申请日2012.02.20
公开(公告)日2012.07.18
IPC分类号G05B19/418
摘要
一种基于无线传感网络的污水处理工程监控系统，包括：多个无线监控子站、无线传输系统和无线监控主站，无线监测子站负责采集污水处理工程的现场设备的相关信息。监控系统需要转发的数据和命令都要经过无线传输系统通讯。无线监控主站包括监控软件、服务器、客户端和以太网交换机;客户端与服务器通过以太网交换机交换数据，服务器主要负责整个污水处理厂数据的存储与管理。本系统相对于传统的PLC控制系统具有数据处理能力强，系统的存储容量大，由于每一个数据采集模块具有独立的控制器，系统具有更强的可靠性。相对于传统的有线传输系统，本系统采用无线传输系统，系统的成本低、安装和调试方便的特点。
权利要求书
1.一种基于无线传感网络的污水处理工程监控系统，包括：多个无线监控 子站、无线传输系统和无线监控主站，其特征在于：
每个无线监控子站包括数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、 模拟量输出模块和中央控制器模块，数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量 输入模块、模拟量输出模块分别与中央控制器模块采用SPI总线连接，中央控制 器模块采用ARM9作为主处理器，由Linux操作系统实现污水处理设备的底层驱 动和任务管理;
数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块的主 处理器采用嵌入式ARM7处理器，污水处理设备的运行状态信息由数字输入模块 采集，污水处理设备的启停控制则由数字输出模块控制，模拟输入模块用来采集污水处理设备状态的各种模拟量，如原水流量、pH值、温度和浊度信息，模拟 输出模块用来输出相应的模拟量，来对污水处理设备进行控制，如控制计量泵的 频率、控制加氯机调开/调关的角度和风机变频器的频率，中央控制模块主要完 成两个功能，一个是将数字输入、模拟输入模块采集到的数据处理后，通过无线 传输系统发送给无线监控主站;另一方面通过无线传输系统接收无线监控主站发 送过来的命令，例如污水处理设备的控制、模拟量采集和数字量采集，经过转译 后发出对应的命令给数字输出模块和模拟输出模块，
无线监控主站包括监控软件、服务器、客户端和以太网交换机;客户端与服 务器通过以太网交换机交换数据，服务器主要负责整个污水处理厂数据的存储与 管理，客户端主要负责从数据库中读取数据，按照污水处理厂的工艺需求，完成 水厂图形界面的显示，并根据污水处理厂的工艺向无线传输系统发送控制命令， 从而实现生产工艺设备的遥控及设备参数的遥测;
监控软件主要监控污水处理的流程中所有设备参数的遥测、遥控、数据分析 处理、系统网络状态的监测、报警，同时根据监测的水质参数，动态调整投加药 剂量，优化污水处理的工艺参数，监控软件的显示画面由污水处理工艺流程图、 数据点趋势图、系统报警图、操作控制实时显示图组成，其中污水处理工艺流程 主要包括总貌画面和分组画面两个部分，由总貌画面能够监测整个污水处理过程 的工艺流程，如果要实现对分组污水处理工艺流程的监测，单击画面设备进入相 应的设备画面，浏览该部分的设备运行状态;数据点趋势图则具有显示任何数据 点趋势的能力，并在同一坐标轴上显示至少三个变量的趋势记录曲线，有可供用 户选择的参数变量，不同颜色和不同的时间间隔，也可以对数据轴进行任意放大 显示;系统报警图显示当前所有正在进行的过程参数报警和系统硬件故障报警， 并按报警的时间顺序从最新发生的报警开始排起，报警优先级别和状态用不同的 颜色来区别，未经确认的报警处于闪烁状态;操作控制实时显示图能根据现场运 行人员或上级控制中心的命令控制污水处理水泵电机，进行启闭和停止操作。无 线监控主站在每一个信息周期内收集污水处理厂的风机变频器状态，水泵、阀门 状态，管道压力、流量、水位的信息，并将采集的参数发送给工业控制计算机， 无线监控主站实时接收工业控制计算机的控制命令，将工业计算机的控制信号通 过无限传输系统发送给每个无线监控子站，控制污水处理厂相应设备的启停，使 污水处理工艺达到优化;无线监控主站定时发送自检测命令，检测整个系统的网 络是否畅通，当发现监控系统的网络出现故障时，发送网络故障报警命令，并对 故障的无线监控子站进行定位，监控系统的任何单个元件的故障不会造成污水处 理厂生产设备的误动;
无线传输系统包括无线监控子站传输系统与无线监控主站传输系统，无线监 控子站传输系统与无线监控主站传输系统相连接，无线监控子站传输系统和无线 监控主站传输系统采用工作在868MHz、915MHz或2.4Ghz工业免授权的ISM频段， 每个无线监控子站和无线监控主站需要转发的数据和命令都要经过无线传输系 统通讯，每个无线监控子站的中央控制器模块与无线监控子站传输系统相连接， 无线监控主站的以太网交换机与无线监控主站传输系统相连接。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的污水处理工程监控系统，其特 征是：所述的无线传输系统采用无线传感器网络，或采用无线以太网进行通信; 网络采用分布式无线网络，网络结构采用星状网络，或通过路由的方式完成信号 的传输，采用无线MESH网络通信时无线模块与主处理器间采用网口连接，采用 ZigBee协议的无线传感网络通信时采用RS232串口连接。
3.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的污水处理工程监控系统，其特 征是：所述的无线传输系统采用Motorola公司的AP5131。
4.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的污水处理工程监控系统，其特 征是：所述的数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块和模拟量输出 模块均采用独立的处理器，每种模块采用板卡式设计思想，处理器采用嵌入式 ARM7处理器，各种模块与中央控制器模块之间采用SPI总线连接，与中央控制 器连接的各模块可以根据污水处理任务任意组合。
5.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的污水处理工程监控系统，其 特征是：所述的无线监控子站传输系统和无线监控主站传输系统采用工作在 868MHz、915MHz或2.4Ghz工业免授权的ISM频段，每个无线监控子站和无线监 控主站需要转发的数据和命令都要经过无线传输系统通讯，每个无线监控子站的 中央控制器模块与无线监控子站传输系统相连接，无线传输系统可以采用无线以 太网模块或无线传感网络模块，采用无线以太网模块时，监控子站与传输系统之 间采用网口连接，无线传输采用无线传感网络模块时，监控子站与无线传输系统 之间采用RS232串口连接。
说明书
基于无线传感网络的污水处理工程监控系统
技术领域
本发明涉及污水处理控制技术领域，具体涉及一种基于无线传输网络的污水处理工 程监控系统。
背景技术
随着经济的发展，社会的进步，环境问题越来越受到人们的重视，特别是水污染问 题，已经成为当今世界最重大的资源环境问题，日益引起人们的关注。世界各国都把水 当作为一种宝贵的资源去研究、开发、利用和保护。在我国随着城市化进程的不断加快， 城市污水的排放量正在逐年增加，工业废水和城乡生活污水向江、河、湖、海以及土壤 中的大量排放，使地表水和地下水的水质日趋恶化，严重制约了经济的发展且危害着人 类的健康。因此有效保护水资源不受污染，对于提高人民生活水平、促进经济社会发展 和保障国家安全均具有重大的战略意义。水污染治理的关键环节之一在于能否对水质进 行正确、客观的评估，通过科学有效的手段对污水处理厂设备按照运行工艺有效、准确控 制。但是水中污染物质的浓度和分布是随着时间、空间、气象条件及污染源排放情况等 因素的变化而不断改变的，因此必须采用在线实时监控的方法，随时随地的得到水中的 污染物信息，这样才能快速分析并控制污染源，污水的处理方法达到最佳。在污水处理 控制中，数据采集系统通常采用PLC作为控制单元，PLC的数据处理能力有限，运行速度 慢，限制了系统性能的进一步提高;数据传输通讯方式通常采用传统的有线方式，需要 大范围布线，给现场施工带来很大麻烦，而且容易受到化学腐蚀，投入及维护成本高。 本发明采用ARM内核的微处理器作为主控系统，采用无线网络的方式完成信号的传输， 实现了现场监测信息在各监测站的信息共享，有效的提高了污水处理厂的运行效率，具 有性能高、成本低、便于安装等特点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有污水处理控制系统需要现场布设信号传输线，安装不便 的缺点，设计一种直观的、低成本、高性能、高可靠性的无线传感网络技术水处理工程 监控系统。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于无线传感网络的污水处理工程监控系统，包括：多个无线监控子站、无线 传输系统和无线监控主站;
每个无线监控子站包括数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟 量输出模块和中央控制器模块，数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、 模拟量输出模块分别与中央控制器模块采用SPI总线连接，中央控制器模块采用ARM9作 为主处理器，由Linux操作系统实现污水处理设备的底层驱动和任务管理;
数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块的主处理器 采用嵌入式ARM7处理器，污水处理设备的运行状态信息由数字输入模块采集，污水处理 设备的启停控制则由数字输出模块控制，模拟输入模块主要用来采集污水处理设备状态 的各种模拟量，如原水流量、pH值、温度和浊度信息，模拟输出模块用来输出相应的模 拟量，来对污水处理设备进行控制，如控制计量泵的频率、控制加氯机调开/调关的角度 和风机变频器的频率，中央控制模块主要完成两个功能，一个是将数字输入、模拟输入 模块采集到的数据处理后，通过无线传输系统发送给无线监控主站;另一方面通过无线 传输系统接收无线监控主站发送过来的命令，例如污水处理设备的控制、模拟量采集和 数字量采集，经过转译后发出对应的命令给数字输出模块和模拟输出模块;
无线监控主站包括监控软件、服务器、客户端和以太网交换机;客户端与服务器通 过以太网交换机交换数据，服务器主要负责整个污水处理厂数据的存储与管理，客户端 主要负责从数据库中读取数据，按照污水处理厂的工艺需求，完成水厂图形界面的显示， 并根据污水处理厂的工艺向无线传输系统发送控制命令，从而实现生产工艺设备的遥控 及设备参数的遥测;
监控软件主要监控污水处理的流程中所有设备参数的遥测、遥控、数据分析处理、 系统网络状态的监测、报警，同时根据监测的水质参数，动态调整投加药剂量，优化污 水处理的工艺参数，监控软件的显示画面由污水处理工艺流程图、数据点趋势图、系统 报警图、操作控制实时显示图组成，其中污水处理工艺流程主要包括总貌画面和分组画 面两个部分，这两部分属于从属关系，由总貌画面能够监测整个污水处理过程的工艺流 程，如果要实现对分组污水处理工艺流程的监测，单击画面设备进入相应的设备画面， 浏览该部分的设备运行状态;数据点趋势图则具有显示任何数据点趋势的能力，并在同 一坐标轴上显示至少三个变量的趋势记录曲线，有可供用户选择的参数变量，不同颜色 和不同的时间间隔，也可以对数据轴进行任意放大显示;系统报警图显示当前所有正在 进行的过程参数报警和系统硬件故障报警，并按报警的时间顺序从最新发生的报警开始 排起，报警优先级别和状态用不同的颜色来区别，未经确认的报警处于闪烁状态;操作 控制实时显示图能根据现场运行人员或上级控制中心的命令控制污水处理水泵电机，进 行启闭和停止操作。无线监控主站在每一个信息周期内收集污水处理厂的风机变频器状 态，水泵、阀门状态，管道压力、流量、水位的信息，并将采集的参数发送给工业控制 计算机，无线监控主站实时接收工业控制计算机的控制命令，将工业计算机的控制信号 通过无线传输系统发送给每个无线监控子站，控制污水处理厂相应设备的启停，使污水 处理工艺达到优化;无线监控主站定时发送自检测命令，检测整个系统的网络是否畅通， 当发现监控系统的网络出现故障时，发送网络故障报警命令，并对故障的无线监控子站 进行定位，监控系统的任何单个元件的故障不会造成污水处理厂生产设备的误动。
无线传输系统包括无线监控子站传输系统与无线监控主站传输系统，无线监控子站 传输系统与无线监控主站传输系统通过无线形式交换数据，无线监控子站传输系统和无 线监控主站传输系统采用工作在2.4Ghz工业免授权的ISM频段，每个无线监控子站和无 线监控主站需要转发的数据和命令都要经过无线传输系统通讯，每个无线监控子站的中 央控制器模块与无线监控子站传输系统相连接，无线监控主站的以太网交换机与无线监 控主站传输系统相连接。
本发明还有其它技术特点：
1、所述的无线传输系统采用无线传感器网络，或采用无线以太网进行通信;网络采用分 布式无线网络，网络结构采用星状网络，或通过路由的方式完成信号的传输，采用无线 以太网网络通信时无线模块与主处理器间采用网口连接，采用ZigBee协议的无线传感网 络通信时采用RS232串口连接。
2、所述的无线以太网传输系统采用Motorola公司的AP5131。
3、所述的数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块均采用 独立的处理器，每种模块采用板卡式设计思想，处理器采用嵌入式ARM7处理器，各种模 块与中央控制器模块之间采用SPI总线连接，与中央控制器连接的各模块可以根据污水 处理任务任意组合。
本系统相对于传统的PLC控制系统具有数据处理能力强，系统的存储容量大，由于 每一个数据采集模块具有独立的控制器，系统具有更强的可靠性。相对于传统的有线传 输系统，本系统采用无线传输系统，系统的成本低、安装和调试方便的特点。
