一个智慧污水处理物联网系统的设计与应用

梁可儿 蒋宗华 徐勇

摘要：随着污水排放量增加和环保要求的提高，污水处理愈加重要。该系统将污水通过生物处理法，去除其中的污染物，并根据传感器检测的水质相应指标，动态调整处理时间和用料量。在污水处理的最后阶段，系统设置了水质检测区，当水质达标时，水会通过出水管道排放;当水质不达标时，水会根据其不达标检测物质，经回流泵流回相对应的处理区，进行重新处理。通过WIFI或窄带物聯网将数据传输至云平台，云平台通过可视化技术显示水质处理情况。实现了系统原型，该系统高效环保，实现了智能化和网络化。

关键词：污水处理;物联网云平台;物联网应用

一、引言

随着当代社会经济的发展和人们生活水平的提高，污水排放成为一项不可忽视的污染源。城市化进程的推进，使城市人口上升，城市污水排放量越来越大，同时农村环保要求也逐步提高，农村污水处理也逐步实施，污水处理越来越重要。鉴于这一社会现状，该项目致力于建立较完善精确的智能化、网络化的智慧污水处理系统，将污水废水通过一系列处理工序，去除其中的污染物，使其出水指标达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级B标准。

在该智慧污水处理物联网系统中，将污水处理划分为不同的区域模块，用来去除污水中的不同杂质，在处理工艺方面，主要采用生物处理法中的缺氧—好氧工艺[1][2]，这种处理方法较之其他的污水处理方法更加环保，且比较高效。在处理过程监测方面，将传感器安装在处理的各区域模块中，以便检测水质的相应指标，动态调整该阶段处理时间和用料量。并且在处理区之后，设置了水质检测区，将水位传感器、COD检测仪[3][4]、氨氮检测仪[5]等传感器安装在其中，以便实现对处理后水中物质含量的检测，并通过WIFI或窄带物联网将数据传输到云平台进行远程查看。当处理后水质达标时，水会通过出水管道排放;当水质不达标时，水会通过回流泵流回其不达标检测物质相对应的处理区，进行重新处理。在出水管道中，设置了水位传感器，以监测是否有水质不达标却有排水的情况发生，一旦发生，云平台将启动触发器给相应的管理人员发送警报邮件。

智慧污水处理物联网系统实施运用，顺应全球强调的可持续发展经济模式，可有效地解决服务区域的水污染问题，为城镇服务，为社会服务，可保护水资源，改善风貌，提高卫生水平，保护人民身体健康。同时，该项目的建设，可提升区域投资环境，使工业企业不会再因污水排放和污染物总量控制而制约发展，促进城市和乡镇城市的经济发展。

二、总体设计

该系统是以物联网为基础，以改良的厌氧好氧污水处理工艺为核心工艺的一款污水处理设备。为方便各个设备的污水处理将污水处理系统联网，远程监控智慧污水处理系统的运行状态，做到及时定位、迅速处理故障设备。总体设计图如下：

数据采集模块主要是通过传感器对模拟信号进行采集，并将采集到的模拟量转换为数字量，然后将数字信息传递到控制管理模块。

嵌入式系统根据采集到的数据和工序要求，通过控制各继电器线圈的通电状态等方法控制设备的运行状态。通过各阶段检测水质的相应指标，动态调整该阶段处理时间和用料量。

通过WIFI或窄带物联网将数据传输至云平台，实现对处理过程的远程监测，充分达到资源优化和可视化，及时监测水质和发出排放异常消息。

云平台通过虚拟化技术将服务器、存储、网络进行虚拟化，提供按需分配的虚拟资源池，从而使得云计算平台对资源的使用灵活方便。通过公有云方式搭建监测系统系统有自主权，可以任意增加功能模块，完成系统的个性化和针对性需求定制，无需担心监测数据的存储问题，且可以保证本系统完成多项目多任务的同步在线监测。

三、系统模型

系统模型图如下：

（一）检测模块

各传感器将水质、水位等物理量转换为电压信号，经嵌入式系统的多通道A/D模块再转换为数字量，根据相应的公式计算数值或者分类，获得水质、水位等数据。根据定时器T0的定时，每0.5秒切换一次通道，嵌入式系统的内部A/D模块进行该通道的模/数转换，从而能实现多个模拟量的检测。例如A/D转换控制寄存器ADC_CONTR 设为 0x88，启动接在P1.0引脚上的信号转换，ADC_CONTR 设为 0x89，启动接在P1.1引脚上的信号转换。

（二）控制模块

通过各阶段检测水质的相应指标，动态调整该阶段处理时间和用料量，如果水质差则增加处理时间和用料，反之则减少处理时间和用料，在处理时间、能耗和用料上做到节约高效。通过嵌入式系统控制继电器线圈的通电时间进行处理时间的调整，通过控制播料器的继电器线圈通电时间，能调整用料量。根据从最后检测区获得的水质数据，判断水质是否达到排放要求。当检测到水质达标时，嵌入式系统对应引脚为高电平，三通电磁阀线圈通电，水从排水管流出，否则，对应引脚为低电平，三通电磁阀线圈失电，水流向对应处理单元进一步进行处理。

在最后检测区和排水管处进行水质检测和水位的交替检测，以达到进行实时排水控制和检测的目的。当变量vf为0时，进行检测区水质检测，水质共分为5类，水质越好，对应数越小。当vf为1时，进行出水管道水位检测，检测是否在排水以及排水量。液晶上显示水质和水位等数据。

（三）无线模块

该项目的无线模块为ESP8266，该模块通过串口和嵌入式系统处理器通讯，串口波特率为115200。嵌入式系统设置为用定时器T1产生波特率，定时器T1工作于自动重载模式，辅助寄存器AUXR的T1x12位设置为1，使定时器1不分频，用以产生高波特率。嵌入式系统通过串口向ESP8266发送AT命令和数据。通过执行AT命令AT+CWJAP=访问点名，密码，WIFI模块ESP8266接入访问点。

（四）云平台模块

通过执行AT命令AT+CIPSTART="TCP"，"183.230.40.33"，80，连接到OneNet物联网云平台，通过执行AT命令AT+CIPSTART启动向云平台发送数据，在收到“>”后，开始发送数据。

系统向物联网云平台发送的主要數据流主要有sz和sw，分别代表检测区的水质和出水管的水位。当检测区水质不达标但出水管的水位不为零时，系统向物联网云平台发送数据流alarm的数据点。

（五）模型测试

1.模型测试过程

在污水处理模型中，该系统用水质检测传感器来检测处理后的水质情况是否达标，用水位检测传感器来检测出水情况，以避免当水质不达标但有水排出的情况发生。该系统通过三通电磁阀来实现排水管道的选择，设定当水质达标时，检测区的水会通过出水管道排出，液晶显示为1类水或2类水;当水质不达标时，检测区的水会通过回流泵流回前面的处理模块进行重新处理，液晶显示的水质为3至5类水。数据要能在物联网云平台展示。

2.模型测试结果

测试结果表明，处理后的污水如果达标将从排水管排放，否则将回流到相应处理室进一步处理。水质数据和出水管排水数据能上传到OneNet物联网平台并展示。

该实验模型所采集的水质和出水管水位数据传输到OneNet云平台，在云平台中添加数据流、编辑应用，通过柱状图和仪表盘显示数据信息，以方便监测。下图为水质不达标时，云平台所显示的数据图形。

四、结束语

该系统能够有效地解决环境问题，给予环境确切的保障，有利于促进城镇经济发展，提高人民的生活质量。针对环境问题日益突出的现象，国家为了保护环境推出了不少相应的政策和措施，智慧污水处理物联网系统是对国家提倡的绿色环保可持续战略一种积极响应，社会效益比较大。

该系统实现了污水处理的智能化、网络化，污水处理过程节约高效，防止了处理后不达标的水的排放，在任何地方只要登录物联网云平台便可监测。系统原型得到了验证。系统不但适用于城市集中污水处理的场景，在乡镇分布式、小型化污水处理方面有更广阔的应用场景，网络化的实现使得小型化污水处理更容易监测。

参考文献：

[1]王帆，李军，艾胜书.三级AO耦合工艺低温污水处理脱氮机理[J].中国环境科学，2020，40（3）：1059-1067

[2]张云德.快速测定生化需氧量的研究[J].资源节约与环保，2018，7：93，95

[3]张春雷.BOD5测定方法的改进[J].中国环境监测，2000，16（3）：24

[4]惠超.电化学法污水COD测量技术及仪器研制[D].青岛：中国海洋大学，2011，5

[5]郑刚，余亮，曾鑫.含氮、磷废水处理工艺的改造[J].化工管理，2020，1：192-193

本文系安徽财经大学大学生创新创业训练计划资助，项目编号：202010378328

作者简介：梁可儿（2000—）女，江苏南京人，安徽财经大学管理科学与工程学院，2018级本科生，物联网工程专业本科在读。