数据分析及报表汇总和图表呈现。

（3）趋势预判。

（4）IC卡管理。

（5）远程控制、远程参数设置等。

（6）运营与维护管理。

4 结 语

本系统应用物联网技术，结合环保部门核发的企业排污许可信息，通过实时监控企业工业污染排放总量为节能减排提供了有效的监管手段。通过长期现场运行，该系统性能稳定、可靠，实施方便，具有很好的灵活性和扩展性。该技术收费更合理，控制更科学，可实现国家、省、市、县多级联网，并可推广到烟气排放总量监测中，为环保物联网的建立奠定了基础，具有广阔的发展前景。

参考文献

[1]邓文莲.基于物联网的烟囱废气数据采集和监控系统设计[J].计算机测量与控制，2012，20（11）：2955-2958.

[2]王永虹，徐炜，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[3]刘天成.基于FM1702SL的USB接口的RFID读卡器的设计[J].赤峰学院学报（自然科学版），2009，25（6）：37-38.

[4]束慧.基于物联网技术的污水处理过程动态监控系统[J].计算机测量与控制，2014，22（8）：2441-2443.

[5]陈卫兵，束慧.基于物联网技术的排污自动控制系统的设计[J].南通职业大学学报，2012，26（1）：72-76.