真空污水处理智能监控系统设计

王力军，张 虎，鲍文慧，于连栋

（合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，合肥 230000）

随着我国经济水平的不断提高，农村和城市的水污染也越来越严重[1]。传统的污水收集处理方法多为由重力管网收集再集中处理的方式，近年来新兴的真空污水收集处理系统，则是对传统重力排污治污系统的一个重要创新和有力补充[2-3]。

真空污水收集处理系统主要由真空井、真空管网、真空站和污水处理站等组成。其中，真空井用于收集暂存附近的生活污水，多个真空井通过真空管网最终都连接到真空站和污水处理站。真空站内的真空泵等设备，负责将其周边数百米内几十个真空井内的污水收集到污水处理站，污水处理站再进行处理[4]。由于该系统设备繁多，覆盖面积大，且需要全天候不间断运行，人工进行监测控制和故障排查既不现实也不经济，另外用户用水量、设备功耗等数据是具有重要意义的信息。对此文中提出了一种智能远程监测及自动控制系统。

1 系统总体设计

真空污水处理智能监控系统，以村为单位，监测并控制1个真空站和几十个真空井，监控硬件设备在工业现场运行，监控结果则需要远程查看、操作。为满足这些要求，系统被划分为1个真空站监控模块、多个真空井监控模块以及远端监控软件等几部分，其整体方案如图1所示。

图1 系统整体方案Fig.1 Systems solutions

2 硬件方案设计

2.1 真空站监控板硬件方案设计

真空站监控模块是监控系统的信息中转节点，负责接收解析和处理远端监控软件下发的指令信息。真空站监控板硬件的设计方案如图2所示，选用STM32F103CBT6作为真空站监控板的核心来实现其功能。

图2 真空站监控板硬件方案Fig.2 Hardware solution of vacuum station monitoring board

2.1.1 关于主控芯片

STM32F10CBT6是意法半导体公司生产的32位微处理器，具有128 k Flash，20 k RAM，4个16位的定时器，36个I/O端口，2个看门狗以及各种串行接口等丰富的片上外设资源，采用LQFP 48封装，占用空间非常小，在此主要使用其中的串口、I/O端口、内部定时器和看门狗等资源[5]。

2.1.2 电源电路设计

真空站监控板采用外部24 V直流电源输入，电路板上还需要使用5 V、3.3 V等电源，考虑到该监控板需安装在工业现场，电源电路的保护以及电源之间的隔离尤其重要，故设计了电源保护和电源隔离电路。

该电路使用二极管防止电源反接，使用瞬态抑制二极管和压敏电阻以避免雷击等极端情况的影响，并采用金升阳B_S系列隔离电源模块。该系列产品是专门针对板上电源系统中需要产生一组与输入电源隔离的电压的应用场合而设计的[6]，选用B2405S和B0503S即可得到相互隔离的5 V、3.3 V电源以供电路使用。

2.1.3 通讯接口电路设计

真空站监控板作为网络转485模块的485从机，主控芯片与网络转485模块之间的通讯选用P3485。该芯片为3.3 V供电的低功耗半双工RS485收发器[7]，将主控芯片的串口1与之对应连接，通过软件编程即可间接实现真空站监控板与远端监控软件之间的通讯。

同时，真空站监控板也作为多个真空井监控板的485主机，选用TLP2362和MAX485来实现带隔离的485通讯。TLP2362是东芝的高速光耦，其工作电压为2.7～5.5 V，数据传输速率高达10 MBd，可以将真空站监控板主控芯片与485总线上的信号隔离，保护主控芯片[8]。MAX485是5 V供电的低功耗、限摆率、RS-485/RS-422收发器[9]。把主控芯片的串口2通过光耦，间接连接到MAX485接口芯片，以实现真空站监控板与多个真空井监控板之间的通信。

2.1.4 供电控制电路设计

为实现所有真空井设备通断电的远程控制，在此利用主控芯片的2个I/O端口、双路光耦TLP521-2GB和三极管D882等器件，以及外接继电器实现此功能。

2.2 真空井监控板硬件方案设计

真空井监控板是监控系统中的信息获取节点，主要功能是根据真空井内的液位状态自动控制电磁阀的打开与关闭，同时与远端监控软件进行通讯，并根据指令内容回复真空井内的状态信息，或执行开闭阀门和修改时间参数等动作。真空井监控板硬件方案如图3所示。该监控板同样以STM32F 103CBT6为主控核心，完全可以满足液位检测、阀门控制以及远程通讯等功能要求。

图3 真空井监控板硬件方案Fig.3 Hardware solution of vacuum well monitoring board

2.2.1 电源与通讯接口电路设计

电源与通讯接口电路的设计方法与真空站监控板类似。电源部分使用B2405S，B0505S，B0503S，等得到相互隔离的5 V和3.3 V电源；通讯部分使用MAX485和TLP2362来实现带隔离的485通讯。

需要注意的是，真空井监控板作为挂接在485总线上的从机，理论上来讲，当通讯距离超过300 m时，需要在总线末端设备上使用120 Ω匹配电阻[10]。在此使用了1个跳线帽，实际需要接入终端匹配电阻时，合上跳线帽即可。

2.2.2 地址设置电路设计

每个真空井监控板作为真空站监控板的485设备挂接在总线上，与真空站监控板之间的通讯协议参考Modbus协议[11]制定，所以每个真空井监控板都需要一个独一无二的Modbus地址，并且可以手动设置。在此，使用1个8位的拨码开关和4.7 kΩ的排阻，连接到主控芯片的PA0～PA7口，设置相应的拨码开关位就能设置真空井监控板的Modbus地址。

2.2.3 液位检测电路设计

液位检测电路相对比较简单，使用的是液位开关，液位到达一定高度时液位开关闭合，低于该液位时液位开关断开。故只需将液位开关的一个触点接到地，另一个触点通过上拉电阻接到主控核心的I/O端口，判断该端口的电平高低状态即可得到真空井内的液位信息。

2.2.4 阀门控制电路设计

电磁阀的合理控制是真空污水收集处理系统正常工作的重要保证。电磁阀工作电压为24 V，工作电流约为200 mA。在此，使用主控芯片的1个I/O端口来控制光耦的通断，光耦的通断将引起三极管工作状态的改变，进而控制电磁阀的开闭：光耦未导通时，三极管处于截止状态，电磁阀不工作；光耦导通时，三极管处于深度饱和状态，电磁阀被打开。其中光耦用于隔离主控芯片与电磁阀工作电路，保护主控芯片。

3 软件方案设计

3.1 真空站监控板软件设计

真空站监控板的主要功能是接收远程Modbus指令，根据指令内容查询所有真空井工作状态，或开启某个真空井的阀门，或修改某个真空井控制板的时间参数，或控制所有真空井的电源开关。真空站监控板整体软件方案如图4所示。

图4 真空站监控板软件方案Fig.4 Software solution of vacuum station monitoring board

由图可见，首先进行串口，GPIO，定时器，看门狗等外部设备以及相关软件参数的初始化，然后进入主循环，判断是否接收到正确的远程指令的标记（该标记在串口中断中置位），如果该标记置位则根据指令内容执行相应子函数，然后清零接收标记并喂看门狗；若无接收标记，则只执行喂看门狗动作。

3.2 真空井监控板软件设计

真空井监控板的主要功能是获取真空井内的实时液位状态，并根据该液位状态以及设置的时间参数自动控制电磁阀的打开和关闭。同时，接收485总线上的数据，根据指令信息回复液位和电磁阀状态，或开闭电磁阀，或修改时间参数等。真空井监控板整体软件方案如图5所示。

由图可见，首先进行串口，定时器，GPIO，Modbus，井信息，延时，中断分组，看门狗，等初始化操作，然后进入主循环，先调用电磁阀自动控制函数，根据液位状态和时间参数控制电磁阀的开闭，再判断是否接收到发给本机的远程指令标记，若接收到则调用处理指令子函数，执行相应动作，再清零标记、喂看门狗；若未接收标记，则直接执行喂看门狗操作。

图5 真空井监控板软件方案Fig.5 Software solution of vacuum well monitoring board

3.3 远端监控软件设计

该监控系统的远端监控软件是基于Visual Studio 2010进行开发的，采用C++语言和MFC编程语言库实现，在PC端运行，运行环境为Windows。利用该监控软件，在电脑端即可实现多项目状态监测和远程控制，此外具有记录历史数据、修改参数、故障报警等功能。其主界界面如图6所示。

图6 电脑端监控软件主界面Fig.6 Main interface of PC-end monitoring software

4 系统功能验证

监控系统设计完成后，在新潭村的真空污水收集处理项目现场进行了现场安装测试。

在该村落项目的真空站内安装网络转485模块和真空站监控板，在13个真空井内安装真空井监控板并挂接到485总线上，为整个系统的设备供电。真空井监控板可以根据真空井内的实时液位状态和设置的时间参数，自动控制电磁阀的打开和关闭；打开电脑端的监控软件，就可以查看真空站内的各种设备以及所有真空井的液位和阀门状态，也可以远程控制某个设备的启动或停止、阀门的打开和关闭、时间参数的修改等，基本实现了监测和远程控制的功能。该项目部分监控数据如图7所示。

图7 实时监控数据Fig.7 Real-time monitoring data

5 结语

文中所设计的真空污水处理智能监测及控制系统包含真空站监控模块、真空井监控模块以及电脑端监控软件，利用STM32单片机、485通信、网络通信以及C++上位机软件开发等关键技术，基本实现了对整个真空污水收集处理系统的远程监测和控制功能，满足合作单位的要求。目前，该监控系统已经在黄山拓达科技有限公司的多个真空污水收集处理项目中投入使用，实现了远程监测和控制的功能，具有重要的实际意义。

参考文献：

[1]冯颖，李晓宁，屈国俊，等.中国水环境污染与经济增长关系研究[J].西北农林科技大学学报：社会科学版，2017，17（6）：66-74.

[2]李旻，周敬宣，温兴锁，等.真空技术在真空排污系统中的应用[J].真空，2010，47（4）：100-103.

[3]李旻，徐江，苏珊珊，等.室外真空排水技术在我国应用与发展的若干问题[J].中国给水排水，2015，38（16）：1-5.

[4]陈丽琴.真空排水在排水系统中的设计理论研究[D].重庆：重庆大学，2011.

[5]张洋，刘军，严汉宇.原子教你玩STM32[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013：5-80.

[6]广州金升阳科技有限公司.DC/DC模块电源[EB/OL].http：//www.mornsun.cn，2016.

[7]Sipex Corporation.SP3481/3485 low power half-duplex RS485 transceivers[EB/OL].http：//www.exar.com，2002.

[8]Toshiba Corporation.Photocouplers GaAℓAs infrared LED&photo IC TLP2362[EB/OL].http：//www.toshiba.com，2016.

[9]Maxim Integrated.MAX485，low-power，slew-rate-limited RS-485/RS-422 transceivers[EB/OL].http：//www.maxim-integrated.com，2014.

[10]王书根，王振松，刘晓云.Modbus协议的RS485总线通讯机的设计及应用[J].自动化与仪表，2011，26（5）：25-28.

[11]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T19582—2008基于Modbus协议的工业自动化网络规范[S].北京：中国标准出版社，2008.