基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)村污水智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張侃侃，雷夢(mèng)佳，孔維正，楊宗明，易雄輝，龍 藝

（中國電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，長沙 410007）

隨著新農(nóng)村建設(shè)政策的不斷推進(jìn)，全國各地鄉(xiāng)村取得了巨大的發(fā)展，農(nóng)民生活水平不斷得到改善。在農(nóng)村快速發(fā)展的同時(shí)，環(huán)保設(shè)施建設(shè)卻不能跟上經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度，農(nóng)村污水問題日益凸顯。如今，大部分農(nóng)村污水被任意排放，只有少數(shù)污水處理站點(diǎn)，卻也存在污水處理效率低、管控不夠及時(shí)、控制過程不夠規(guī)范等問題[1]。當(dāng)前，污水處理監(jiān)控系統(tǒng)難以在農(nóng)村推廣應(yīng)用，主要有以下幾個(gè)原因。

（1）各自為營，難以統(tǒng)一管控。現(xiàn)行的農(nóng)村污水處理監(jiān)控系統(tǒng)中，各廠家擁有自己的農(nóng)污設(shè)備控制終端、終端管控平臺(tái)及控制終端與管控平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的通信規(guī)約。因缺乏統(tǒng)一的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸規(guī)約，各廠家各自為營，難以形成統(tǒng)一的農(nóng)污管控系統(tǒng)，農(nóng)污管控系統(tǒng)難以大范圍推廣。

（2）故障率與維護(hù)成本高。與城市污水處理站不同，農(nóng)村往往地處偏遠(yuǎn)，自然氣候、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較為復(fù)雜[2]。當(dāng)農(nóng)污管控系統(tǒng)出現(xiàn)控制終端上線率低、農(nóng)污設(shè)備過流損壞等問題時(shí)，運(yùn)維人員需要跋山涉水前去維護(hù)，維護(hù)的人力以及時(shí)間成本較高。

（3）農(nóng)污控制終端智能化程度低。通常在運(yùn)行的農(nóng)污管控系統(tǒng)中，其農(nóng)污設(shè)備控制終端往往只能實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)污設(shè)備的簡單啟停操作，智能化程度較低。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，既不能自動(dòng)采取保護(hù)措施，也不能對(duì)故障類型進(jìn)行簡單分類。支持通信信道單一，不能根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)狀況擇優(yōu)選擇，以便數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳。

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)賦能于農(nóng)村污水處理，建立一套統(tǒng)一完備的農(nóng)村污水智能監(jiān)控系統(tǒng)，將有效解決當(dāng)前農(nóng)村污水處理的相關(guān)問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)分為采集層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。采集層通過各類傳感器實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)要素的數(shù)據(jù)收集；網(wǎng)絡(luò)層通過各類有線或無線的數(shù)據(jù)傳輸模塊將采集數(shù)據(jù)向應(yīng)用層傳輸；應(yīng)用層通過軟件、平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，同時(shí)也可以向下進(jìn)行指令下發(fā)。

基于物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)，結(jié)合農(nóng)村污水處理監(jiān)控技術(shù)[3]，建立農(nóng)村污水處理監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 農(nóng)污設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.1 感知層

感知層主要由農(nóng)污設(shè)備控制終端對(duì)污水、農(nóng)污設(shè)備、控制終端自身進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)響應(yīng)管控平臺(tái)的設(shè)備控制指令。污水監(jiān)測(cè)包括水位與水質(zhì)數(shù)據(jù)，通過監(jiān)測(cè)污水實(shí)時(shí)排放量與處理是否達(dá)標(biāo)情況，以判斷是否需要開啟污水處理設(shè)備。農(nóng)污設(shè)備監(jiān)測(cè)主要包括各類污水處理設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與實(shí)時(shí)的工作電流大小，如工作電流過大或過小相應(yīng)故障的上報(bào)?？刂平K端的狀態(tài)監(jiān)測(cè)包括控制終端的工作電壓及當(dāng)?shù)氐木W(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度，溫濕度數(shù)據(jù)。當(dāng)管控平臺(tái)下發(fā)參數(shù)查詢與設(shè)置、設(shè)備控制啟停操作、遠(yuǎn)程固件升級(jí)等命令時(shí)，控制終端也能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)。

感知層所有數(shù)據(jù)按照農(nóng)污設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸規(guī)約編碼向上傳輸。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

為解決當(dāng)前農(nóng)村污水處理終端上線率低的問題，控制終端在網(wǎng)絡(luò)層支持多網(wǎng)絡(luò)模式，包括GPRS/NBIoT/4G/5G等?？刂平K端根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，智能切換至信號(hào)更好的網(wǎng)絡(luò)。

1.3 應(yīng)用層

平臺(tái)應(yīng)用層是將網(wǎng)絡(luò)層上傳的數(shù)據(jù)按照農(nóng)污設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸規(guī)約解碼獲得解碼數(shù)據(jù)，再通過各種方式，最大程度發(fā)揮其功能。

管控平臺(tái)除了將控制終端上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)實(shí)時(shí)展示外，還能夠?qū)⒖刂平K端歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)圖表展示，并預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)要素的未來走勢(shì)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，平臺(tái)派發(fā)故障處理任務(wù)，實(shí)時(shí)跟進(jìn)故障處理進(jìn)度，提高故障處理速度。當(dāng)需要調(diào)整控制終端數(shù)據(jù)采集與設(shè)備控制策略時(shí)，平臺(tái)可通過下發(fā)參數(shù)設(shè)置或者遠(yuǎn)程固件升級(jí)命令，省去工作人員“上山下鄉(xiāng)”的麻煩，提高工作效率。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

將本系統(tǒng)應(yīng)用在實(shí)際項(xiàng)目中，以統(tǒng)一完備的農(nóng)污設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸規(guī)約為紐帶，建立一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)村污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)包括農(nóng)污處理罐、水位、電壓、電流等傳感網(wǎng)絡(luò)、氣泵、電池閥等農(nóng)污設(shè)備、農(nóng)污設(shè)備控制終端以及農(nóng)污管控平臺(tái)等，如圖2所示。農(nóng)污設(shè)備控制終端采集傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并控制農(nóng)污設(shè)備，采集的數(shù)據(jù)按照農(nóng)污設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸規(guī)約編碼組報(bào)，通過2G/4G/NB-IoT等網(wǎng)絡(luò)向農(nóng)污管控平臺(tái)傳輸。

圖2 農(nóng)污設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 農(nóng)污設(shè)備控制終端

農(nóng)污設(shè)備控制終端向下采集傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、控制農(nóng)污設(shè)備，向上組報(bào)發(fā)送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。根據(jù)當(dāng)前農(nóng)污管控系統(tǒng)中控制終端上線率低、智能化程度低、農(nóng)污設(shè)備故障率高等問題，進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。

為適應(yīng)農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不穩(wěn)定的特點(diǎn)，農(nóng)污設(shè)備控制終端采用支持多網(wǎng)絡(luò)模式設(shè)計(jì)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況，智能切換NB-IoT/GPRS網(wǎng)絡(luò)，提高其上線率。

為解決農(nóng)污設(shè)備故障率高的問題，在農(nóng)污設(shè)備運(yùn)行過程中發(fā)生電流超上限或者超下限故障時(shí)，農(nóng)污設(shè)備控制終端啟動(dòng)三段式啟?？刂撇呗?，如圖3所示。即第一次出現(xiàn)故障，關(guān)閉設(shè)備5 min，重新開啟；若電流仍異常，關(guān)閉設(shè)備30 min，重新開啟；電流仍異常關(guān)閉2 h，重新開啟；電流仍異常，則不再開啟，等待運(yùn)維人員進(jìn)行維修處理。這樣既能避免農(nóng)污設(shè)備因長期故障運(yùn)行而徹底損壞，也能避免因污水處理設(shè)備偶然出現(xiàn)電流異常，誤報(bào)故障的情況。

圖3 農(nóng)污設(shè)備控制終端圖

當(dāng)農(nóng)戶家停電導(dǎo)致農(nóng)污設(shè)備及其控制終端無法工作時(shí)，控制終端通過超級(jí)電容作為應(yīng)急電源繼續(xù)工作，安全關(guān)閉所有農(nóng)污設(shè)備，并報(bào)送掉電事件至管控平臺(tái)，以便運(yùn)維人員立即采取應(yīng)對(duì)措施。相比于蓄電池，該處理方式更節(jié)省成本，且無內(nèi)置電池起火風(fēng)險(xiǎn)。

為解決農(nóng)污設(shè)備控制終端智能化程度低的問題，當(dāng)農(nóng)污設(shè)備或農(nóng)污設(shè)備控制終端發(fā)送故障時(shí)，控制終端智能判斷故障類型，自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)應(yīng)急處理并上報(bào)此故障至管控平臺(tái)。維護(hù)人員可以根據(jù)故障類型判斷故障是否緊急以及需要采取何種措施，有效提高運(yùn)維效率。

2.3 農(nóng)污管控平臺(tái)

農(nóng)污設(shè)備智控終端的數(shù)據(jù)，按照《農(nóng)污設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》編碼組報(bào)上傳至農(nóng)污管控平臺(tái)，平臺(tái)根據(jù)《農(nóng)污設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》進(jìn)行解碼。農(nóng)污管控平臺(tái)除了接收、處理、展示監(jiān)測(cè)要素的數(shù)據(jù)外，同時(shí)錄入了農(nóng)戶、運(yùn)維人員信息，能夠?qū)r(nóng)污設(shè)備及其控制終端進(jìn)行故障跟蹤處理，同時(shí)可對(duì)控制終端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、參數(shù)設(shè)置、固件升級(jí)等操作。

2.3.1 統(tǒng)一的設(shè)備管控

平臺(tái)對(duì)所有農(nóng)污設(shè)備控制終端的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一展示[4]。包括控制終端的在線情況、農(nóng)污設(shè)備及其控制終端故障數(shù)量、已處理與待處理運(yùn)維工單數(shù)量等，有利于管理人員對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行整體把控，如圖4所示。

圖4 管控平臺(tái)數(shù)據(jù)展示

定位單個(gè)控制終端，平臺(tái)提供對(duì)應(yīng)站點(diǎn)位置、建設(shè)時(shí)間及對(duì)應(yīng)農(nóng)戶與運(yùn)維人員等信息。按需選擇相應(yīng)農(nóng)污設(shè)備控制終端進(jìn)行遠(yuǎn)程管控，包括對(duì)其參數(shù)的查詢與設(shè)置、農(nóng)污設(shè)備的啟停控制。將農(nóng)污設(shè)備控制終端監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)（農(nóng)污設(shè)備工作電流、控制終端信號(hào)強(qiáng)度、工作電壓、污水水位）以圖表的方式展示，能清晰地了解到農(nóng)污設(shè)備的運(yùn)行狀況并預(yù)測(cè)未來走勢(shì)，輔助管理人員采取應(yīng)對(duì)措施。

2.3.2 故障追蹤處理

當(dāng)農(nóng)污設(shè)備或其控制終端發(fā)生故障，控制終端發(fā)送故障報(bào)將此故障報(bào)至農(nóng)污管控平臺(tái)。農(nóng)污管控平臺(tái)根據(jù)故障時(shí)間、故障類型、故障數(shù)據(jù)判斷是否加急處理，根據(jù)測(cè)站對(duì)應(yīng)農(nóng)戶信息向運(yùn)維人員派發(fā)故障處理工單。運(yùn)維人員收到的工單包括故障設(shè)備位置、型號(hào)、故障類型、故障數(shù)據(jù)及農(nóng)戶資料等信息，按需采取措施。平臺(tái)實(shí)時(shí)跟進(jìn)故障處理進(jìn)度，有利于運(yùn)維工作，提高工作效率。

2.3.3 遠(yuǎn)程固件升級(jí)

不同階段農(nóng)污設(shè)備采取的管控方式不盡相同，但要進(jìn)行相應(yīng)的固件升級(jí)。以往固件升級(jí)需要運(yùn)維人員到達(dá)站點(diǎn)進(jìn)行升級(jí)，其時(shí)間和成本巨大。該農(nóng)污管控平臺(tái)支持遠(yuǎn)程固件功能，管理人員按照《農(nóng)污設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》制作好升級(jí)包上傳至管控平臺(tái)即可進(jìn)行升級(jí)操作。管控平臺(tái)將升級(jí)包分包發(fā)送至農(nóng)污設(shè)備控制終端，控制終端接收完畢后自動(dòng)進(jìn)行程序更新。

3 結(jié)束語

目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在物流、交通、電力、家居、環(huán)境監(jiān)測(cè)等諸多行業(yè)得到應(yīng)用[5]。本文論述了如何將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用至農(nóng)村污水處理中，從當(dāng)前農(nóng)污管控領(lǐng)域存在的問題出發(fā)，對(duì)感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過實(shí)際應(yīng)用案例，編制了一套統(tǒng)一完備的農(nóng)污設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸規(guī)約。其有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)污設(shè)備管控系統(tǒng)的推廣普及與農(nóng)污設(shè)備的統(tǒng)一有效管理。對(duì)農(nóng)污設(shè)備控制終端、農(nóng)污管控平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了上線率低、故障率高、智能化程度低等問題，提高了控制終端與平臺(tái)交互的整體性能。農(nóng)污管控平臺(tái)結(jié)合監(jiān)測(cè)要素?cái)?shù)據(jù)、農(nóng)戶信息及運(yùn)維人員信息，進(jìn)行深度的數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，開發(fā)統(tǒng)一的設(shè)備管控、故障追蹤處理及遠(yuǎn)程固件升級(jí)等功能，極大提高了運(yùn)維管理人員工作的便利與效率?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)農(nóng)村污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，能夠在農(nóng)村污水處理領(lǐng)域大范圍推廣和長期使用。

除了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之外，大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)及5G技術(shù)也在蓬勃發(fā)展，同樣能夠應(yīng)用至農(nóng)村污水處理中來。比如，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)深度挖掘農(nóng)污數(shù)據(jù)，其背后的農(nóng)戶用水情況可以指導(dǎo)農(nóng)村水資源的調(diào)配；通過人工智能技術(shù)學(xué)習(xí)農(nóng)污處理過程，能夠更快地加速農(nóng)污處理的智能化進(jìn)程。隨著高新技術(shù)的融入和應(yīng)用，農(nóng)村污水處理將朝著便捷化、智能化方向發(fā)展。