1 引言
隨著工業化進程的加快,污染排放量的不斷增加,水污染問題日益嚴重,廢水的處理更加受到世界各國的重視,因此保護水資源和防治水污染,是水資源可持續發展必須解決的問題。[1]我國的水污染問題經過多年的治理取得了一定的成績,但形勢仍然不容樂觀。污水處理中的曝氣設備是隨著污水處理技術的深入研究和廣泛應用逐漸發展起來的，已日益受到國內外水處理組織和企業界的高度關注。
曝氣是指在污水處理過程中，利用充氣或機械攪動等方法増大水與氣體接觸,進行溶氧或散除水中溶解性氣體和揮發性物質的過程。[2]在環境工程水處理過程中經常需要使用曝氣設備，運用曝氣設備可以增加污水中的空氣含量，這樣能使空氣中的氧氣可以在污水之中快速移動，避免水池內的懸浮物下沉，同時也可以使水中的微生物可以充分與氧接觸，達到分解有機物的目的。[3]
市場上曝氣設備發展已經基本成熟，但是數據監控工作相對薄弱，設備數據的遠程控制手段相對薄弱，沒有相對統一的建設標準，取得的成果千差萬別，不能統一的、有效的遠程控制不同地理位置的曝氣設備。因此，本文設計了曝氣機遠程智能控制系統，用以代替傳統的有線控制，實現對不同地理位置的多臺曝氣設備的高效控制。
2曝氣機信息監控系統設計
2.1 系統總體架構
本系統由曝氣機主體部分和遠程控制部分構成。太陽能曝氣機主體部分包括太陽能板、電機控制器及電機等。以太陽能作為設備運轉的直接動力，設置獨特的旋切提拉曝氣葉輪，通過葉輪旋轉提升作用，將底部缺氧水轉移到水體表面與表層富氧水混合;表層富含水通過離心旋轉橫向水平擴散、縱向進入底層缺氧區。
遠程監控部分包括智能控制終端、服務云、網頁監控系統、APP監控系統，系統通過GPRS構建通訊網絡，實現數據的實時交互；并且通過GPS實現地理位置的監控，通過對電機的運行電壓和電流的采集監測電機的運行情況、流量系統總體框架如圖1所示。
圖1 系統總體框架
3 智能控制終端
3.1 智能終端模塊架構
本設計的智能終端主要包括數據采集控制模塊和無線傳輸模塊。模塊架構如圖2所示。每一個終端外設都有繼電器、霍爾電流傳感器和模數轉換芯片。分別用來采集曝氣機的電流、電壓信息，并將
采集到的數據傳輸給主控MCU，經過濾波、整合等處理后，與所獲取的當前時間與經緯度信息通過GPRS打包發送至云端服務器。終端模塊還集成著主要由DS1302Z構成的實時時鐘模塊，可實現對采集周期的精準測量。并且本智能控制終端支持遠程控制采集周期與曝氣機狀態，終端在接收到APP發送的數據包后，通過MCU控制繼電器的狀態來實現對曝氣機的啟停控制。
圖2 終端模塊架構
3.2 數據采集模塊
數據采集控制模塊采用32位微控制器STM32F103作為主控MCU；采用WHK20LSP5S2L霍爾電流傳感器、高精度模數轉換芯片ADS1115將直流電流與模擬電壓轉換為數字電壓并傳輸給主控MCU。
WHK20LSP5S2L基于磁平衡式霍爾原理制成，具有結構簡單、較高的測量精度、線性度好等優點，可以將0-20A的電流轉換成模擬電壓輸出，轉換公式為
可以通過增加線圈纏繞的匝數來提升精度。
ADS1115是具有內部基準的超小型、低功耗、16位模數轉換器，能夠以高達每秒860個采樣數據(SPS)的速率將采集數據通過一個IIC型兼容串行接口輸出。另外，ADS1115版上具有一個可編程增益放大器(PGA)，PGA可提供從±256mV到±6.144V的輸入范圍，從而實現精準的大小信號測量。此外，ADS1115還具有一個輸入多路復用器(MUX)，可實現兩次差動輸入測量或四次單端輸入測量。在ADS1114和ADS1115中可使用數字比較器進行欠壓和過壓檢測。
3.3 數據傳輸模塊
本設計采用的無線傳輸模塊是由SIMCOM公司研發的工業級雙頻GSM/GPRS模塊SIM868，工作頻率為850/1800 MHz，可以低功耗實現發短信、打電話、GPRS傳輸數據、GPS等功能。該模塊自帶USART串口。MCU通過串口向SIM868模塊發送相應AT指令，模塊在獲取指令后，自動完成GPRS和Internet的鏈接以及數據的傳輸。本設計通過HTTP協議傳輸數據。GPRS模塊創建HTTP連接時所需的AT指令集見下表。同時，此模塊支持GPRS功能，通過串口向SIM模塊發送指令“AT+CGNSINF”后，會返回一組包含多種信息的字符串，不同信息以“,”隔開。如果前兩個信息“GNSS run status”和“Fix status”的值都為‘1’，則說明定位成功，可以得到當前經緯度和時間。智能終端總共有三種數據包通過GPRS模塊傳輸到云端服務器，通過兩位標識符來區分不同數據包，傳輸測量信息的標識是33、傳輸地理位置信息的標識是22、獲取參數修改信息請求的標識是44。數據無線傳輸流程圖如圖4所示。
圖3 基于GPRS的無線數據傳輸流程
創建HTTP連接的AT指令集
AT指令 功能描述
AT+CPIN? 檢查SIM卡狀態
AT+CSQ 檢查網絡信號強度
AT+CGREG? 檢查GPRS網絡注冊狀態
AT+SAPBR=1,1 打開網絡承載
AT+HTTPINIT 初始化HTTP服務
AT+HTTPPARA 設置HTTP參數值
AT+HTTPACTION=0 HTTP方式激活
AT+HTTPREAD 查詢HTTP服務響應
AT+HTTPTERM 終止HTTP服務
4 監控系統
監控系統是滿足用戶需求的上位機操作系統，由后端云服務器和前端APP、網頁顯示構成。云端MySQL數據庫儲存著不同的用戶信息和智能終端上傳的數據信息，并通過相關組件對數據進行處理解析。用HTML編寫動態Web網頁界面，并在HTML中嵌入PHP語言編寫的后臺運行代碼，操作云端MySQL數據庫的數據信息，并借助一些組件來完成數據的處理操作。[4]Web端初始界面簡潔明了，在登陸個人賬戶后，可以通過超鏈接的方式打開該系統的數據顯示界面，并且可以添加新的設備信息和控制不同終端狀態。如圖四所示。
圖4 系統初始界面
APP由JavaScript編寫而成，具有與網頁端相同的功能。并且，設有登陸、注冊、注銷界面，具有一定的安全性。
數據顯示界面可以查看當天內的曝氣機終端信息和地理位置信息，數據顯示圖分為折線圖和柱狀圖，兩者可以隨意切換，并且可以通過時間條的拖動來查看不同時間段的歷史數據圖，以及遠程控制地理位置信息的上傳和曝氣機的開關。另外，每臺曝氣機都有固定的管理者信息以及最近一次上傳的當前電壓、電流、流量和經緯度數據。用戶可以通過添加設備來輸入設備號、設備名稱以及存放位置等相關信息。如圖5所示。
圖5 數據顯示界面
5 結束語
該智能控制系統將曝氣機主體部分與遠程監控部分相結合，利用霍爾電流傳感器和模數轉換芯片進行數據采集，以SIM868模塊作為無線傳輸模塊，通過GPRS無線通信將智能終端的數據包發送至云端數據庫，實現曝氣機的遠程監控。監控系統以MySQL數據庫為核心，通過PHP后臺程序與數據檢測端進行信息交互，將智能終端發送的數據解析儲存到MySQL數據庫，并將對智能終端的控制信息發送到終端。通過網頁端和APP端與MySQL數據庫進行數據交互。實現對遠程智能終端系統的控制。