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浅探智能化污水处理系统中无线通信技术的应用

2021-12-04 70 上传者：管理员

摘要：污水处理是智慧水务的重要应用方向之一。在城市现代化发展的当下,污水处理厂、给排水管网等设施渐趋完善,而部分设施已经联网,可以其为基础,再通过配备新增的传感和控制设备及配套软件,实现智能化污水处理。为了实现高效的数据采集与处理,采用合适的通信技术和网络非常重要。文章以传输速率、覆盖距离、延迟、可靠性和安全性等为标准,评估了中国当下主流的无线通信技术在智能化污水处理中的可用性和可能的应用场景,如Bluetooth,WiFi,ZigBee等。

关键词：
控制设备
智慧水务
污水处理
物联网
通信技术
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1、智能化污水处理系统的组成

污水处理涉及自动控制技术、传感器技术、计算机技术和通信技术;单个普通污水处理厂需要监控的设备超过1000台，需要采集的信号超过10000个[1]。智慧污水处理要求通过物联网技术实现水务集团对下属污水处理厂及泵站的关键生产指标、生产运行数据的自动采集、远程实时监视、智能预警等。一个智能化污水处理系统包含着联网的污水处理机构、自动化配电系统、传感器网络、智能服务器、智能仪表和监控系统、远程控制平台、可视化及其他设备。

1.1 联网的污水处理机构

污水处理全过程涉及对水泵、搅拌机等机动模块的控制、物料管理与投放、人力资源分配、异常状况示警、数据上传与利用等。控制模块集成在各设备之中，负责控制个别或者一组功能模块自主运行以及响应指令，还需要轮询各个设备，获得工况信息[2]。为此，必须保证设备、工厂、集控中心联网，设备中必须有内建的通信模块。长距离传输或者某些电磁波易被衰减或屏蔽的特殊情况下，如下水井下的设备与地面设备的通信，一般采用有线通信方式。

1.2 自动化配电系统

配电自动化系统的主要功能是使配电企业能够从远处对配电设备进行实时监控、协调和操作，这一系统包括配电网数据采集和监控、配电网地理信息系统和需求侧管理。目前，中国主要采用配电主站、分站、馈电终端3层结构。光纤通信是实现馈线自动化的主要途径。

1.3 传感器网络

传感器网络监视和控制污水处理过程中的各个参数，实时收集大量的信息。若能进一步将传感器技术和物联网平台技术结合，还可能预测设备的故障，进行“预测性维护”[3]。

1.4 智能服务器

智能服务器获得各模块的工作状态，处理分析信息并依此发出控制命令，并能够将数据转发给相关服务器进行进一步处理与分析。智能服务器的建设需要大数据的支撑。

1.5 远程控制平台

远程控制平台主要负责远程监控和控制联网设备，以及将处理后的数据可视化，让相关人员能够实时监测污水情况、工作状态并作出反应[4]。由于数据量巨大，需在前期进行数据筛选和预处理工作，涉及的算法和其他计算机技术在此不做赘述。

2、智慧城市中的智能化污水处理应用综述

2.1 基础启停控制

基础启停控制包括基于预先设定的工作规程对污水处理设备进行基本的开关控制，以及根据污水性质调整运行状态。控制站、控制箱实现这类功能。

2.2 高级控制

高级控制包括中控系统全局性的控制功能和实现对个别设备的远程控制。例如，人们可以通过中控系统或云平台监控整个系统的运行情况，并有选择地调整个别设备的工作状态。

2.3 性能监测

联网的设备、厂家能够传递设备的参数信息，如功耗、电压、电流、频率、温度等，这些参数可以显示在中控系统中以供实时监测。

2.4 环境监测

环境监测包括水环境的监测、污泥环境监测和监控等。污水处理设备需要监测水位、水质、水速等，避免设备损坏、系统失效、环境破坏等不良后果。部分厂房内可能需要噪音传感器来监控噪声水平；用摄像头、图像传感器识别出入人员身份信息等。

2.5 数据定位与采集

通过卫星定位等，获得数据点信息并传输，以便在出现水资源突发事件时能够预警和及时响应，需要利用GPS,GIS。

3、典型通信技术在智能化污水处理中的应用与比较

这一部分将根据数据传输速率、覆盖距离、延迟、可靠性、安全性等方面对常见无线通信技术进行评估，并分析其在智能化污水处理系统中可能的应用场景。

3.1 Bluetooth

蓝牙技术是一种低成本、低功耗的近距离通信技术，可同时连接多个设备，并实现固定设备、移动设备和个域网之间的数据交换。其安全性和抗干扰性较高，芯片成本低，缺点是工作距离很短，往往只有10m以内，可能发生较高延迟。

3.2 WiFi

WiFi是一种基于802.11协议的无线局域网接入技术，比蓝牙覆盖范围更广，通常室内在50m范围内都可有较好的信号，室外传输距离能达到100～200m。不同版本的WiFi，在不同情况下传输速度差别较大，但总体而言较快。另外，其信号辐射功率小，对环境的电磁污染也更小。

缺陷方面，WiFi设备ping路由器延时大，常常发生丢包的问题；虽然本身无须布线，但WiFi信号须由有线网提供，在野外等开阔场所往往无法使用，所以此技术不适合布局于管网沿线无信号覆盖处。典型的应用是以此技术支持设备无线接入互联网，而此项技术还有很多其他的应用场景。

3.3 ZigBee

ZigBee支持20～250kbps的数据速率。其覆盖距离可达100m。ZigBee有着分等级的安全模式，采用加密算法，还建立信任中心机制对安全密钥进行人性化管理，使ZigBee具有良好的安全保护机制。延时与工作模式有关。

ZigBee的媒质传入控制层（MAC层）采用talkwhen-ready的碰撞避免机制，大大提高了系统信息传送的可靠性。同时，ZigBee的通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。

由于ZigBee与WiFi、蓝牙等协议共享相同的信道频谱，ZigBee在各种网络中面临着一定的干扰问题。

3.4 LoRa

LoRaWAN提供高达50kbps的数据速率，在农村地区覆盖距离高达20km，城市地区约5km。LoRa的延迟速率较低。安全方面，它采用了高级加密标准（AES）以及128位的密钥算法，支持源头认证、完整性和MAC架构重发保护，同时支持终端设备和应用服务器之间应用载荷的端对端加密，保障了安全性。LoRa可靠性也较高，在噪声下也可正确解调数据且灵敏度很高。

3.5 GPRS

GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，理论带宽可达171.2kbps，常用于超远程通信。GPRS的主要缺陷是通信质量受信号强弱影响较大，无信号覆盖或信号较弱的地方通信效果很差。

3.6 WiMAX

WiMAX在2.3GHz,2.5GHz,3.3GHz,3.5GHz等频段运行，数据速率高达75Mbps，覆盖距离高达50km，采用了多项先进的IP层安全标准提高其安全性。WiMAX具有高速度、远距离、低延迟、可靠、安全的优点。它可以用一个基站为数百个用户提供服务，是智慧城市建设的优良选择。

除蓝牙和GPRS外，其他无线通信技术的通信距离基本可以覆盖厂房范围。表1列出了各项应用功能在数据传输速率、对延迟的要求、可靠性、安全性的要求，用于筛除不符合要求的通信技术。

通过将各项应用功能的要求与各个通信技术的性质匹配，列出针对污水处理各项应用的推荐选择，如表2所示。基础启停控制推荐使用蓝牙、ZigBee、WiMAX；高级控制推荐ZigBee,WiMAX；性能监测、环境监测推荐LoRa,WiMAX；数据定位与采集推荐GPRS。

4、结语

各种无线通信技术有着不同的特征，选择合适的通信技术来支持各种智能化污水处理应用是成功构建污水处理系统的关键。本文比较了各种通信技术，并分析了它们在智能化污水处理系统中不同场景的适用性。本文希望为从事智慧水务，特别是污水处理工作的研究人员和工程师提供帮助。

参考文献:

[2]刘忠祥,解存福,丁查明,等.污水厂从自动化向智慧化管理"蜕变"探究[J].仪器仪表用户,2021(5):107-108,87.

文章来源：张彦芝.无线通信技术在智能化污水处理系统中的应用与评估[J].江苏科技信息,2021,38(35):41-43.