基于物联网技术的农村污水智能监控系统设计与应用

张侃侃，雷梦佳，孔维正，杨宗明，易雄辉，龙 艺

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙 410007）

随着新农村建设政策的不断推进，全国各地乡村取得了巨大的发展，农民生活水平不断得到改善。在农村快速发展的同时，环保设施建设却不能跟上经济发展的速度，农村污水问题日益凸显。如今，大部分农村污水被任意排放，只有少数污水处理站点，却也存在污水处理效率低、管控不够及时、控制过程不够规范等问题[1]。当前，污水处理监控系统难以在农村推广应用，主要有以下几个原因。

（1）各自为营，难以统一管控。现行的农村污水处理监控系统中，各厂家拥有自己的农污设备控制终端、终端管控平台及控制终端与管控平台进行数据交互的通信规约。因缺乏统一的监控数据传输规约，各厂家各自为营，难以形成统一的农污管控系统，农污管控系统难以大范围推广。

（2）故障率与维护成本高。与城市污水处理站不同，农村往往地处偏远，自然气候、网络环境较为复杂[2]。当农污管控系统出现控制终端上线率低、农污设备过流损坏等问题时，运维人员需要跋山涉水前去维护，维护的人力以及时间成本较高。

（3）农污控制终端智能化程度低。通常在运行的农污管控系统中，其农污设备控制终端往往只能实现对农污设备的简单启停操作，智能化程度较低。当发生故障时，既不能自动采取保护措施，也不能对故障类型进行简单分类。支持通信信道单一，不能根据实际网络状况择优选择，以便数据的实时上传。

目前，物联网技术得到广泛应用，将物联网技术赋能于农村污水处理，建立一套统一完备的农村污水智能监控系统，将有效解决当前农村污水处理的相关问题。

1 系统设计

物联网整体架构分为采集层、网络层、应用层。采集层通过各类传感器实现监测要素的数据收集；网络层通过各类有线或无线的数据传输模块将采集数据向应用层传输；应用层通过软件、平台对数据进行展示，同时也可以向下进行指令下发。

基于物联网整体架构，结合农村污水处理监控技术[3]，建立农村污水处理监控系统如图1所示。

图1 农污设备监控系统架构图

1.1 感知层

感知层主要由农污设备控制终端对污水、农污设备、控制终端自身进行实时监测，同时响应管控平台的设备控制指令。污水监测包括水位与水质数据，通过监测污水实时排放量与处理是否达标情况，以判断是否需要开启污水处理设备。农污设备监测主要包括各类污水处理设备的运行状态与实时的工作电流大小，如工作电流过大或过小相应故障的上报。控制终端的状态监测包括控制终端的工作电压及当地的网络信号强度，温湿度数据。当管控平台下发参数查询与设置、设备控制启停操作、远程固件升级等命令时，控制终端也能够实时响应。

感知层所有数据按照农污设备监控数据传输规约编码向上传输。

1.2 网络层

为解决当前农村污水处理终端上线率低的问题，控制终端在网络层支持多网络模式，包括GPRS/NBIoT/4G/5G等。控制终端根据当地实时网络状态，智能切换至信号更好的网络。

1.3 应用层

平台应用层是将网络层上传的数据按照农污设备监控数据传输规约解码获得解码数据，再通过各种方式，最大程度发挥其功能。

管控平台除了将控制终端上传的数据进行一个实时展示外，还能够将控制终端历史数据进行一个图表展示，并预测监测要素的未来走势。当发生故障时，平台派发故障处理任务，实时跟进故障处理进度，提高故障处理速度。当需要调整控制终端数据采集与设备控制策略时，平台可通过下发参数设置或者远程固件升级命令，省去工作人员“上山下乡”的麻烦，提高工作效率。

2 系统应用

2.1 系统整体结构

将本系统应用在实际项目中，以统一完备的农污设备监控数据传输规约为纽带，建立一个基于物联网技术的农村污水处理智能监控系统。系统包括农污处理罐、水位、电压、电流等传感网络、气泵、电池阀等农污设备、农污设备控制终端以及农污管控平台等，如图2所示。农污设备控制终端采集传感网络数据并控制农污设备，采集的数据按照农污设备监控数据传输规约编码组报，通过2G/4G/NB-IoT等网络向农污管控平台传输。

图2 农污设备监控系统整体结构图

2.2 农污设备控制终端

农污设备控制终端向下采集传感网络数据、控制农污设备，向上组报发送监控数据。根据当前农污管控系统中控制终端上线率低、智能化程度低、农污设备故障率高等问题，进行针对性设计。

为适应农村网络环境不稳定的特点，农污设备控制终端采用支持多网络模式设计，根据网络状况，智能切换NB-IoT/GPRS网络，提高其上线率。

为解决农污设备故障率高的问题，在农污设备运行过程中发生电流超上限或者超下限故障时，农污设备控制终端启动三段式启停控制策略，如图3所示。即第一次出现故障，关闭设备5 min，重新开启；若电流仍异常，关闭设备30 min，重新开启；电流仍异常关闭2 h，重新开启；电流仍异常，则不再开启，等待运维人员进行维修处理。这样既能避免农污设备因长期故障运行而彻底损坏，也能避免因污水处理设备偶然出现电流异常，误报故障的情况。

图3 农污设备控制终端图

当农户家停电导致农污设备及其控制终端无法工作时，控制终端通过超级电容作为应急电源继续工作，安全关闭所有农污设备，并报送掉电事件至管控平台，以便运维人员立即采取应对措施。相比于蓄电池，该处理方式更节省成本，且无内置电池起火风险。

为解决农污设备控制终端智能化程度低的问题，当农污设备或农污设备控制终端发送故障时，控制终端智能判断故障类型，自动进行相应应急处理并上报此故障至管控平台。维护人员可以根据故障类型判断故障是否紧急以及需要采取何种措施，有效提高运维效率。

2.3 农污管控平台

农污设备智控终端的数据，按照《农污设备监测数据传输规约》编码组报上传至农污管控平台，平台根据《农污设备监测数据传输规约》进行解码。农污管控平台除了接收、处理、展示监测要素的数据外，同时录入了农户、运维人员信息，能够对农污设备及其控制终端进行故障跟踪处理，同时可对控制终端进行远程控制、参数设置、固件升级等操作。

2.3.1 统一的设备管控

平台对所有农污设备控制终端的数据进行统一展示[4]。包括控制终端的在线情况、农污设备及其控制终端故障数量、已处理与待处理运维工单数量等，有利于管理人员对项目进行整体把控，如图4所示。

图4 管控平台数据展示

定位单个控制终端，平台提供对应站点位置、建设时间及对应农户与运维人员等信息。按需选择相应农污设备控制终端进行远程管控，包括对其参数的查询与设置、农污设备的启停控制。将农污设备控制终端监测的实时数据与历史数据（农污设备工作电流、控制终端信号强度、工作电压、污水水位）以图表的方式展示，能清晰地了解到农污设备的运行状况并预测未来走势，辅助管理人员采取应对措施。

2.3.2 故障追踪处理

当农污设备或其控制终端发生故障，控制终端发送故障报将此故障报至农污管控平台。农污管控平台根据故障时间、故障类型、故障数据判断是否加急处理，根据测站对应农户信息向运维人员派发故障处理工单。运维人员收到的工单包括故障设备位置、型号、故障类型、故障数据及农户资料等信息，按需采取措施。平台实时跟进故障处理进度，有利于运维工作，提高工作效率。

2.3.3 远程固件升级

不同阶段农污设备采取的管控方式不尽相同，但要进行相应的固件升级。以往固件升级需要运维人员到达站点进行升级，其时间和成本巨大。该农污管控平台支持远程固件功能，管理人员按照《农污设备监测数据传输规约》制作好升级包上传至管控平台即可进行升级操作。管控平台将升级包分包发送至农污设备控制终端，控制终端接收完毕后自动进行程序更新。

3 结束语

目前物联网技术在物流、交通、电力、家居、环境监测等诸多行业得到应用[5]。本文论述了如何将物联网技术应用至农村污水处理中，从当前农污管控领域存在的问题出发，对感知层、网络层、应用层进行了系统设计。通过实际应用案例，编制了一套统一完备的农污设备监控数据传输规约。其有利于实现农污设备管控系统的推广普及与农污设备的统一有效管理。对农污设备控制终端、农污管控平台进行系统的优化设计，解决了上线率低、故障率高、智能化程度低等问题，提高了控制终端与平台交互的整体性能。农污管控平台结合监测要素数据、农户信息及运维人员信息，进行深度的数据挖掘与数据联动，开发统一的设备管控、故障追踪处理及远程固件升级等功能，极大提高了运维管理人员工作的便利与效率。基于物联网技术农村污水处理智能监控系统的设计与应用，能够在农村污水处理领域大范围推广和长期使用。

除了物联网技术之外，大数据技术、人工智能技术及5G技术也在蓬勃发展，同样能够应用至农村污水处理中来。比如，通过大数据技术深度挖掘农污数据，其背后的农户用水情况可以指导农村水资源的调配；通过人工智能技术学习农污处理过程，能够更快地加速农污处理的智能化进程。随着高新技术的融入和应用，农村污水处理将朝着便捷化、智能化方向发展。