CN101995865A - 基于无线传感器网络的水处理工程监控*** - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于无线传感器网络的水处理工程监控***。目前的污水处理设备利用PLC的数据处理能力有限，运行速度慢，限制了***性能的进一步提高。本产品组成包括：中心控制***(2)，所述的中心控制***连接一组无线传感器网络节点(1)，所述的中心控制***包括工控机(6)，所述的工控机连接无线传感器主站(7)，所述的无线传感器网络节点包括数据采集模块(3)，所述的数据采集模块连接数据处理和控制模块(4)，所述的数据处理和控制模块连接通信模块(5)。本产品用于污水处理设备的***监控。

Description

基于无线传感器网络的水处理工程监控***

技术领域：

本发明涉及一种基于无线传感器网络的水处理工程监控***。

背景技术：

污水处理具有处理工艺复杂、连续生产、多采集变量、干扰多等特点。传统的监控***采用PLC或嵌入式处理器作为控制单元，对各设备进行数据采集与控制。例如专利公开号为200951966的实用新型“智能水处理***自动控制装置”，以PLC作为控制核心，在各个设备上安装信号传输控制阀，PLC负责将控制信号送至各个设备。而专利公开号为2511977的实用新型“水厂水质多参数在线测量监控装置”，以单片微机作为控制核心，对***电路进行控制。

然而，PLC的数据处理能力有限，运行速度慢，限制了***性能的进一步提高。而当前的许多监控***采用单片机、ARM或者DSP作为***的核心控制单元，虽说应用广泛，技术比较成熟，但也存在着开发周期长、成本高、设计灵活性不强等弊端，且I/O资源有限，不利于升级换代。

目前我国的大型水厂凭借着雄厚的资金基础，可以引进国外的先进设备，已基本实现水处理的自动化控制。但对于中小型水厂而言，资金有限，无法承受引进国外设备的高成本和高维修费用，这就造成中小型水厂的自动化程度不高，生产效率低，维护困难的现状，因此急需新技术来降低成本，提高效率，以满足中小型水厂的需求。

水厂各设备车间相距较远，因此如何实现远程通信是另一个值得关注的问题。传统的数据传输采用各种现场总线，需要对现场走线进行施工，安装不便。由于化学药品的腐蚀，造成总线老化短路，给工作人员的检修带来了很大的不便，增加了***的维护成本。并且在偏僻地区布线困难，易被雷击，容易受到人为偷盗等因素的破坏，这都使***的成本增加，可靠性下降。

发明内容：

本发明的目的是针对上述现有污水处理监控***所存在的问题提供一种基于无线传感器网络的水处理工程监控***，实时性、智能化、灵活性强、可靠性高、性价比高的污水处理监控***，该***可以实时监控水厂各设备的工作状态，并在中控室计算机上显示出来，经软件分析处理，发送控制命令实现远程控制。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

基于无线传感器网络的水处理工程监控***，其组成包括：中心控制***，所述的中心控制***连接一组无线传感器网络节点，所述的中心控制***包括工控机，所述的工控机连接无线传感器主站，所述的无线传感器网络节点包括数据采集模块，所述的数据采集模块连接数据处理和控制模块，所述的数据处理和控制模块连接通信模块。

所述的基于无线传感器网络的水处理工程监控***，所述的数据采集模块包括以FPGA9作为控制核心，并在其中定制Nios II软核处理器，所述的FPGA9控制核心分别连接数字输入模块、数字输出模块、模拟输入模块、模拟输出模块。

有益效果：

本发明实现了对水厂各设备的实时监测和控制功能，FPGA在数据采集模块以及数据处理和控制模块中的使用增强了***的数据处理能力，降低了成本和开发周期，并大大提高了***设计的灵活性，有利于今后的扩展升级。而采用无线传感器网络进行远程数据传输，则避免采用大量总线和电气配管，减少了整个***的施工量，也减少了总线由于腐蚀、雷击、人为偷盗等因素受到破坏而导致***发生故障的可能。整个***具有自动化程度高、***安全可靠、性价比高、灵活性和扩展性强、易于维护的优点，便于在中小型水厂和偏远地区进行推广和使用。

其他记载在说明书实施例部分的优点和特点这里不再重复。

附图说明：

附图1为本发明的结构示意图。

附图2为数据采集模块的结构框图。

附图3为Nios II***的整体结构框图。

附图4为数据处理和控制模块4的结构框图。

附图5为数据采集模块的程序流程图。

具体实施方式：

实施例1：

如图1所示，本发明的监控***由无线传感器网络节点1和中心控制***2组成。所述无线传感器网络节点1作为无线传感器从站，由数据采集模块3、数据处理和控制模块4、通信模块5组成。其中数据采集模块3以FPGA作为核心处理器，有数字输入、数字输出、模拟输入、模拟输出四种子模块，可实现对数字量和模拟量的采集和输出，通过CAN总线与数据处理和控制模块4通信；数据处理和控制模块4为每个节点的主控制单元，采用内部定制Nios II软核处理器的FPGA作为控制核心，负责控制各个数据采集子板，采集水厂设备8的实时状态信息，并向无线传感器主站7发送；通信模块5通过TCP/IP与数据处理和控制模块4相连，采用无线网桥进行数据通信。中心控制***2主要由工控机6和加强型无线传感器主站7组成。工控机6根据接收到的信号，经过***软件分析处理后，发送控制命令，由无线传感器网络节点1控制设备8的启动停止，实现整个水厂的自动化控制。

实施例2：

数据采集模块的结构框图如图2所示，以FPGA9作为控制核心，并在其中定制Nios II软核处理器，控制各个数据采集子模块。在一块数据采集板上同时包括数字输入模块10、数字输出模块11、模拟输入模块12、模拟输出模块13四种数据采集子模块。其中，数字输入模块10和数字输出模块11相对比较简单，都仅由光耦14组成，光耦14的加入可以实现高压设备和低压设备的隔离，防止高压击穿损坏低压设备及相互干扰。模拟输入模块12主要用来采集代表设备状态的各种模拟量，如原水流量、PH值、温度、浊度等。为了实现利用单一的A/D转换器对多路模拟量进行采集，这里选用模拟多路开关15来解决这一问题。在经过模拟低通滤波器16的滤波后，将所得信号送入到ADC芯片17中进行AD转换，这里ADC芯片17采用采样精度为14位的LTC1418，采样速率为200ksps，输出可配置成串行或并行输出，输入电压范围为±2.048V，可满足对水厂信号的采集与转换。模拟输出模块13用来输出相应的模拟量，来对设备进行控制，如控制计量泵的频率、控制加氯机调开/调关的角度等。参考电压生成电路19用来生成DAC芯片18所需的参考电压，DAC输出电压范围为±10V。FPGA9的***电路包括用于存储程序和数据的SDRAM存储器20和FLASH存储器21，以及用于供电的电源模块22和用于下载程序的USB BLASTER电路23。

实施例3：

Nios II***的整体结构框图如图3所示，Nios II处理器24选用快速型NiosII处理器，以达到更快的速度，JTAG调试模块25用于与软件调试器之间的JTAG连接，片上存储器26可以配置成RAM或ROM，体积比较小，运行速度比较快，用于调试较小的程序。SDRAM控制器27为FPGA片外SDRAM提供一个Avalon接口，处理SDRAM的协议请求。与片外存储器相连的三态桥28提供片外存储器与FPGA之间连接的渠道，定时器29用作***时钟定时器，提供时钟中断。***采用两个SPI核30，一个用来采集AD转换后的数据，一个用来控制CAN控制器，实现CAN通信。UART31作为常用的串行通信方式，用于程序调试和数据输出，另外采用一些GPIO32作为数据端口和控制端口。最后，***中还加入了一些用户自定义逻辑33。

实施例4：

数据处理和控制模块4的结构框图如图4所示，处理器采用FPGA，内部定制Nios II处理器，外接存储设备包括SDRAM存储器20和Flash存储器21，用于存储程序和数据。此外，电源模块22用于向FPGA提供电源，无线以太网通信模块34则提供了FPGA与无线网桥的通信接口。FPGA通过CAN总线与各个数据采集模块3通信，数据处理和控制模块4与数据采集模块3均引出三条线连到CAN总线的CANH、CANL和CGND上，对于每一个连到数据处理和控制模块4上的数据采集模块3，均引出一条线作为中断返回，用以返回应答信号，申请中断。数据处理和控制模块4负责收集各个数据采集模块3的信息，作出相应处理，以减少无线通信模块的负荷。

实施例5：

数据采集模块3的程序流程图如图5所示，通过在Nios II***中移植μC/OS II操作***，使***具备实时多任务的处理能力。程序首先进行操作***初始化，然后进行CAN初始化，创建邮箱和任务，并开始多任务调度。***通过中断相应主机命令，这里主机是指数据处理和控制模块4。如果命令是数字输入，先读取采集的通道号，确定采集哪一路数字信号，然后读取相应管脚的值并发送到主机。如果命令是数字输出，先从主机获取需要输出的新数据，在这里加入了一个比较判断，比较新数据是否与当前设备的数据相同，只有不同时才更新输出引脚的值。如果命令是模拟输入，首先从主机获取通道信息，并设置可编程增益放大器的增益，然后开启AD转换，等待转换结束读取数据并发回主机。如果命令是模拟输出，先读取主机发送的数据长度，即主机要发送几个通道的数据，然后选择通道并获取数据，开始DA转换，待发送完全部通道数据后结束此次命令。如果命令不是上述四种命令的任何一种，则认为是错误命令，输出警报信息，程序结束。待确定主机发送完全部命令后，程序结束。

监控软件是安装在中控室工业控制计算机上24小时运行的核心部分，通过软件可对采集的数据进行分析处理，直观的看到总的生产流程，并产生相应的控制命令。***软件主要由工艺流程状态监测、主站巡检模块、本地配置模块、监控日志/维修日志/报表、历史数据查询等五个模块组成。

Claims (2)

1.一种基于无线传感器网络的水处理工程监控***，其组成包括：中心控制***，其特征是：所述的中心控制***连接一组无线传感器网络节点，所述的中心控制***包括工控机，所述的工控机连接无线传感器主站，所述的无线传感器网络节点包括数据采集模块，所述的数据采集模块连接数据处理和控制模块，所述的数据处理和控制模块连接通信模块。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的水处理工程监控***，其特征是：所述的数据采集模块包括以FPGA9作为控制核心，并在其中定制Nios II软核处理器，所述的FPGA9控制核心分别连接数字输入模块、数字输出模块、模拟输入模块、模拟输出模块。

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