CN109935072A - 一种分布式污染源排放过程工况监控*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式污染源排放过程工况监控***，包括监控平台、服务器、中控主站和若干个子站，所述的若干个子站各自分别连接有若干个监控仪表，用于监测各监控仪表实时数据，所述若干个子站与中控主站之间相互无线通信连接，所述中控主站与所述服务器之间通过网络连接，所述服务器与所述监控平台相互通信连接。所述中控主站包括主站控制器、第一无线通信单元、第二无线通信单元和电源单元；所述子站包括子站控制器、第二无线通信单元、模拟量采集单元、数字量通信单元、时钟单元和电源单元。本发明实现了对污水处理过程中各个设备工况、水质参数指标、统计实现准确监测和无人值守。节省企业管理成本，降低工作繁琐程度。

Description

一种分布式污染源排放过程工况监控***

技术领域

本发明属于环保设备领域，具体涉及一种分布式污染源排放过程工况监控***。

背景技术

随着水环境质量的日益恶化以及人们对水资源要求的日益提高，对水环境的监测和治理在环境保护工作中得到越来越广泛的应用。目前，水污染物在时空上的变化数据只有通过实地监测并模拟后得到，由于污染源综合管理的数据来源比较广泛，同时数据量也非常大，但对这些数据的收集、传输、存储和应用相对比较分散，尚不能将污染源管理数据全面有效地转化为可用信息资源。最重要的是部分地方和单位对环境信息化的要求认识不足，并且各自为政，因此造成了污染源数据封锁闭塞的现象，最终导致“信息孤岛”的出现。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种分布式污染源排放过程工况监控***，实现了对污水处理过程中各个设备工况、水质参数指标、统计实现准确监测和无人值守。节省企业管理成本，降低工作繁琐程度。

技术方案：本发明所述的一种分布式污染源排放过程工况监控***，包括监控平台、服务器、中控主站和若干个子站，所述的若干个子站各自分别连接有若干个监控仪表，用于监测各监控仪表实时数据，所述若干个子站与中控主站之间相互无线通信连接，所述中控主站与所述服务器之间通过网络连接，所述服务器与所述监控平台相互通信连接；

所述中控主站包括主站控制器、第一无线通信单元、第二无线通信单元和电源单元，所述主站控制器分别与所述第一无线通信单元、第二无线通信单元和电源单元连接，所述主站控制器通过第一无线通信单元与所述服务器进行相互通信，所述主站控制器通过第二无线通信单元分别与各子站进行相互通信；

所述子站包括子站控制器、第二无线通信单元、模拟量采集单元、数字量通信单元、时钟单元和电源单元，所述的子站控制器分别与所述第二无线通信单元、模拟量采集单元、数字量通信单元、时钟单元和电源单元连接，所述子站控制器通过所述模拟量采集单元对各输出模拟信号的监控仪表的数据进行采集，所述子站控制器通过所述数字量通信单元对各个数字仪表发出控制命令或接收数据，所述子站控制器通过所述第二无线通信单元与中控主站进行相互通信。

进一步的，所述主站控制器和子站控制器采用STM32F407VET6单片机。

进一步的，所述第一无线通信单元采用GPRS通信单元或以太网通信单元；所述第二无线通信单元采用LORA通信单元。

进一步的，所述GPRS通信单元包括依次连接的GPRS模块、信号处理电路、通信接口电路，所述GPRS模块通过所述信号处理电路和通信接口电路与主站控制器连接进行相互通信。

进一步的，所述GPRS模块采用USR-GPRS232-7S3模组；所述信号处理电路采用电平匹配电路，该电平匹配电路包括三极管、电阻和电容；所述接口电路采用RS232接口电路，该RS232接口电路包括SP3232EEN芯片、电容和DB9母头连接器。

进一步的，所述LORA通信单元采用基于芯片SX1278的模组单元。

进一步的，所述模拟量采集单元包括集成电路芯片CS5460A、差分放大电路、多路复用电路、光电隔离通信电路、电阻和电容。

进一步的，所述数字量通信单元包括RS232接口电路单元和RS485接口电路单元。

进一步的，各个所述子站中第二无线通信单元中的无线通信模块的工作频率相同，信道相同，相互之间编码地址不同。

进一步的，所述监控仪表包括三相交流电表、PH计、液位计、流量计、DOC计和MLSS计等仪表。

有益效果：本发明的有益效果如下：

(1)根据污水厂处理工艺，选择数据采集相对集中的地方设置监测子站，每个子站具备模拟信号采集、RS485/RS232数字通信接口、开关量输入输出接口等信号端口，其中模拟信号采集精度千分之一。对于距离较远而又相对独立的传感器或一次仪表，采用无线远传模块与对应子站通信；

(2)在中控室中搭建主站节点，主站完成与子站的数据交互、数据的收集处理及与控制平台服务器通信，将获取的数据打包发给平台服务器，最后投放到中控大屏上，由管理人员统一管理；

(3)主站与子站通信通过LORA无线方式，每个子站的LORA模块地址编码不同，主站通过下发查询指令给指定的子站，子站收到指令并解析，返回主站查询的数据；

(4)主站通过GPRS或以太网与服务器通信，每10秒发送一次数据，汇总各个节点信息到平台；

(5)平台对收到的各个子站数据进行分析处理，当发现有数据异常时会及时通过平台弹出警示窗口和短消息通知相关管理人员；

(6)子站预留多路模拟信号输入接口、开关量输入输出接口、数据接口，需要增加接入的设备时可以方便接入而不用更改子站控制程序，所有的信号来源在平台上进行配对，方便灵活；

(7)选取最有利的地理位置构建多个子站，子站个数据可以根据需要自由扩展，每个子站管理指定区域内的数据收集，避免了长距离拉通信线缆，节省了人力物力。

附图说明

图1为本发明的分布式污染源排放工况监控整体拓扑结构图；

图2为本发明的监控仪中中控主站电路结构框图；

图3为本发明的监控仪中子站电路结构框图；

图4为本发明GPRS通信单元中的GPRS模块电路原理图；

图5为本发明GPRS通信单元中的信号处理电路电路原理图；

图6为本发明GPRS通信单元中的通信接口电路电路原理图；

图7为本发明LORA通信单元中LORA模块电路原理图；

图8为本发明数字量通信单元中RS232接口电路单元电路原理图；

图9为本发明数字量通信单元中RS485接口电路单元电路原理图；

图10为本发明模拟量采集单元中的芯片CS5460A电路图；

图11为本发明模拟量采集单元中的多路复用电路图；

图12为本发明模拟量采集单元中的差分放大电路图；

图13为本发明模拟量采集单元中的光电隔离通信电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1所示的一种分布式污染源排放过程工况监控***，包括监控平台、服务器、中控主站和若干个子站，所述的若干个子站各自分别连接有若干个监控仪表，用于监测各监控仪表实时数据，所述若干个子站与中控主站之间相互无线通信连接，本实施例中优选采用LORA无线方式进行通信。所述中控主站与所述服务器之间通过网络连接，本实施例中优选采用GPRS进行无线通信，所述服务器与所述监控平台相互通信连接，监控平台优选采用具有显示屏的PC机。

其中，如图2所示，中控主站包括主站控制器、GPRS通信单元(第一无线通信单元)、LORA通信单元(第二无线通信单元)和电源单元，所述主站控制器分别与所述GPRS通信单元、LORA通信单元和电源单元连接，所述主站控制器通过GPRS通信单元与所述服务器进行相互通信，所述主站控制器通过LORA通信单元分别与各子站进行相互通信。

本实施例中，优选地，主站控制器采用STM32F407VET6单片机。STM32F407系列基于高性能ARM Corte-M4 32位RISC内核，工作频率高达168MHz。Cortex-M4core具有浮点单元(FPU)单精度，支持所有ARM单精度数据处理指令和数据类型。它还实现了一整套DSP指令和内存保护单元(MPU)，可增强应用程序的安全性。STM32F407系列采用高速嵌入式存储器(闪存高达1Mbyte，高达192KB的SRAM)，最高可达4KB备份SRAM，以及连接到两个的各种增强型I/O和外设APB总线，两条AHB总线和一个32位多AHB总线矩阵。所有器件均提供三个12位ADC，两个DAC，一个低功耗RTC，十二个通用型16位定时器，包括两个用于电机控制的PWM定时器，两个通用32位定时器。真正的随机数发生器(RNG)，它们还具有标准和高级功能通信接口。

其中，GPRS通信单元包括依次连接的GPRS模块、信号处理电路、通信接口电路，所述GPRS模块通过所述信号处理电路和通信接口电路与主站控制器连接进行相互通信。，信号处理电路即电平匹配电路，起到电平匹配、调理通信的作用，而接口电路作为GPRS模块与主站控制器之间的传输介质，下面对GPRS通信单元各电路作详细说明：

如图4所示为GPRS模块电路原理图，其中GPRS模块采用USR-GPRS232-7S3模组U5。该芯片U5的13脚和14脚通过并联连接的电容C26和C27连接有电源VCC，芯片U5的的复位19脚分别连接电阻R20的一端以及三极管Q8的脚3，电阻R20的另一端接3.3V电源，三极管Q8的脚1连接有电阻R19的一端，所述电阻R19的另一端分别连接有电阻R17的一端和复位信号端，该复位信号端与单片机的复位管脚连接，电阻R17的另一端与三极管Q8的脚2共同接地。芯片U5的脚6与电平匹配电路中的UTXD1端连接，芯片U5的脚7与电平匹配电路中的URXD1端连接。

如图5所示为信号处理电路电路原理图，该电路由四个三极管Q1，Q2，Q4和Q5以及若干电阻和电容构成。其中三极管Q1的脚3分别连接有电阻R1和电阻R5的一端，电阻R1的另一端接3.3V电源，三极管Q1的脚1连接有电阻R6的一端，电阻R6的另一端分别连接有单片机TX脚以及电阻R4的一端，电阻R4的另一端与三极管Q1的脚2接地，电阻R5的另一端分别连接有电容C8的一端以及三极管Q2的脚1，三极管Q2的脚3分别连接有电阻R2的一端、GPRS模块芯片U5的URXD1端以及电容C7的一端，电阻R2的另一端接2.8V电源，电容C7的另一端与电容C8的另一端以及三极管Q2的脚2共同接地。

三极管Q4的脚3分别连接有电阻R8和电阻R12的一端，电阻R8的另一端接2.8V电源，三极管Q4的脚1连接有电阻R13的一端，电阻R13的另一端分别连接有GPRS模块芯片U5的UTXD1端以及电阻R11的一端，电阻R11的另一端与三极管Q4的脚2接地，电阻R12的另一端分别连接有电容C20的一端以及三极管Q5的脚1，三极管Q5的脚3分别连接有电阻R10的一端、单片机RX脚端以及电容C15的一端，电阻R10的另一端接3.3V电源，电容C15的另一端与电容C20的另一端以及三极管Q5的脚2共同接地。

如图6所示为通信接口电路电路原理图，该接口电路采用RS232接口电路，采用SP3232EEN芯片U1，该芯片U1的2脚和16脚分别连接有电容C1和电容C2，1脚与3脚之间连接有电容C3，4脚与5脚之间连接有电容C4，11脚与单片机的RX脚连接，12脚与单片机的TX脚连接14脚输出脚与DB9母头连接器的2脚连接，13脚输入脚与DB9母头连接器的3脚连接，DB9母头连接器的6脚与单片机的复位脚连接，DB9母头连接器的7脚与单片机的LINKA脚连接，DB9母头连接器的8脚与单片机的LINK脚连接。

图7为本发明LORA通信单元中LORA模块电路原理图，LORA模块采用基于LORA无线模块芯片SX1278的模组单元，本实施例中采用集成的SX1278芯片模组，该SX1278芯片P7的脚1接3.3V电源并通过电容C33接地，脚2直接接地。芯片P7的脚3与跳线P8的脚2连接，芯片P7的脚4与跳线P8的脚4连接，芯片P7的脚5分别与跳线P10的脚3和脚8连接，芯片P7的脚6分别与跳线P10的脚1和脚7连接，跳线P8的脚1与单片机的PA0管脚23连接，跳线P8的脚3与单片机的PA1管脚24连接。

如图3所示，子站包括子站控制器、LORA通信单元(第二无线通信单元)、模拟量采集单元、数字量通信单元、RTC时钟单元和电源单元，所述的子站控制器分别与所述第二无线通信单元、模拟量采集单元、数字量通信单元、时钟单元和电源单元连接，所述子站控制器通过所述模拟量采集单元对各监控仪表的模拟量数据进行采集，所述子站控制器通过所述数字量通信单元接收或输出控制信号，所述子站控制器通过所述第二无线通信单元与中控主站进行相互通信。各子站种配备有多个模拟量采集单元、数字量通信单元，以便更多的接口需求。

其中，子站控制器与主轴控制器一样采用STM32F407VET6单片机，LORA通信单元与中控主站中的LORA通信单元相同，其中数字量通信单元包括RS232接口电路单元和RS485接口电路单元。

图8为数字量通信单元中RS232接口电路单元其中一个电路的原理图。RS232接口电路单元采用SP3232EEY-L/TR芯片U8，芯片U8的1脚与3脚之间连接有电容C25，4脚与5脚之间连接有电容C28。芯片U8的11脚与单片机的输出脚UART1 TX端连接，芯片U8的12脚与单片机的输入脚UART1 RX端连接；芯片U8的10脚与单片机的输出脚UART2 TX端连接，芯片U8的9脚与单片机的输入脚UART2 RX端连接。芯片U8的输出脚14与3.81mm连接器J4的3脚连接，芯片U8的输入脚13与3.81mm连接器J4的4脚连接；芯片U8的输出脚7与3.81mm连接器J5的4脚连接，芯片U8的输入脚8与3.81mm连接器J5的5脚连接。

图9为输入输出单元中RS485接口电路单元其中一个电路的原理图，本实施例中的RS485接口电路主要用于数字量数据的采集，比如说流量计、在线仪等。如图9所示，该RS485接口电路单元主要采用SN65LBC184DR 485收发器芯片U25、多个光耦和高速光耦构成。芯片U25的脚2和脚3共同连接有电阻R45和光耦U23(EL357NC)的脚3，光耦U23的脚1通过电阻R44连接电源，光耦U23的脚2与单片机的IO口连接。芯片U25的脚1通电阻R46与高速光耦U24的脚3连接，高速光耦U24的脚4并联连接有电容C65和电容C66的一端，电容C65的另一端与高速光耦U24的脚6以及高速光耦U26的脚1接电源，电容C66的另一端分别连接单片机UART4RX端以及电阻R49的一端，电阻R49的另一端与高速光耦U24的脚6连接。高速光耦U26的脚3通过电阻R53与单片机的UART4 TX端连接，高速光耦U26的脚4接地且并联连接有电容C67、C68的一端，电容C67的另一端接电源并与高速光耦U26的脚6和电阻R50的一端连接，电容C68的另一端分别与电阻R50的另一端以及高速光耦U26的脚5、芯片U25的脚4连接。芯片U25的脚8连接电源且并联连接有电容C63、C64、电阻R47的一端，电容C63、C64的另一端接地；电阻R47的另一端分别与芯片U25的脚6、短接插针S3的脚1以及二极管TVS9、二极管TVS8、热敏电阻R51的一端连接，芯片U25的脚7分别与电阻R52的一端、通过电阻R54与短接插针S3的脚2以及二极管TVS7一端、二极管TVS8另一端、热敏电阻R48一端连接，电阻R52的另一端接地；二极管TVS7和二极管TVS9的另一端连接并接地，热敏电阻R48的另一端分别连接有贴片陶瓷气体放电管GDT3一端和3.81mm连接器J8的脚3，热敏电阻R51的另一端分别连接有贴片陶瓷气体放电管GDT3一端和3.81mm连接器J8的脚1，3.81mm连接器J8的脚2和贴片陶瓷气体放电管GDT3接地端一起接地连接。

图10到图13为本发明模拟量采集单元各电路原理图，本实施例中的模拟量采集单元电路主要用于模拟量数据的采集，比如电压，电流，PH计、液位计等。模拟量采集单元包括集成电路芯片CS5460A、差分放大电路、多路复用电路、光电隔离通信电路、电阻和电容，该电路的核心是基于芯片CS5460A构成的采集电路。

如图10所示，集成电路芯片CS5460A主要采用CS5460A芯片U12，芯片U12的脚1和脚24分别连接有电容C19、C20和晶振Y1，芯片U12的脚3接电源，脚4接地，且脚3余脚4之间连接有电容C21，芯片U12的脚8到脚10并联连接有电容C22和C23的一端，电容C22和C23的另一端共同连接有芯片U12的脚11和脚12。芯片U12的脚17通过电阻R9接电源，芯片U12的脚16并联连接有电阻R54和电阻R57的一端，电阻R57的另一端接地，电阻R54的另一端接采集设备端。

如图11所示多路复用电路，包括两个CMOS模拟多路复用器芯片DG408DY，分别为U6和U8。芯片U6和U8的脚4到脚7以及脚9到脚12为输入通道，分别与各输入信号处理单元电路的输出端连接。具体的，芯片U6的脚4与IN0端的电阻R4的另一端连接，芯片U6的脚5与IN1端的电阻R10的另一端连接，芯片U6的脚6与IN2端的电阻R16的另一端连接，芯片U6的脚7与IN3端的电阻R20的另一端连接，芯片U6的脚9与IN7端的电阻R45的另一端连接，芯片U6的脚10与IN6端的电阻R37的另一端连接，芯片U6的脚11与IN5端的电阻R33的另一端连接，芯片U6的脚12与IN4端的电阻R28的另一端连接。

另外，芯片U8的脚4与IN0端的电阻R8的另一端连接，芯片U8的脚5与IN1端的电阻R14的另一端连接，芯片U8的脚6与IN2端的电阻R18的另一端连接，芯片U8的脚7与IN3端的电阻R25的另一端连接，芯片U8的脚9与IN7端的电阻R47的另一端连接，芯片U8的脚10与IN6端的电阻R40的另一端连接，芯片U8的脚11与IN5端的电阻R35的另一端连接，芯片U8的脚12与IN4端的电阻R30的另一端连接。

芯片U6的脚8(D)端输出连接电阻R42的一端，芯片U8的脚8(D)端输出连接电阻R24的端，电阻R42、电阻R24的另一端与信号处理电路相连接。

如图12所示的差分放大电路，包括了三个运算放大器芯片U7、U9和U10，运算放大器芯片型号为OP07CS。其中芯片U7的脚3分别连接有电容C30、电阻R15、电容C31的一端以及电阻R24的另一端，电容C30的另一端分别连接有电阻R42的另一端以及电阻R19、电容C32的一端和芯片U10的脚3，电阻R15、电阻R19、电容C31和电容C32的另一端接地。芯片U7的脚2分别连接有电阻R26和电阻R27的一端，电阻R26的另一端分别连接有芯片U7的脚6以及电阻R21的一端，电阻R21的另一端分别连接有芯片U9的脚2和电阻R22的一端，电阻R22的另一端接芯片U9的脚6即输出电压信号，该输出电压信号与模拟信号计算电路的输入端连接；电阻R27的另一端分别连接芯片U10的脚2和电阻R39的一端，电阻R39的另一端接芯片U10的脚6和电阻R41的一端，电阻R41的另一端分别连接芯片U9的脚3和电阻R43的一端，电阻R43的另一端接地。而芯片U7、U9和U10的脚7端接VEE电源并通过电容接地。

如图13所示的光电隔离通信电路，由四个光耦芯片U3、U4、U5和U11构成，光耦芯片的型号为EL357N。

本发明可根据污水厂处理工艺，选择数据采集相对集中的地方设置监测子站，每个子站具备模拟信号采集、RS485/RS232数字通信接口、开关量输入输出接口等信号采集端口，模拟信号采集精度达到千分之一，对于距离较远而又相对独立的传感器或一次仪表，采用无线远传模块与对应子站通信；在中控室中搭建主站节点，主站完成与子站的数据交互、数据的收集处理及与控制平台服务器通信，将获取的数据打包发给平台服务器，最后投放到中控大屏上，由管理人员统一管理；主站与子站通信通过LORA无线方式，每个子站的LORA模块地址编码不同，主站通过下发查询指令给指定的子站，子站收到指令并解析，返回主站查询的数据；主站通过GPRS或以太网与服务器通信，可构建多个子站，子站个数据可以根据需要自由扩展，每个子站管理指定区域内的数据收集，避免了长距离拉通信线缆，节省了人力物力。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种分布式污染源排放过程工况监控***，其特征在于：包括监控平台、服务器、中控主站和若干个子站，所述的若干个子站各自分别连接有若干个监控仪表，用于监测各监控仪表实时数据，所述若干个子站与中控主站之间相互无线通信连接，所述中控主站与所述服务器之间通过网络连接，所述服务器与所述监控平台相互通信连接；

所述中控主站包括主站控制器、第一无线通信单元、第二无线通信单元和电源单元，所述主站控制器分别与所述第一无线通信单元、第二无线通信单元和电源单元连接，所述主站控制器通过第一无线通信单元与所述服务器进行相互通信，所述主站控制器通过第二无线通信单元分别与各子站进行相互通信；

所述子站包括子站控制器、第二无线通信单元、模拟量采集单元、数字量通信单元、时钟单元和电源单元，所述的子站控制器分别与所述第二无线通信单元、模拟量采集单元、数字量通信单元、时钟单元和电源单元连接，所述子站控制器通过所述模拟量采集单元对各输出模拟信号的监控仪表的数据进行采集，所述子站控制器通过所述数字量通信单元对各个数字仪表发出控制命令或接收数据，所述子站控制器通过所述第二无线通信单元与中控主站进行相互通信。

2.根据权利要求1所述的一种分布式污染源排放过程工况监控***，其特征在于：所述主站控制器和子站控制器采用STM32F407VET6单片机。

3.根据权利要求1所述的一种分布式污染源排放过程工况监控***，其特征在于：所述第一无线通信单元采用GPRS通信单元或以太网通信单元；所述第二无线通信单元采用LORA通信单元。

4.根据权利要求3所述的一种分布式污染源排放过程工况监控***，其特征在于：所述GPRS通信单元包括依次连接的GPRS模块、信号处理电路、通信接口电路，所述GPRS模块通过所述信号处理电路和通信接口电路与主站控制器连接进行相互通信。

5.根据权利要求4所述的一种分布式污染源排放过程工况监控***，其特征在于：所述GPRS模块采用USR-GPRS232-7S3模组；所述信号处理电路采用电平匹配电路，该电平匹配电路包括三极管、电阻和电容；所述接口电路采用RS232接口电路，该RS232接口电路包括SP3232EEN芯片、电容和DB9母头连接器。

6.根据权利要求3所述的一种分布式污染源排放过程工况监控***，其特征在于：所述LORA通信单元采用基于芯片SX1278的模组单元。

7.根据权利要求1所述的一种分布式污染源排放过程工况监控***，其特征在于：所述模拟量采集单元包括集成电路芯片CS5460A、差分放大电路、多路复用电路、光电隔离通信电路、电阻和电容。

8.根据权利要求1所述的一种分布式污染源排放过程工况监控***，其特征在于：所述数字量通信单元包括RS232接口电路单元和RS485接口电路单元。

9.根据权利要求1所述的一种分布式污染源排放过程工况监控***，其特征在于：各个所述子站中第二无线通信单元中的无线通信模块的工作频率相同，信道相同，相互之间编码地址不同。

10.根据权利要求1所述的一种分布式污染源排放过程工况监控***，其特征在于：所述监控仪表包括三相交流电表、PH计、液位计、流量计、DOC计和MLSS计等仪表。