近年來，城市污水處理產業進入快速發展期。污水排放企業將污水集中排放到污水處理廠進行集中污水處理，排污企業根據排污量繳費。而傳統的污水排放量主要是由人工對排污企業的現場流量計進行抄收，但這種由于排污企業比較分散而顯得方法費時費力，因此，設計了一套針對污水排放企業的集中監控系統。通過系統采集排污企業的污水排放實時流量、流速、電機狀態等現場數據，集中傳輸到污水處理廠的監控中心，并通過監控中心實時控制現場污水排放。
1 污水集中排放監控系統概述
污水處理集中監控系統框圖如圖1所示：
集中監控系統包括三層：頂層、中間層、底層。
頂層為監控中心的上位機，負責系統的監控任務，通過Internet接入完成和無線數據收發器(DTU)之間的通信，在這里可以看到底層各個部分的實時情況，并可對底層的一些部分進行控制。
中間層為污水排放監控終端，負責數據的處理和傳輸，并控制底層的執行機構和采集底層現場數據。它既是各個現場對象的數據采集器，又是這些數據處理和集中傳輸的部分。
底層為現場數據采集和控制單元，能夠對上位機過來的數據進行處理，并且能使外圍的電路執行相應的動作，同時也能夠對周邊環境中的模擬量進行數據采集，并發送給監控終端。
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2 監控終端系統設計
2．1 系統功能要求
根據監控系統的要求，監控終端必須具備以下功能：
(1)能夠采集污水流量計的數據，包括累計流量、實時流量、流速等參數。
(2)能夠根據污水排放企業的交費情況，控制企業是否可以排放污水。
(3)能夠通過遠程控制系統的運行。
(4)在網絡不佳或其他特殊的情況能夠本地控制系統的運行。
(5)系統的進行必要經過授權。
(6)系統在斷電的情況下，必須能運行關閥指令，在關閥后系統關閉。
功能系統的以上要求，采用了2片ATMEGA128作為處理器，一方面解決了ATMEGA128本身UART不足的問題，同時減輕了主CPU的工作量，使系統能夠穩定運行。
2．2 系統結構框圖
根據上述要求。監控終端系統結構圖如圖2所示。
系統采用2片ATMEGA128作為處理器，通過SPI構成了主從式通信。主CPU負責人機交互、非接觸式IC卡讀卡、斷電檢測以及對水泵閥門的控制。從機負責和流量計的通信以及通過無線數據收發器(DTU)完成數據到監控中心的上傳和監控命令的下傳。
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2．3 系統SPI通信功能
ATmegal28SPI的特點如下：全雙工，3線同步數據傳輸。主機或從機操作，LsB首先發送或MSB首先發送。7種可編程的比特率，傳輸結束中斷，寫碰撞標志檢測。可以從閑置模式喚醒。作為主機時具有雙速模式(CK／2)。
SPI通信系統包括兩個移位寄存器和一個主機時鐘發生器。通過將需要的從機的ss引腳拉低。主機啟動一次通訊過程。主機和從機將需要發送的數據放入相應的移位寄存器。主機在SCK引腳上產生時鐘脈沖以交換數據。主機的數據從主機MOSI移出。從從機的MOSI移入；從機的數據從從機的MISO移出。從主機的MISO移入。主機通過將從機的SS拉高實現與從機的同步。
3 監控終端系統軟件功能實現
系統軟件分主CPU部分和從CPU部分。
主CPU部分功能主要實現如下：
(1)水泵閥門控制：上電復位后，系統在沒有鍵盤操作的情況下，通過SPI通信獲取監控中心對水泵和閥門的控制狀態，正確地關閉或打開。
(2)斷電檢測：系統周期性的檢測外部電源是否掉電，如果掉電，為防止人為斷電而偷排污水，馬上關閉閥門和水泵。為防止短時間的跳閘斷電，系統進行延時斷電。
(3)計算累計當前排水量是否超過允許排水量，如果超過，根據預先的設定可以關閉閥門和水泵，也可以發報警信息到監控中心。
(4)實時數據顯示：在不進行人機操作的時候，LCD顯示器顯示實時水量、流速等計量數據以及系統中所介入設備的狀態。實時反映，一目了然，方便企業查看。
(5)本地授權操作：為防止網絡問題的出現，排水企業充值后將IC卡插入本地監控終端，一方面完成允許排水量或者預存金額的本地存儲，另一方面，在特殊情況下可以通過IC卡授權進行系統，控制閥門和水泵的運行。
系統采用非接觸式IC卡讀寫模塊，模塊在檢測到刷卡后通過上傳卡號命令發送給主機，主機在接收到此命令后必須在300毫秒內發送讀卡命令，寫卡命令，加減值命令中的任意一個命令，如果模塊在300毫秒內沒有接收到上述命令中的其中之一命令，模塊將自動關閉卡片，并進行下一輪的卡片檢測。如果300毫秒內收到上述命令中的其中之一命令，模塊將按照接收的命令進行處理，并且只要兩條命令之間不超過300毫秒，命令可以連續發送。超出300毫秒模塊將會自動關閉卡片并進行下一輪的卡片檢測。關閉卡片后發送的對卡的讀寫操作都將失敗。
從CPU部分功能主要實現如下：
(1)流量計數據采集：通過485總線，采集排水企業的一個或者多個排水點的流量數據。
(2)無線數據通信：系統通過無線數據傳輸設備(DTU)將采集的流量數據實時傳輸到監控中心，并接受監控中心的指令。
DTU是建立在GPRS網絡的基礎上的，DTU使用比較簡單，是因為它本身內部封裝了PPP撥號協議以及TCP／IP協議棧。而且DTU在設計上大都將串口數據設計成“透明轉換”的方式，也就是說DTU可以將串口上的原始數據轉換成TCP／IP數據包進行傳送，而不需要改變原有的數據通信內容。因此，DTU可以和各種使用串口通信的用戶設備進行連接，而且不需要對用戶設備作改動。實際使用前先對DTU進行配置，設定好串行通信參數，設定遠程接入服務器的參數等通信參數，設置完成后，在系統中就可以只把它當做一個串口設備來處理。
4 系統抗干擾設計
由于監控終端系統運行在排污企業現場，很容易受到大功率電氣設備的干擾而導致系統運行錯誤或死機等問題。因此，系統設計時特別針對現場干擾采取了硬件抗干擾和軟件抗干擾措施。具體措施如下：
(1)首先，硬件設計時充分考慮電源和電路的抗干擾，在電源220 V輸入端設計了平波電抗器，電源直流輸出端采用了電子濾波技術，盡量把來自電源的干擾降到最小。
(2)其次，全面考慮系統的接地。除了遵循電路設計中的數字地、模擬地的接地原則，對LCD液晶顯示器等易受干擾的部件采用外殼接地，系統全機外殼接地的方法，極大的降低了工業現場的干擾。
(3)最后，在軟件設計中采用多種抗干擾設計技術。系統對易受干擾的部件采用狀態檢測和周期復位等方法，避免了因為外部設備錯誤等原因造成的系統不正常現象。在水泵等大功率設備開關時采用休眠、延時等方法來躲避這些已知干擾源的干擾。另外，在數據通信中采用完善的數據幀通信協議，具備CRC校驗功能，極大的降低了通信中的錯誤，提高了通信的可靠性。
5 結束語
污水集中排放監控系統的設計應用為污水企業的高效實時管理提供了可靠的手段，一方面節約了污水處理廠人力抄表成本，另一方面也極大地減少了排污企業偷排污水的現象，系統穩定運行近一年多來取得了較好的效果。
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