基于“海綿城市”智能雨水回收凈化處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅超凡，冀 杰

（1.西南大學(xué)附屬中學(xué)，重慶 400700；2.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715）

我國(guó)是一個(gè)嚴(yán)重缺水的國(guó)家，人均水資源量?jī)H為世界平均水平的1/4，嚴(yán)重缺水城市近50個(gè)[1]。近年來(lái)，由于城鎮(zhèn)化建設(shè)速度的加快，城市內(nèi)澇災(zāi)害頻繁發(fā)生[2-3]，海綿城市為有效解決我國(guó)城市內(nèi)澇與缺水并存難題提供了新途徑[4-5]。海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水和凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用[6]。雖然海綿城市有效破解了城市逢雨必澇的難題，但耗資巨大[7-8]，不利于推廣應(yīng)用。論文以重慶某坡地小區(qū)為例，基于Arduino開(kāi)源開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)“海綿城市”智能雨水凈化處理與回收系統(tǒng)，在降低雨水回收利用成本的同時(shí)，提高城市對(duì)暴雨的適應(yīng)能力，緩解城市水資源緊缺的情況。

1 智能雨水回收凈化處理系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

智能雨水回收凈化處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于Arduino mega2560開(kāi)源開(kāi)發(fā)平臺(tái)，主要由檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和GUI可視化圖形用戶操作界面組成。檢測(cè)系統(tǒng)由水位檢測(cè)模塊、雨水水質(zhì)檢測(cè)模塊和電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)模塊組成，控制系統(tǒng)由測(cè)速模塊、攪拌模塊和絮凝劑定量添加模塊組成。系統(tǒng)總體流程如圖1所示。降雨時(shí)，當(dāng)蓄集的雨水超過(guò)貯水池預(yù)定水位時(shí)，水位檢測(cè)裝置啟動(dòng)，打開(kāi)溢流閥，雨水流到溢流池，水位檢測(cè)裝置同時(shí)對(duì)溢流池水位進(jìn)行檢測(cè)。此時(shí)，水質(zhì)檢測(cè)模塊啟動(dòng)，對(duì)貯存池雨水水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)的雨水水質(zhì)參數(shù)，通過(guò)控制模塊的內(nèi)置算法計(jì)算所需絮凝劑量，絮凝劑定量添加模塊向貯水池投加絮凝劑，啟動(dòng)電機(jī)測(cè)速模塊和攪拌模塊攪拌，自動(dòng)檢測(cè)模塊在絮凝過(guò)程中自動(dòng)檢測(cè)水質(zhì)，并將水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)串口通訊反饋信息至電腦，GUI可視化圖形用戶操作界面將收到的信息動(dòng)態(tài)地顯示在顯示器上，便于有關(guān)人員監(jiān)測(cè)。當(dāng)攪拌達(dá)到設(shè)定時(shí)長(zhǎng)后，攪拌結(jié)束，電機(jī)關(guān)閉，開(kāi)始沉淀過(guò)程。在此期間，水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)繼續(xù)反饋至圖形界面，直至沉淀完成后，蜂鳴器發(fā)出提示音，綠色LED指示燈亮，屏幕顯示Process Complete，流程結(jié)束。

2 智能雨水凈化處理系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

智能雨水凈化處理系統(tǒng)基于Arduino mega2560開(kāi)發(fā)平臺(tái)，由提示系統(tǒng)、檢測(cè)電路、定量添加電路和電機(jī)控制電路組成，如圖2所示。其中，提示系統(tǒng)由LED指示燈（紅、綠）和蜂鳴器構(gòu)成，檢測(cè)電路包括水位監(jiān)測(cè)電路、污水濁度檢測(cè)電路和電機(jī)測(cè)速電路。

圖1 智能雨水回收凈化處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

圖2 智能雨水凈化處理系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 智能雨水凈化處理系統(tǒng)檢測(cè)電路

該檢測(cè)電路包括水位監(jiān)測(cè)電路、污水濁度檢測(cè)電路和電機(jī)測(cè)速電路。

2.1.1 水位監(jiān)測(cè)電路

水位監(jiān)測(cè)電路主要由AV39169微動(dòng)開(kāi)關(guān)、連桿和浮球構(gòu)成，連桿長(zhǎng)度固定，兩端分別連接浮球和開(kāi)關(guān)，如圖3所示。 當(dāng)雨水水位上升達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，浮球完全浸沒(méi)，雨水產(chǎn)生的浮力推動(dòng)連桿觸發(fā)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)閉合，向下位機(jī)發(fā)出高電平信號(hào)，如圖2（g）所示，下位機(jī)接收到信號(hào)后開(kāi)始污水處理。

圖3 水位監(jiān)測(cè)電路

圖4 濁度檢測(cè)電路

2.1.2 污水濁度檢測(cè)電路

污水濁度檢測(cè)電路由10 kΩ光敏電阻、LED（470 nm藍(lán)光）、10 kΩ下拉電阻和保護(hù)殼構(gòu)成，如圖4所示。LED發(fā)出的藍(lán)光穿過(guò)1 cm間隙后，經(jīng)污水阻隔而衰弱，導(dǎo)致光敏電阻接收光強(qiáng)度比較小，光敏電阻阻值比較大，模擬信號(hào)強(qiáng)度比較弱，如圖2（d）所示，模擬信號(hào)經(jīng)Arduino處理系統(tǒng)處理后作為濁度數(shù)據(jù)反饋回上位機(jī)。由于雨水中的不溶性顆粒物易損壞傳感器，所以，在傳感器外部設(shè)防護(hù)罩，其外表面與水流方向相反，在保護(hù)傳感器的同時(shí)防止不溶物穿過(guò)間隙，造成測(cè)量數(shù)據(jù)的波動(dòng)，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2.1.3 電機(jī)測(cè)速電路

電機(jī)測(cè)速電路由FC-33紅外型光電開(kāi)關(guān)和20柵格光碼盤(pán)構(gòu)成，如圖2（f）所示。光電開(kāi)關(guān)間隙被非透明物遮擋時(shí)信號(hào)為低電平，未被遮擋時(shí)為高電平。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光碼盤(pán)柵板交替遮擋紅外線，光電開(kāi)關(guān)反饋方波信號(hào)，Arduino通過(guò)算法分析信號(hào)得出轉(zhuǎn)速，并反饋至上位機(jī)。

2.2 定量添加電路

定量添加電路是基于絮凝劑與濁度關(guān)系（式1）確定絮凝劑的添加量，通過(guò)調(diào)用2個(gè)庫(kù)Servo.h和HX711.h，控制絮凝劑定量添加模塊，實(shí)現(xiàn)藥劑的精準(zhǔn)傾倒。定量添加電路如圖2（c）所示，它是由2個(gè)伺服電機(jī)、梁式稱重傳感器和HX711模塊構(gòu)成。HX711模塊是四通道AD和單通道DA的電壓輸出型A/D轉(zhuǎn)換模塊，8位精度，可將稱重傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以提高精度。2個(gè)伺服電機(jī)呈上下分布，上層伺服電機(jī)與絮凝劑儲(chǔ)存裝置相連，下層伺服電機(jī)與梁式稱重傳感器連接。梁式稱重傳感器末端連接托盤(pán)，定量添加時(shí)，Arduino控制上層伺服電機(jī)緩慢將絮凝劑傾倒至下層稱重托盤(pán)，由絮凝劑定量添加模塊實(shí)時(shí)讀取稱重信息。當(dāng)絮凝劑添加量達(dá)到預(yù)定值時(shí)，上層伺服電機(jī)停止傾倒并復(fù)位，下層伺服電機(jī)將稱重托盤(pán)中絮凝劑傾倒至蓄水池中，下層伺服電機(jī)復(fù)位，定量添加過(guò)程結(jié)束。

絮凝劑與濁度關(guān)系式為：

式（1）中：V為雨水體積；α為實(shí)驗(yàn)常數(shù)；S為濁度；Sc為濁度修正常數(shù)（與設(shè)備有關(guān)，本裝置為150）。

2.3 電機(jī)控制電路

電機(jī)控制電路由額外9 V電源、MOSFET晶體管和防反峰壓二極管組成，如圖2（e）所示。由于電機(jī)為感性負(fù)載，在斷開(kāi)瞬間會(huì)產(chǎn)生反峰電壓，擊穿晶體管，損壞電路，所以，在電機(jī)兩側(cè)反向并聯(lián)耐壓1 000 V二極管，以保護(hù)其他元件。

3 智能雨水凈化處理系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序即圖形用戶界面使用Processing語(yǔ)言編寫(xiě)，Processing語(yǔ)言是Java的擴(kuò)展，支持很多現(xiàn)有的Java語(yǔ)言結(jié)構(gòu)，使用方便。下位機(jī)程序即控制程序，使用C語(yǔ)言編寫(xiě)。

3.1 濁度和電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量與反饋

Arduino讀取光敏電阻的模擬信號(hào)并反饋回上位機(jī)，Serial.println()函數(shù)反饋數(shù)據(jù)完畢后會(huì)自動(dòng)加上換行符“ ”，方便上位機(jī)程序逐個(gè)接收數(shù)據(jù)而不至于相鄰兩數(shù)據(jù)重合，上位機(jī)程序可按照數(shù)據(jù)類(lèi)型將其歸類(lèi)，避免數(shù)據(jù)混亂。通過(guò)millis()函數(shù)測(cè)得1.5 s的時(shí)間間隔，用計(jì)數(shù)器記得光柵交替次數(shù)。設(shè)轉(zhuǎn)速為n（rpm），光碼盤(pán)柵格數(shù)為k（個(gè)），時(shí)間為t（s），交替次數(shù)為C（次），在該裝置中，k＝20，t＝1.5 s，帶入式（2）化簡(jiǎn)得n＝2C。程序每隔1.5 s測(cè)算一次轉(zhuǎn)速并反饋。

轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：

3.2 數(shù)據(jù)反饋

數(shù)據(jù)反饋使用串口通訊。反饋內(nèi)容為dataType:data Value 。dataType，包括 sensorVal、motorSpeed、servo1、servo2和sensorLightState，可有效避免不同數(shù)據(jù)的混淆。換行符' '可避免因兩組數(shù)據(jù)合并而導(dǎo)致數(shù)據(jù)值分類(lèi)、識(shí)別與轉(zhuǎn)化出錯(cuò)。串口通訊使用Serial.print()函數(shù)，它會(huì)在反饋數(shù)據(jù)結(jié)束時(shí)自動(dòng)在末尾添加換行符 。

3.3 數(shù)據(jù)的接收、分類(lèi)與處理

該智能雨水凈化處理系統(tǒng)采用Processing語(yǔ)言編寫(xiě)上位機(jī)程序，數(shù)據(jù)接收同樣使用串口通訊。在setup()中使用bufferUntil(' ')，以接收到換行符為條件觸發(fā)serialEvent()函數(shù)，分別接收2組以換行符分界的不同數(shù)據(jù)。在serialEvent()函數(shù)中利用split()函數(shù)，通過(guò)作為分割符號(hào)的冒號(hào)將數(shù)據(jù)前綴與數(shù)據(jù)值分離，并分別儲(chǔ)存在一個(gè)字符串類(lèi)型的維數(shù)組的2個(gè)元素中，利用switch case語(yǔ)句辨認(rèn)數(shù)據(jù)前綴并分類(lèi)處理數(shù)據(jù)值。針對(duì)motorSpeed、sensorLightState、servo1和servo2型數(shù)據(jù)，需要將字符串類(lèi)型的數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換為整型并儲(chǔ)存在相應(yīng)的變量中。對(duì)于default（即sensorVal）型數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)值字符串轉(zhuǎn)化為浮點(diǎn)數(shù)，如果上個(gè)數(shù)據(jù)與此數(shù)據(jù)的比值大于1.5，則判定數(shù)據(jù)超出誤差范圍，舍棄此數(shù)據(jù)，繼續(xù)使用上一個(gè)數(shù)據(jù)，以此減小誤差。

4 GUI可視化圖形用戶界面的設(shè)計(jì)

智能雨水凈化處理系統(tǒng)可視化圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）利用Processing語(yǔ)言將系統(tǒng)的各項(xiàng)信息（水質(zhì)和時(shí)間變化關(guān)系、舵機(jī)的轉(zhuǎn)速與狀態(tài)等）直觀地顯示在電腦屏幕上，如圖5所示。用戶圖形界面主要由濁度圖像、數(shù)據(jù)欄、伺服電機(jī)開(kāi)關(guān)狀態(tài)欄和電機(jī)轉(zhuǎn)速欄4個(gè)板塊組成。通過(guò)在setup()函數(shù)中調(diào)用bufferUntil()函數(shù)來(lái)檢測(cè)數(shù)據(jù)是否完整，再利用serialEvent()函數(shù)來(lái)接受并分析處理數(shù)據(jù)；利用split()函數(shù)將從串口傳輸?shù)牟煌?lèi)型的數(shù)據(jù)分類(lèi)顯示在GUI界面上；通過(guò)rect()函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)欄與開(kāi)關(guān)狀態(tài)欄進(jìn)行局部覆蓋，實(shí)現(xiàn)圖像的原位實(shí)時(shí)更新。為了方便檢測(cè)數(shù)據(jù)與渾濁程度的比較，在縱軸濁度的左側(cè)有比色條，為水質(zhì)判斷提供更直觀的參考。

圖5 智能雨水處理系統(tǒng)GUI可視化圖形用戶界面

5 結(jié)論與展望

系統(tǒng)以雨水綜合管理與回收利用為目的，基于Arduino開(kāi)源開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)“海綿城市”理念的重慶住宅小區(qū)智能雨水收集與凈化處理系統(tǒng)，通過(guò)智能檢測(cè)、智能控制和GUI可視化圖形用戶操作界面實(shí)現(xiàn)貯水池水量調(diào)節(jié)和水質(zhì)檢測(cè)、雨水處理和凈化回收的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。系統(tǒng)界面友好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)單、成本低、體積小，既可以小范圍安裝運(yùn)行，也可以采用聯(lián)網(wǎng)模式，實(shí)現(xiàn)雨水的大規(guī)模集中管理與調(diào)控。同時(shí)，該系統(tǒng)還可進(jìn)一步開(kāi)發(fā)為手機(jī)移動(dòng)APP終端，以方便雨水收集與凈化處理的遠(yuǎn)程管理。

［1］王熹，王湛，楊文濤，等.中國(guó)水資源現(xiàn)狀及其未來(lái)發(fā)展方向展望［J］.環(huán)境工程，2014（7）：1-5.

［2］林琳.城市化發(fā)展對(duì)城市內(nèi)澇的影響——以武漢市為例［J］.城市地理，2017（10）：262-263.

［3］吳先華，肖揚(yáng)，李廉水，等.大數(shù)據(jù)融合的城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害應(yīng)急管理述評(píng)［J］.科學(xué)通報(bào)，2017（9）：920-927.

［4］徐振強(qiáng).中國(guó)特色海綿城市的政策沿革與地方實(shí)踐［J］.上海城市管理，2015（1）：49-54.

［5］王文亮，李俊奇，王二松，等.海綿城市建設(shè)要點(diǎn)簡(jiǎn)析［J］.建設(shè)科技，2015（1）：19-21.

［6］王國(guó)榮，李正兆，張文中.海綿城市理論及其在城市規(guī)劃中的實(shí)踐構(gòu)想［J］.山西建筑，2014，40（36）：5-7.

［7］沈小紅，王銀春.城市污水泵站運(yùn)行綜合管理自動(dòng)化系統(tǒng)探討［J］.給水排水，2010（12）：121-124.

［8］車(chē)伍，唐磊.中國(guó)城市合流制改造及溢流污染控制策略研究［J］.給水排水，2012（3）：1-15.