图1  系统结构图

无线技术的飞速发展给污水处理行业带来技术革新的机遇，本文设计了一种基于无线网络的污水处理无线数据采集及监控系统，该系统结合苏州城南污水处理厂现有的监控系统及数据采集手段，将无线ZigBee技术融入其中，不仅可以很好地适应污水处理厂地域分布广,设备分散的特点,而且无需布线、组网灵活、维护方便，能够有效地降低现有系统的设计施工及运行成本。

传统污水处理厂的运行主要依赖人工经验知识，各个工艺流程阶段都需要人工干预。而污水处理过程复杂，有很多不确定性和模糊性，传统的PID控制方法需要精确的数学模型和分析过程，难以控制复杂的污水处理过程，所以一般由人工来完成整个过程的闭环控制。而过于依赖人工操作则会带来太多人为因素，不利于系统的稳定性。

针对城南污水厂监控系统由于监控点位置的分散，通过有线的方式布置系统存在成本过高、缺乏灵活性，以及过于依赖人工操作不利于系统稳定性等缺点，本文结合无线通信Zigbee技术的特点，设计了污水处理无线数据采集及监控系统并成功应用于该企业。

系统以无线信号作为数据传输介质，融合当今先进的智能仪表、传感器、总线技术、自动控制、计算机及通信技术、图形及软件技术，具有传输距离远、抗干扰能力强、数据实时传输等特点，广泛适用于各种恶劣的室外工业监控环境。

图2  ZigBee的MESH网络

行业现状

当前我国生产的环境监测仪器仪表大多是中低档产品，产品功能单一，故障率高，附加值低，在品种和数量上也远远不能满足实际需求。

有关专家认为我国环境监测仪器的发展趋势有以下几点：

向三化即自动化、智能化和网络化方向发展；

由劳动密集型向技术密集型方向发展；

由较窄领域监测向全方位领域监测的方向发展；

由单纯的地面环境监测向遥感环境监测相结合的方向发展。

处理分布在各处的环境检测点的数据传输问题一直是环境监测系统的难点，如果没有将分布在各处的环境检测点的数据进行实时在线的管理则会给管理部门带来很多的问题，无法实施实时的管理及24h监控和监管。随着我国对于环境监测越来越重视，在原有的单点环境监测的基础上，各地的环境监测站纷纷建立了一些无人值守的检测点，以更广更实时地监测环境质量，这就需要我们将各个分散监测点的测量数据实时有效地上传到数据中心并加以合理处理，ZigBee无线通信技术的应用能够很好地适应目前的行业状况。本系统就是在城南污水厂现有的监控及数据采集手段和仪器设备的基础上采用ZigBee无线技术实现实时的管理及24h监控和监管。

图3  无线数传模块外壳设计

系统网络体系结构及关键技术

系统组成

系统支持各种网络拓扑结构，比较典型的应用为无线MESH网络结构，从服务器的无线数据采集中心到下端智能仪表、传感器为无线网络组网，如图1所示。

无线数据采集中心及终端智能仪表的无线控制芯片均为美国Digi公司的Xbee pro芯片，该芯片使用最新的Zigbee通信技术进行组建网络并数据传输。

ZigBee无线网络通信技术

无线数据采集及监控系统采用Zigbee技术进行组网通信，Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。

ZigBee所采用的是Mesh Networking自组织网络工作模式。Mesh Networking是一种全新的无线组网技术。其核心是让网络中的每个节点都发送和接收信号，使普通无线技术过去一直存在的可扩充能力低和传输可靠性差等问题迎刃而解。网络中大量终端设备能自动通过无线连成网状结构，网络中的每个节点都具备自动路由功能，每个节点只和邻近节点进行通信，因此是一种自组织、自管理的智能网络，不需主干网即可构筑富有弹性的网络。传统无线通信网络必须预先设计和布置网络，它的传输路径是固定的，而mesh网络的传输路径是动态的。

Mesh网络（图2）也称为“多跳网络”，它是一个动态的可以不断扩展的网络架构，并能有效地在无线设备之间传输。在传统的无线局域网中，用户如果要进行相互通信的话，那么首先会访问一个固定的接入点（AP），这种访问的方式被称为单跳网络。而在多跳网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器。这样的好处是：如果最近的节点由于流量大而拥塞的话，那么数据可以重新选择一个小流量路径进行传输。数据包根据网络的情况，从一个节点依次传送到多个节点，最终到达目的地。这样的访问方式就是多跳访问。

图4  城南污水厂污水处理流程

智能仪表传感器

整个系统下端均采用高可靠性、高精度智能传感器及仪表，智能仪表包括pH计、COD在线监测仪、溶氧和浊度仪等，这些仪表中均集成无线通信模块。

所谓智能传感器即集成无线数传芯片的传感器，因此，只要把智能传感器安放在适当位置，其利用自身电池供电，便可将数据实时高效地传输至信息中心，无需任何线缆束缚。因无线模块及传感器优越的低功耗等特性的保障，其电力供应可持续工作达数月之久，智能传感器可方便地任意移动其位置。

OPC数据通信

系统的服务器端采用OPC通信的方式与因特网主机联通，将数据共享给整个企业范围的信息管理系统的各业务使用，各系统均具有相应的权限及用户管理模块，从而达到安全高效的信息共享。

系统详细设计

无线数传模块硬件设计

该系统无线数传模块硬件设计包括电路设计以及外壳设计。

采用xbee pro芯片搭载外围供电及接口电路，通过RS232串口通信协议对数据进行收发，并集成USB调试、复位和网络唤醒等功能。外壳设计如图3所示。

系统服务器软件设计

系统服务器端软件采用VisualStudio开发平台开发，软件集成OPC服务器列表管理、数据管理、仪表指令管理等功能。同时，系统还集成了无线网络管理软件，可以方便地调试无线网络中各模块的参数设置，并能准确判断无线节点是否正常运行，以及故障原因。实时及历史数据库采用SQL Server数据库，将实时数据存储并形成实时曲线图，并能够调节数据高低报警位等。

图5  无线数据采集及监控系统服务器端程序界面

系统部署

系统将16个数传模块及智能仪表分布于生化池及进水口各仪表采集点，将数据通过无线网络传输至集控室机房服务器中，并通过服务器OPC服务器将数据呈现给监控终端。城南污水厂流程图（如图4）所示。

系统特征及功能

该系统具有如下几大特点：

高准确度传感器及智能仪表的应用；

DSSS直序扩频无线数据传输避免了信号衰减及干扰问题；

远距离传输可达3km覆盖范围；

采用先进的图形显示引擎，图表数据功能强大；

数据修正，当仪表数据出现误差可实现微调；

支持历史数据及报表曲线的实时打印功能。

系统的服务器程序（如图5）运行于Windows主流操作系统，操作界面、数据警报简洁直观，支持多通道实时监测，实时显示超限预警、报警等，并提供专用调试工具快速调试无线网络图。

应用概况

系统经过误码率、低功耗、干扰测试、距离测试等各项测试，经过大量数据分析，其可靠性及稳定性均达到了工业使用的标准。目前具有16个网络节点的无线数据采集及监控系统已经成功应用于城南污水处理厂，运行状况稳定良好。经过实际的系统运行,污水处理无线数据采集及监控系统自投入使用以来，污水处理性能和效率提高很多，各项指标均在系统指导性调节下达标，由于技术的优越性，企业在处理污水的能力方面较以前有较大幅度的提升，且节约了经济成本。

小结

城南污水处理厂无线数据采集及监控系统针对该企业污水监控系统的监控点位置分散、通过有线的方式布置系统存在成本过高、缺乏灵活性等缺点，采用先进的ZigBee技术，通过系统的投产运行，在水处理工艺中发挥出便捷高效的作用。可以预见ZigBee技术在自动控制、环境监测等方面必将发挥更大的作用。