基于物联网的污水实时监控与处理系统设计

【作者简介】 李豪 (1998—), 男 , 河南周口人 , 本科生 , 研究方向 :
物联网技术； 许睿 (1987—), 通讯作者，男 , 河南新乡人 , 硕士 , 讲师 ,
研究方向 : 物联网技术。
（收稿日期：2021-02-08 修回日期：2021-03-20）
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4 上位机管理系统设计
在 Visual Studio 2019 平台下开发污水实时监控与自 动处理系统的上位机，效果图如图 5 所示。该系统具有界面 清晰、操作简单、功能全面等特点。通过该系统，用户可以 实时地获取设备的连接状态、传感器的工作情况、污水的污 染物指标等。其工作原理是通过 ZigBee 无线通信模块，将下 位机收集到的 pH、浑浊度、电导率、含氧量的数据传递给上 位机，同时保持对系统工作电压、自动投料功能的工作状态 的实时监控。此外上位机还具有控制自动投料装置的启停功 能。
5 结论
针对校园生活污水的特点，设计了一款基于物联网的污 水实时监控与自动处理系统，利用传感器、单片机、ZigBee 等技术，实现对污水处理过程中设备状态和污水水质不间断、 自动化监测，上位机管理系统操作简单，具有实时监控、远 程控制等功能。该系统提升了生活污水监控与处理的效率， 为城市污水处理的自动化提供了新的思路。
样本 纯净水 自来水 7:30 样本 12:30 样本 16:30 样本 23:30 样本
表 1 样本溶液测试数据
含氧量
浊度值
pH
(mg/L)
(NTU)
6.9
1.1
0.000
7.1
2.0
0.005
8.3
4.5
0.101
8.1
4.9
0.089
7.7
5.1
0.071
7.4
5.2
0.073
电导率 (S/cm) 3.7×10-8 4.0×10-8 1.87×10-3 1.65×10-3 1.51×10-3 1.55×10-3
污水的浊度是判断水质的另一个重要标准，选取 TSW30 作为浊度传感器，其工作电压为 5 V，工作最大电流为 400 mA，该传感器在被测溶液中测量得到的电压和电流信号 通过单片机的数 / 模转换获取对应污浊度，再与设置的达标 值进行对比，以输出电压值的高低变化情况来判断溶液的浊 度是否达标 [4]。
图 4 自动投料模块示意图
3 系统测试与结果分析 在校园中任意选择某个宿舍楼的排污管作为采样点，分
别对 7:30、12:30、16:30、23:30 四个时刻的污水进行采样， 同时选取纯净水、自来水作为对照组。实验结果如表 1 所示。
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计算机应用 信息技术与信息化
在表 1 中，纯净水在生产过程中，采用反渗透膜等技术进行 净化，去除了水中的无机盐、有机物和部分矿物质，水质呈 弱酸性，同时含氧量比较低，浊度为 0，由于其中颗粒物很少， 其电导率也较低；生活中自来水含有一定量的矿物质和微量 元素等，水质成弱碱性，由于水源会接触到空气，其含氧量 要高于纯净水，其浊度和电导率也略高于纯净水。
2.2 无线通信模块 无线通信模块选取 CC2530 作为主芯片，实现基于 Zig-
Bee 的双向无线互联通信，采用 2.4 G 高频传输，传输距离最 远可达到 300 m，具有抗干扰和强穿透等特性，是一种近距离、 低功耗、低成本的无线通讯方式，可以在近距离、低传输速 率的电子设备间进行数据传输工作，满足本文的设计要求 [7]。 CC2530 主芯片如图 3 所示。ZigBee 模块主要的功能是将串 口收到的数据，通过 ZigBee 协议发送到对应的模块，对应 的模块收到无线数据后，通过串口输出数据。该模块周期性 地将传感器采集的数据、工作电压、连接情况等数据发送给 PC 机，从而上位机软件对各项重要参数指标进行实时监控， 分析并预测结果，判断污水是否达标并及时发出预警，再由 PC 机通过 ZigBee 无线传感网络下达指令给单片机对各个模 块进行自动控制。
2 硬件设计
2.1 数据采集模块 本文采用宏晶科技的 AT89C51 处理器与 CC2530 片上系
统为主控平台，同时采用 AD18B20 芯片作为数模转换电路， 在主控芯片的外围电路连接 pH、浊度、含氧量、电导率等四 个传感器完成数据采集工作。AT89C51 主控芯片如图 2 所示。
电源模块
12864COG液晶 显示屏
电导率传感器的型号为 WAX-DDL，电导池常数为 1.0， 支持测量范围在 0 ～ 20 s/cm，温度范围为 [0 ℃ ,40 ℃ ]， 采 用 四 电 极 系 统， 电 极 常 数 为 1 cm， 测 量 压 力 范 围 是 [0 kPa,100 kPa]。其工作原理是利用主要利用液体传导电流 的能力来测量溶液的电导率，通过对传感器中平行极板的一 端施加适量的电势，分析极板间的电流变化情况而测量出其 中溶液中离子浓度 [6]。
蜂鸣器报警模 块
AT89C51 单片机
PH传感器 浊度传感器 含氧量传感器 电导率传感器
自动投料模块
图 1 系统总体设计架构
1. 河南科技学院 河南新乡 453000 [ 基金项目 ] 国家级大学生创业训练计划项目 (2020104670X)； 河南科技学院大学生创业训练计划项目 (2020CY03X)
pH 传感器、浊度传感器、电导率传感器以及含氧量传感 器将采集到的信息通过检测电路转换成电压，输入到单片机 的 ADC 引脚，通过 A/D 转换电路处理与转换，从而获取检测 数据。
图 3 CC2530 主芯片
2.3 自动投料模块 自动投料模块工作流程：首先，通过浊度传感器检测到
待排污水的浊度，若污水浊度大于 5（NTU）, 先在蓄水池进 行初步沉淀，时长 5 min，若污水浊度小于 5（NTU），则无 需沉淀处理 [8]。然后，由 pH 传感器检测污水的 pH，若检测 到污水中 pH 出现碱性（酸性）超标时，自动打开单片机连 接碱性（酸性）中和药品池电磁开关，则所连接的 I/O 口设 为高电平，从而实现精准投放药品并中和污水碱性（酸性）。 经过上述步骤后，将首次处理后的污水再次通过该装置并进 行二次检测，若检测达标，则安全排放，否则，将进行再次 处理。自动投料模块示意图如图 4 所示。
图 5 上位机管理系统
四个污水样本均来自同一个采集点，污水主要来自学生 的生活废水，其污染物的组成具有一定的相似性，但是由于 取样的时间有所区别，从表 1 中可以比较明显地发现不同时 刻污水中污染物的含量有较明显的变化。前两个时刻的样本 中 pH、浊度值、电导率均较高，以至于含氧量较低，反映出 该时刻污水中污染物含量更高一些，这与在校学生集中用水 且排放较多生活污水有关；后两个时刻学生多处于上课和休 息状态，因此学生生活污水排放较少，污染物含量相对较低。
doi：10.3969/j.ห้องสมุดไป่ตู้ssn.1672-9528.2021.06.023
0 引言
近年来，政府工作报告多次提及树立水资源保护意识、 加大水资源保护力度、着力解决水资源短缺的突出问题，身 体力行地实践“绿水青山就是金山银山”的理念。目前，城 市生活污水排放是城市水污染的主要来源之一，生活污水的 有效处理对于城市水资源保护以及城市节水等工作都具有重 大的意义。校园环境是城市环境的缩小版本，校园水污染物 和城市水污染物具有相似的特点，因此本文着眼于校园污水 这一课题，设计一种小型污水实时监控与处理系统，对于污 水的 pH、浊度、电导率、含氧量等指标进行实时监控，并对 超过预警线的污染物进行自动投料处理，在污水监控和处理 两个方面都有很好的效果。
氧气在水中的溶解量（含氧量）是判断水质的标准之一， 选取 LN-ISDC2M12 作为含氧量传感器，RS485 为通讯信号， 信号输出为 [4 mA,20 mA]，该传感器以抗腐蚀性较强的材料 做阴极，银 - 氯化银（或汞 - 氯化亚汞）作阳极，在被测溶 液中，对阴阳两极外加 [0.5 V,1.5 V] 的直流电压，阴阳极发 生化学反应并同时向外输出电子，通过对外接电路中信号电 流的测量，获取被测溶液的含氧量 [5]。
计算机应用 信息技术与信息化
摘 要 关键词
基于物联网的污水实时监控与处理系统设计
李 豪 1 成模伸 1 潘媛媛 1 刘富山 1 许 睿 1 LI Hao CHENG Moshen PAN Yuanyuan LIU Fushan XU Rui
针对校园污水的特点，设计了一种以 AT89C51 单片机为核心的污水实时监控与处理系统。采用电导率传 感器、浊度传感器、pH 传感器、含氧量传感器分别检测污水中的各项数值，通过 ZigBee 通信模块完成 PC 端与单片机的互联，在 PC 端采用 WinForm 开发的桌面窗体对污水进行实时监控并对预警及时处理。 经过测试，系统具有响应速度快、测量精度高、自动投料等优点。 传感器；单片机；ZigBee；数据采集；自动处理
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图 2 AT89C51 主控芯片
信息技术与信息化 计算机应用
污水的酸碱度（pH）是污水水质的重要特征之一，选取 E-201-C 传感器来检测 pH，其工作电压最大为 5 V，测试范围 为 pH=[0,14]，测量温度的范围为 [5 ℃ ,60 ℃ ]，该传感器 在被测溶液与玻璃电极的玻璃膜进行离子交换时，通过检测 溶液中氢离子浓度测得液体的 pH[3]。
1 系统总体设计
基于物联网的污水实时监控与处理系统是由以单片机作 为核心处理器的下位机，pH 传感器电路、浊度传感器电路、 电导率传感器和含氧量传感器组成的数据采集模块，以及无 线通信 ZigBee 模块等组成，如图 1 所示。
Zigbee无线传输 模块
在该系统中，AT89C51 单片机将采集到的信息传给检测 电路，通过转换成电压、输入到 ADC 引脚、通过 A/D 转换和 处理等步骤，最终得到检测数据 [1]。设备之间采用 ZigBee 透传技术配置单片机串口，以此实现 PC 端与单片机的互联， 并进行数据交互以及控制指令的传递 [2]。单片机在对污水进 行自动处理时，利用自动投料模块对于超标的污水进行药品 的投放，此时浊度传感器和 pH 传感器不仅起到实时监控污水 作用还能对进行处理完毕的污水进行二次检测，判断污水是 否满足排放要求。
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