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污水流量計基于污水排放監(jiān)控的設計
近年來，城市污水處理產(chǎn)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(jù)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(xiàn)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(xiàn)場數(shù)據(jù)，集中傳輸?shù)轿鬯幚韽S的監(jiān)控中心，污水流量計并通過監(jiān)控中心實時控制現(xiàn)場污水排放。
1 污水集中排放監(jiān)控系統(tǒng)概述
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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的處理和傳輸，并控制底層的執(zhí)行機構和采集底層現(xiàn)場數(shù)據(jù)。它既是各個現(xiàn)場對象的數(shù)據(jù)采集器，又是這些數(shù)據(jù)處理和集中傳輸?shù)牟糠帧?/p>
底層為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制單元，能夠?qū)ι衔粰C過來的數(shù)據(jù)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?qū)χ苓叚h(huán)境中的模擬量進行數(shù)據(jù)采集，并發(fā)送給監(jiān)控終端。
2 監(jiān)控終端系統(tǒng)設計
2．1 系統(tǒng)功能要求
中南污水流量計根據(jù)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(shù)據(jù)，包括累計流量、實時流量、流速等參數(shù)。
(2)能夠根據(jù)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(wǎng)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(jīng)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。
中南 污水流量計功能系統(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
系統(tǒng)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(shù)據(jù)收發(fā)器(DTU)完成數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心的上傳和監(jiān)控命令的下傳。
2．3 系統(tǒng)SPI通信功能
ATmegal28SPI的特點如下：全雙工，3線同步數(shù)據(jù)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?？梢詮拈e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(shù)據(jù)放入相應的移位寄存器。主機在SCK引腳上產(chǎn)生時鐘脈沖以交換數(shù)據(jù)。主機的數(shù)據(jù)從主機MOSI移出。從從機的MOSI移入；從機的數(shù)據(jù)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(xiàn)與從機的同步。
3 監(jiān)控終端系統(tǒng)軟件功能實現(xiàn)
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(xiàn)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(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡問題的出現(xiàn)，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。
污水流量計系統(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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(xiàn)如下：
(1)流量計數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。
(2)無線數(shù)據(jù)通信：系統(tǒng)通過無線數(shù)據(jù)傳輸設備(DTU)將采集的流量數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，并接受監(jiān)控中心的指令。
DTU是建立在GPRS網(wǎng)絡的基礎上的，DTU使用比較簡單，是因為它本身內(nèi)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)轉換成TCP／IP數(shù)據(jù)包進行傳送，而不需要改變原有的數(shù)據(jù)通信內(nèi)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(shù)，設定遠程接入服務器的參數(shù)等通信參數(shù)，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
中南 污水流量計由于監(jiān)控終端系統(tǒng)運行在排污企業(yè)現(xiàn)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(xiàn)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zui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(shù)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(xiàn)場的干擾。
(3)zui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?，F(xiàn)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(shù)據(jù)通信中采用完善的數(shù)據(jù)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
污水流量計污水集中排放監(jiān)控系統(tǒng)的設計應用為污水企業(yè)的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(xiàn)象，系統(tǒng)穩(wěn)定運行近一年多來取得了較好的效果。