近年來，城市污水處理產業(yè)進入快速發(fā)展期。污水排放企業(yè)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(yè)根據排污量繳費。而傳統(tǒng)的污水排放量主要是由人工對排污企業(yè)的現場流量計進行抄收，但這種由于排污企業(yè)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(yè)的集中監(jiān)控系統(tǒng)。通過系統(tǒng)采集排污企業(yè)的污水排放實時流量、流速、電機狀態(tài)等現場數據，集中傳輸到污水處理廠的監(jiān)控中心，并通過監(jiān)控中心實時控制現場污水排放。

　　1 污水集中排放監(jiān)控系統(tǒng)概述

　　污水處理集中監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示：

　　集中監(jiān)控系統(tǒng)包括三層：頂層、中間層、底層。

　　頂層為監(jiān)控中心的上位機，負責系統(tǒng)的監(jiān)控任務，通過Internet接入完成和無線數據收發(fā)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(jiān)控終端，負責數據的處理和傳輸，并控制底層的執(zhí)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(zhí)行相應的動作，同時也能夠對周邊環(huán)境中的模擬量進行數據采集，并發(fā)送給監(jiān)控終端。

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　　2 監(jiān)控終端系統(tǒng)設計

　　2．1 系統(tǒng)功能要求

　　根據監(jiān)控系統(tǒng)的要求，監(jiān)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(yè)的交費情況，控制企業(yè)是否可以排放污水。

　　(3)能夠通過遠程控制系統(tǒng)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(tǒng)的運行。

　　(5)系統(tǒng)的進行必要經過授權。

　　(6)系統(tǒng)在斷電的情況下，必須能運行關閥指令，在關閥后系統(tǒng)關閉。

　　功能系統(tǒng)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(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。

　　2．2 系統(tǒng)結構框圖

　　根據上述要求。監(jiān)控終端系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

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　　2．3 系統(tǒng)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(fā)送或MSB首先發(fā)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(tǒng)包括兩個移位寄存器和一個主機時鐘發(fā)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(fā)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(jiān)控終端系統(tǒng)軟件功能實現

　　系統(tǒng)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(tǒng)在沒有鍵盤操作的情況下，通過SPI通信獲取監(jiān)控中心對水泵和閥門的控制狀態(tài)，正確地關閉或打開。

　　(2)斷電檢測：系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)報警信息到監(jiān)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(tǒng)中所介入設備的狀態(tài)。實時反映，一目了然，方便企業(yè)查看。

　　(5)本地授權操作：為防止網絡問題的出現，排水企業(yè)充值后將IC卡插入本地監(jiān)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(tǒng)，控制閥門和水泵的運行。

　　系統(tǒng)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(fā)送給主機，主機在接收到此命令后必須在300毫秒內發(fā)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(xù)發(fā)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(fā)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(yè)的一個或者多個排水點的流量數據。

　　(2)無線數據通信：系統(tǒng)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(jiān)控中心，并接受監(jiān)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(xié)議以及TCP／IP協(xié)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(tǒng)中就可以只把它當做一個串口設備來處理。

　　4 系統(tǒng)抗干擾設計

　　由于監(jiān)控終端系統(tǒng)運行在排污企業(yè)現場，很容易受到大功率電氣設備的干擾而導致系統(tǒng)運行錯誤或死機等問題。因此，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)全機外殼接地的方法，極大的降低了工業(yè)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(tǒng)對易受干擾的部件采用狀態(tài)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(tǒng)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(xié)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(jiān)控系統(tǒng)的設計應用為污水企業(yè)的高效實時管理提供了可靠的手段，一方面節(jié)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(yè)偷排污水的現象，系統(tǒng)穩(wěn)定運行近一年多來取得了較好的效果。