摘要：针对目前电镀行业废水处理系统自动化程度低、难监管、不环保的现状，提ft一套基于
6LoWPAN 的电镀废水自动监测控制系统。本系统基于STM32 微控制器建立6LoWPAN 传感网络，在传统电镀废水处理系统中配置检测电极及重金属离子传感器，可实时监测电镀废水处理进程并上传数据至服务器，控制器根据当前元素含量及软件设置阈值自动控制安装于加药箱的继电开关，以控制加药量和废水处理进度。此外，管理员可随时登录服务器查看废水处理进度。通过样本测试证明本文提ft的系统对电镀废水处理的时效性明显提高。
关键词：6LoWPAN；电镀废水处理；STM32中图分类号：TQ 056.8 文献标识码：A
Design of Automatic Monitoring and Control System of Elec⁃ troplating Wastewater Based on 6LoWPAN
CHONG Nannan1，YUE Shiming2
（1.Department of information engineering ，Tianjin University Renai College，Tianjin 301636，China； 2.Temeijia Chemical Products Trading Co ，Ltd.，Tianjin 300380，China）
Abstract：This paper contraposed the existing problems of low automation degree ，poorly regulated and non-environmental protection about electroplating wastewater treatment system ，proposed an automatic monitoring and control system for the wastewater based on 6LoWPAN. This system set a 6LoWPAN wire⁃ less sensor network based on STM32 microcontroller，and fixed the electrodes and heavy metal ion sen⁃ sors into the traditional wastewater treatment system ，accomplishing the aim to show the process of waste⁃ water treatment and upload the data to database server. The controller would control the relay switch ac⁃ cording to the element content of wastewater and the software threshold value automatically ，in order to control the dosage and wastewater treatment progress. In addition，administrator could log into the server to view the progress of wastewater treatment. Finally，the validity of the system design is verified through sample test.
Keywords：6LoWPAN；electroplating wastewater treatment；STM32
电镀是镀件在镀槽中经过化学或电化学反应获得金属保护层的技术，具有对镀件装饰、提高硬度和耐磨性能、提高导电导磁性能等作用。镀件功能要求各异，镀种镀液种类繁多，但电镀废水中含有的氰和重金属离子等有害物质是破坏环境的污染源。传统电镀废水处理系统自动化程度低，效果有限且难于监管［1-2］。因此 ，本文提出一套基于6LoWPAN（ 面向低功耗无线局域网的 IPv6）和STM32 处理器的可与互联网通信的电镀废水自动监测控制系统。首先介绍系统的工作原理和系统架构，然后详细阐述控制系统硬件和软件设计方案，最后进行样本实验，通过测试和计算结果评价系统性能。
1 系统工作原理及总体设计
6LoWPAN 网络具有优于其他无线传感网络的诸多特点，如低功耗、低成本、鲁棒性强、布置简单、维护方便、支持星型和网状拓扑结构等。6LoWPAN 网络基于TCP/IP，网络内每个节点的IP 均可以在服务器上获取［3-4］。此外，6LoWPAN 还可在没有任何基础设施铺垫的场景下实现微型设备互联，足以满足电镀废水处理系统对排放物含量实时监测和控制任务。
开发的电镀废水自动监控处理系统框图如图1所示。系统利用IPv6 网络，基于 6LoWPAN 和无线传感网技术，在传统电镀废水处理系统基础上设计配置电镀废水自动监测控制部分，此部分包括监测节点、6LoWPAN 传感网络和监测主机（数据服务器）三部分。利用新型传感器［5］节点组成传感网络来实时监测废水中有害金属离子含量信息，并实时计算有害金属离子处理所需的化学药剂量，在每一个加药箱配置 6LoWPAN 继电器控制开关，实现自动控制加药进度和废水处理速度。
6LoWPAN 传感网自动监测控制架构如图 2 所示。系统自动监测控制部分采用物理层、网络传输层 、应 用层三层架构 ，由 6LoWPAN 终端节点、6LoWPAN 网关及路由器 、服 务器组成。 其中6LoWPAN 终端节点负责采集废水处理过程中池内有害物质含量并通过6LoWPAN 网络传输至6LoWPAN 网关，网关负责接收终端节点的数据，通过路由器传输至监测中心的数据接收服务器和数据应用服务器，用户终端在访问服务器时可查看各节点处各元素含量，从而给工作和管理人员提供决策支持和有效监管。
本系统设计的电镀废水自动监测控制设备由电镀废水池、提升泵、加药箱、反应器、综合收集池、混凝反应池、沉淀池、污泥收集池、压滤机、清水池、砂滤、碳滤、重金属捕捉器、pH 电极、氰电极及重金属离子传感器等组成。N 条（N≥1）废水处理线可同时处理，保证废水处理速度；每条废水处理线可根据有害物质种类添加多个加药箱，每一个废水池、综合收集池和污泥收集池配置超声波液位监测仪、pH 电极、氰电极和重金属离子传感器实时监测废水有害物质含量并上传数据至数据服务器；每个加药箱配置 6LoWPAN 继电器开关，可通过程序设定阈值或人为修改控制添加药品量。
该系统废水处理过程分为粗滴处理和细滴处理。粗滴处理过程为：电镀废水进入废水池后，由超声波液位监测仪测得废水池液位数据，计算得到该池电镀废水总量，同时根据配置在废水池的 pH电极、氰电极和重金属离子传感器等采集电镀废水的pH 值、氰离子和重金属离子的质量浓度，通过控制6LoWPAN 继电器开关添加计算得出的所需药品量。在反应器中装配搅拌机使电镀废水与添加药品充分搅拌发生反应。细滴处理过程为：当检测到电镀废水的pH 值、氰离子与重金属离子质量浓度达到排放标准时，停止搅拌并将废水排放至综合收集池进行二次检测以及精滴。精滴过程中，反应池传感器精度高、数据准确，且废水与药品混合后需一段时间后才可充分反应，可根据实时监测到的有害物质含量自动调整药品添加速度，反应过程药品添加速度可略慢。
待废水与细滴添加的药品充分反应后，将废水送入沉淀池，将电镀废液处理过程所产生的固体废料分离，分离出水和电镀污泥。据调查，一般新处理产生的电镀污泥含水量可达75％~80％，经砂滤、碳滤、重金属捕捉等处理达到国家标准后，可进行排放或二次利用等。本系统面向电镀废水处理循环监测确保排放符合国家标准，实现环保和生产的可持续发展。
2 系统硬件设计
系统自动监测控制部分采用物理层、网络传输层、应用层三层架构，其中应用层由数据接收服务器和数据应用服务器组成，在 3.3 详细介绍。此部分仅介绍系统物理层和网络层的硬件结构设计。
2.1 物理层
本监测系统集成多种电极和元素检测传感器，可以监测pH 值和元素含量等多种参数，并通过继电器控制加药量和废水处理速度。有害物质检测已有诸多方法发布［6］，本文重点阐述监测信号处理设计及自动监测控制方法。
超声波液位监测仪、pH 电极、氰电极和重金属离子传感器等在下文简称终端节点，用于获取废水池、电镀池的液面位置、pH 值、氰和重金属离子含量。终端节点硬件结构如图 3 所示。处理器模块和无线通信模块采用TI 公司的经济高效型超低功耗 片 上 系 统 CC2630。 处 理 器 模 块 为STM32F103RET6 开发板 ，其 32 位的 ARM CortexM3 主控制器具有 128KB 系统内可编程闪存、8KB缓存静态RAM、JTAG 调试等，具有丰富外设。无线通信模块由ARM Cortex-M0 协处理器内核及RF 收发电路组成。继电器模块安装于原电镀废水处理系统加药箱开关处，控制器通过采集废水池内数据自动控制继电器开关进而控制滴定和废水处理速度。此外，为了避免布线繁杂，提高设备安装便携
度，本系统采用可充电锂电池为终端节点提供电能。终端节点正常工作时，处理器和无线通信模块供电3.3 V，信号采集及处理模块供电5 V。
2.2 网络层
6LoWPAN 网关是整个网络的核心，主要实现无线传感网络和互联网之间的协议转换，包括
与物理层终端节点传感网络的通信及应用层数据服务器的通信，可实现接收信息数据、提供防火墙、访问管理等功能。以 6LoWPAN 开发板为平台，在Contiki 操作系统上运行 6LBR 应用程序和UDP 服务器程序，即可构成IPv6 与IEEE802.15.4 协议之间的适配层，实现两个网络互联通信。6LoWPAN 网关硬件框图如图4 所示。
3 系统软件设计
结合本系统电镀废水自动监测控制系统功能要求，需对系统进行软件设计。软件设计分为废水自动检测控制总体部分、6LoWPAN 网关部分、数据服务器部分和安全层部分。
3.1 电镀废水自动监测控制系统
软件设计基于Visual DSP++4.5 平台，通过编写控制函数对有害物质浓度监测并通过计算得到所需药品量控制加药箱处继电开关。若处理结果符合排放标准，则执行排放程序。系统监测控制电镀废水处理流程如图5 所示。首先进行系统初始化，包括终端节点同步串口初始化、CAN 同步初始化和时钟初始化。再根据排放标准或企业需求设置元素含量阈值，若采集浓度数据符合粗滴范围，加大加药箱继电器开关进行粗滴，若元素含量进入精滴范围，则适当减小开关，降低速度进行精滴。元素含量达标则终止加药。
3.2 6LowPAN 网关
6LoWPAN 网关由contiki 嵌入式系统搭建的边界路由器软件和用于解析报文的LwIP 协议栈软件组成，网关软件架构如图6 所示。边界路由器搭建6LoWPAN 协议栈实现数据收发，经 IPv6 转发连接互联网传至数据服务器。
3.3 数据服务器
数据通过6LoWPAN网关连接上传到数据接收服务器，系统各模块控制程序文件放入服务器根目录下，用 SQL Server 数据库存储终端收集的信息。在已有的无线设备基础上，创建专用的 VLAN。通信安全使用 WPA 个人协议，每个无线网络设备使用一个 256 位的密钥加密 ，基于 HTTP 协议将按JSON 格式封装的数据上传至客户端服务器。此外，为了确保整个网络同步，6LoWPAN网关定期从HTTP 服务器获取一个时间帧，传送到其余的终端节点。
3.4 安全层使用
AES-128 位方案加密射频传输数据。安全层负责解密接收端接收的加密射频数据。此外，由于电池寿命是决定器件生命周期的主要因素，本文设计了几种方案来尽量减小节点的能量消耗。例如，发送机和接收机进行通信，根据双方距离和连入的设备决定最佳供电水平，非传输时段则停用射频模块，采用低电量监测和报警通知系统。为了避免多传感器信息收集传输时产生数据拥塞而导致读取失败，引入防拥塞算法保证信息数据读取成功率。
4 测试与分析
选取天津工业园区某电镀厂实际产生的电镀废水为研究对象，对排入 2个废水池的同源同量的电镀废水分别进入到本文设计的电镀废水自动监测控制处理系统和传统的电镀废水处理系统，并分别进行废水处理。在两个系统的排放端各取样 3组 100 mL 样本，分别标记为样本Ⅰ-1#，2#，3#和样本Ⅱ-4#，5#，6#。样本Ⅰ为本文设计的电镀废水自动监测控制系统的排放物，样本Ⅱ为传统电镀废水处理系统的排放物。使用单因子指数法分别测试样本Ⅰ-1#，2#，3#和样本Ⅱ-4#，5#，6#中铬、镍、铜、锌离子的质量浓度，测试结果列于表1。
使用内梅罗污染指数法对经过检测的排放物污染指数进行测定，计算公式为：
式中：Px为废水中污染物的实测质量浓度，单位mg/L；ρx为废水污染指数；S为废水排放标准，根据电镀污染物排放标准（GB21900-2008）［7］，国家一类有害物质最高允许排放质量浓度分别为：铬1.0 mg/L（其中六价铬 0.2 mg/L）、镍 0.5 mg/L；铜、锌等国家二类有害物质最高允许排放质量浓度分别为 0.5 mg/L和 1.5 mg/L。ρi为内梅罗污染指数；ρmax为电镀废水中有害物质量浓度的最大值，单位 mg/L；-ρ 为平均值，单位mg/L。根据表 1结果计算各样本内梅罗污染指数，结果如表 2所示。经排放物测试，样本Ⅰ较样本Ⅱ有害物含量更少，其中样本Ⅱ所含铜元素内梅罗污染指数高于 1，属于轻污染，其余属于非污染水平；而
样本Ⅰ即经本文设计的电镀废水自动监测控制系统处理后的废水中所有测试元素均达到非污染水平。
通过电镀厂现场实测数据考察本文设计系统的性能。两组废水的金属离子去除率随废水处理时间的变化如图 7所示。可以看出，本文设计的电镀废水自动监测控制系统对电镀废水中金属离子的去除能力及处理速度均优于传统的废水处理系统，达到预期目标，更符合环保标准。
5 结语
针对传统电镀废水处理系统普遍存在的问题，设计出一套基于6LoWPAN 的电镀废水自动监测控制系统。该系统借助于STM32 平台，在传统电镀废水处理系统中配置测量装置和继电开关，通过设计
6LoWPAN 网关等软件部分实现 6LoWPAN 传感网与互联网相连，实时记录废水处理状态并将数据存至服务器。在电镀厂实测中，证明该系统有效提高电镀废水中金属离子的去除效率和处理速度。该系统将有助于实现电镀废水的减量化、无害化和自动化处理。
参考文献
［1］ 黄瑞光．21 世纪电镀废水治理的发展趋势［J］．电镀与精饰，2000，22（3）：1-2．
［2］ 唐兆民，张景书．电镀废水的处理现状与发展趋势［J］．国土与自然资源研究，2004（2）：69-71．
［3］ 陈静，陈华森，李敬兆，等．基于 6LoWPAN 的电力变压器无线监测系统［J］．仪表技术，2018（4）：26-30．
［4］ Al-Kashoash H A A，Kharrufa H，Al-Nidawi Y，et al. Congestion control in wireless sensor and 6LoWPAN net⁃ works：Toward the internet of things［J］. Wireless Net⁃ works，2018（15）：1-30.
［5］ 荣晓娇，石磊，丁士明，等．基于纳米材料的电化学传感器在重金属离子检测中的应用［J］．南京工业大学学报（自然科学版），2018，40（3）：115-121．
［6］ Azmi A A，Jai J，Zamanhuri N A，et al. Precious metals recovery from electroplating wastewater：A review［J］. 2018，358（1）：12-24.
［7］ 中华人民共和国生态环境部科技标准司，电镀污染物排放标准［S］. GB21900-2008．
