基于物聯(lián)網(wǎng)的城市下水道及化糞池可燃?xì)怏w監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的初步設(shè)計

四川理工學(xué)院 王紅旗

1.引言

城市下水道和化糞池?fù)?dān)負(fù)著生活污水、工業(yè)廢水的接納、輸送功能，但由于其相對封閉，環(huán)境特殊，污水中的有機和無機物質(zhì)在密閉的管道中，在厭氧條件下受微生物作用，會分解產(chǎn)生多種有毒有害、易燃易爆氣體。如若管理不善，容易造成氣體蓄積，當(dāng)達(dá)到一定濃度后，若泄漏會造成人員中毒，如遇明火則極易產(chǎn)生爆炸，造成傷亡事故，對人民群眾的人身和財產(chǎn)安全造成危害。近年來，由于下水道、化糞池內(nèi)可燃?xì)怏w濃度過高，市政排污管道可燃?xì)怏w爆炸事故成了國內(nèi)多發(fā)的事件。由于歷史的原因，我國城市下水道管網(wǎng)設(shè)置不夠合理，處理設(shè)施維護(hù)管理不規(guī)范；其次，城市化進(jìn)程過快，城市人口密度大，管網(wǎng)設(shè)施使用負(fù)荷較高；同時，還與公民的環(huán)境教育、環(huán)境意識、環(huán)境道德，以及政府的環(huán)境立法、執(zhí)法有關(guān)。顯然，除了積極開展正面的環(huán)境意識教育，完善設(shè)施維護(hù)以外，更重要的是建立一套可燃有害氣體監(jiān)測預(yù)警機制，做到防患于未然。

為了達(dá)到安全性預(yù)報的目的，傳統(tǒng)的環(huán)境污染源應(yīng)急監(jiān)測主要基于單臺儀器的間斷方法，甚至是人工取樣、實驗室分析的非在線式監(jiān)測。此方法存在三個方面的明顯不足：一是具有間斷性；二是無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、在線測量和遠(yuǎn)程監(jiān)控；三是需要花費大量的人力、物力、財力。

下水道、化糞池氣體的自動監(jiān)測技術(shù)是一種最小人工干預(yù)的安全預(yù)警的實時在線連續(xù)監(jiān)測并預(yù)警的自動化系統(tǒng)，它能夠通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程中心，自動地監(jiān)控下水管道設(shè)施內(nèi)可燃?xì)怏w狀態(tài)，實現(xiàn)在線、動態(tài)、實時的監(jiān)測與控制。所以，開展城市市政下水道、化糞池的長期、遠(yuǎn)程在線監(jiān)控研究意義重大。

2.系統(tǒng)設(shè)計方案

本系統(tǒng)的研究目標(biāo)是設(shè)計一種可燃?xì)怏w的智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，即用于市政下水道和化糞池中可燃沼氣濃度和相關(guān)信息的實時采集和遠(yuǎn)程監(jiān)測，對市政污水管網(wǎng)設(shè)施的安全運行實現(xiàn)監(jiān)控和預(yù)警，確保污水管網(wǎng)設(shè)施的穩(wěn)定和安全運行。

本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)平臺，利用高靈敏度、性能穩(wěn)定的紅外氣體傳感器和無線傳感網(wǎng)絡(luò)，傳輸數(shù)據(jù)實時、穩(wěn)定、可靠；系統(tǒng)監(jiān)控中心能及時發(fā)現(xiàn)可燃?xì)怏w的異常信息，并發(fā)出警報。系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)組成：氣體濃度檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控中心系統(tǒng)。氣體傳感器實現(xiàn)監(jiān)測目標(biāo)氣體濃度的檢測，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)完成監(jiān)控中心與濃度檢測系統(tǒng)之間的無線數(shù)據(jù)通信傳輸；監(jiān)控中心系統(tǒng)通過合理的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)可燃?xì)怏w濃度的實時監(jiān)測和安全監(jiān)控預(yù)警功能。

為了實現(xiàn)對城市市政下水道和化糞池可燃?xì)鉂舛鹊念A(yù)警監(jiān)控，滿足監(jiān)測的自動化、網(wǎng)絡(luò)化和實時性要求，在進(jìn)行廣泛調(diào)研現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)狀后，本設(shè)計提出了以下的預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計思路和設(shè)計方案。采用模塊化的思想，將系統(tǒng)設(shè)計為三個子系統(tǒng)：氣體監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控中心子系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)主要包括：現(xiàn)場儀器：用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，包括氣體濃度傳感器和數(shù)據(jù)采集儀器；傳輸網(wǎng)絡(luò)：用于進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；監(jiān)控中心：對系統(tǒng)進(jìn)行控制、對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。監(jiān)控中心通過傳輸網(wǎng)絡(luò)與污染監(jiān)測點的監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)交換、實況監(jiān)測、指令應(yīng)答和決策調(diào)度，從而實現(xiàn)對監(jiān)控目標(biāo)的遠(yuǎn)程、實時監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3.系統(tǒng)的主要技術(shù)路線

3.1 可燃?xì)怏w檢測

非分散紅外（NDIR：Non Dispersive Infrared）氣體分析儀作為一種快速、準(zhǔn)確的氣體分析技術(shù)，特別連續(xù)污染物監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）以及機動車尾氣檢測應(yīng)用中十分普遍。隨著紅外光源、傳感器及電子技術(shù)的發(fā)展，NDIR氣體傳感器在國內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展。主要表現(xiàn)在采用新型紅外傳感器及電調(diào)制光源，在儀器電路上采用了低功耗嵌入式系統(tǒng)，使得儀器在體積、功耗、性能、價格上具有以往儀器無法比擬的優(yōu)勢。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)即EPC（ElectronicProduct-Code產(chǎn)品電子代碼）系統(tǒng)是在計算機互聯(lián)網(wǎng)和射頻技術(shù)RFID的基礎(chǔ)上，利用全球統(tǒng)一標(biāo)識系統(tǒng)編碼技術(shù)給每一個實體對象一個唯一的代碼，構(gòu)造了一個實現(xiàn)全球物品信息實時共享的實物互聯(lián)網(wǎng)“Internet of things”。EPC系統(tǒng)是一個非常先進(jìn)的、綜合性的和復(fù)雜的系統(tǒng)，其最終目標(biāo)是為每一實體對象建立全球的、開放的標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn)，主要由6個方面組成：EPC編碼標(biāo)準(zhǔn)、RFID標(biāo)簽（Tag）、閱讀器（Reader）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Savant）系統(tǒng)、對象名解析服務(wù)（ONS）、實體標(biāo)記語言（PML）。

3.3 射頻識別技術(shù)

射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）是一種高級的自動識別技術(shù)，利用它通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸式的全雙工數(shù)據(jù)通信，以對實物目標(biāo)加以識別；閱讀器（Reader）可控制射頻模塊向電子標(biāo)簽發(fā)射讀取信號，并接收標(biāo)簽的應(yīng)答信號，同時可對電子標(biāo)簽的對象標(biāo)識信息進(jìn)行解碼，從而將對象標(biāo)識信息連帶電子標(biāo)簽上的其它相關(guān)信息傳輸?shù)絊avant系統(tǒng)以供處理；Savant是一種軟件技術(shù)，在EPC網(wǎng)絡(luò)中扮演中樞神經(jīng)的角色并負(fù)責(zé)信息的管理和流動，減少從閱讀器傳往企業(yè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)量，確保現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)不超負(fù)荷運作；對象名解析服務(wù)（ONS）是聯(lián)系前臺Savant軟件和后臺PML服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)樞紐，把Savant引入儲存該產(chǎn)品信息的企業(yè)數(shù)據(jù)庫；實體標(biāo)記語言（PML）是EPC網(wǎng)絡(luò)中的通用語言，用來定義物理對象的數(shù)據(jù)。

圖1 監(jiān)控子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.4 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件以Windows為工作平臺，采用先進(jìn)的軟件開發(fā)環(huán)境和軟件開發(fā)工具，充分利用可視化及事件驅(qū)動特點，采用對象化結(jié)構(gòu)，具有用戶界面友好、函數(shù)資源豐富、開發(fā)工作量較小的優(yōu)點，易于實現(xiàn)模塊化，觀測結(jié)果存放采用后臺Access數(shù)據(jù)庫，并具有觀測點數(shù)據(jù)統(tǒng)計、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，使大量人工勞作由計算機快速而準(zhǔn)確地完成。從軟件功能上，系統(tǒng)由組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件、監(jiān)控軟件構(gòu)成。組態(tài)軟件負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)庫組態(tài)，主要組態(tài)內(nèi)容包括監(jiān)控節(jié)點組態(tài)、報警上、下限組態(tài)、報警動作組態(tài)等。數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，監(jiān)控節(jié)點狀態(tài)檢測，報警檢測，報警信息的發(fā)送以及短息查詢處理等。而監(jiān)控軟件負(fù)責(zé)現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點實時數(shù)據(jù)的顯示，監(jiān)控中心報警處理，歷史趨勢處理，報表處理等。

4.主要技術(shù)關(guān)鍵及技術(shù)指標(biāo)

4.1 主要技術(shù)關(guān)鍵

1）采用感應(yīng)器對下水道及化糞池中可燃?xì)怏w進(jìn)行監(jiān)控并預(yù)警；2）建立可燃?xì)怏w模型，采用智能控制技術(shù)對監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行實時控制；3）使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；4）系統(tǒng)接口還保留許多擴充部分，如增加其他傳感器，只需再經(jīng)過進(jìn)一步軟件擴充與完善，就能實現(xiàn)其他更多氣體的監(jiān)測；5）無線傳輸可執(zhí)行一對多的方式（即一個監(jiān)控中心，接收多個監(jiān)測點發(fā)出的不同數(shù)據(jù)）。

4.2 主要技術(shù)指標(biāo)

工作溫度：-4O°C～+7O°C（可燃?xì)猓还ぷ鳚穸龋海?5%RH（非冷凝）；檢測誤差：＜5%F.S；防護(hù)等級：IP66；輸出信號：4～2OmA模擬信號；工作電源：1O～3OV DC。

5.結(jié)語

該自動監(jiān)控系統(tǒng)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運用于市政排水管道可燃?xì)怏w監(jiān)測，并從基于物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計，基于先進(jìn)的氣體傳感器檢測技術(shù)和數(shù)據(jù)獲取，基于尋找一種具備統(tǒng)一性、開放性的環(huán)境監(jiān)測體系結(jié)構(gòu)和成本相對較低的網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)來組成這種環(huán)境監(jiān)測的體系，基于設(shè)定一套統(tǒng)一的預(yù)警監(jiān)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)大范圍環(huán)境自動監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)協(xié)同等幾個方面開展工作，通過實際建設(shè)將研究成果直接應(yīng)用于城市下水管道和化糞池設(shè)施的實踐過程中，有較高創(chuàng)新性研究成果和實用價值。

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