0 引言
污水是造成環境污染的原因之一。在人類生存環境日益惡化的今天．建立完整的污水監測系統是非常必要的．而處理分布在各處的污水檢測點的數據傳輸問題一直是建立污水監測系統的難點。
1 污水監測的無線傳感器網絡架構
污水監測系統分為污水參數監測系統和污水處理過程監測系統。前者實現對水溫、pH值、濁度、電導率、溶解氧含量等污水參數的測量．并對污水關鍵進水口和排水口重點區域的流量和水位檢測等進行實時視頻監測：后者完成各個污水處理池污水處理過程的參數與控制指令傳輸。由于污水進水口和排水口廣泛分布．每個污水進水口和排水口均可設為一個獨立子區域．因此可能分布多個傳感器網絡節點。在每個子區域中構建基于無線技術的傳感器網絡．通過一個網關或者匯聚點進行數據傳輸。在污水處理過程監測系統中．每個污水處理池均存在多個傳感器和執行器．它們與現場服務器或者遠程監控服務器交互信息。基于簇(C1uster)的分層結構具有天然的分布式處理能力．簇頭是分布式處理中心．即無線傳感器網絡的一個匯聚點或者基站，每個簇成員(傳感器節點)都把監測的原始數據(或者簡單處理)傳給簇頭．數據經簇頭融合后由更強通信模塊傳輸至監測中心。污水監測系統的通信系統構架如圖1所示。
圖l 污水監控系統的通信體系
分為3層：現場參數監測層、現場控制服務器與匯聚節點層和遠程監控服務器層。由于ZigBee無線模塊是最新推出的低速率、低功耗無線通信技術．特別適合長期無人值守場合．因此該系統建立以ZigBee無線模塊為核心的分層通信系統架構。由于需要長期無人值守工作，污水參數的ZigBee數據采集采用低功耗的ZigBee數傳模塊技術；視處理廠的規模，污水處理過程可以采用ZigBee無線模塊技術或者WLAN技術。每個進出水的監測污水參數通過ZigBee無線模塊直接傳送到匯聚點．匯聚點具有強大數據處理功能，處理后的數據通過WLAN或CDMA模塊傳送到現場控制服務器或者遠程監控服務器。同樣，污水處理廠的污水處理過程數據通過ZigBee數傳模塊的傳送到具有WLAN功能的匯聚節點．后者把數據傳送到現場控制服務器：現場控制服務器產生控制指令后，通過匯聚節點的中轉傳遞給具有ZigBee無線模塊的執行節點。遠程監控服務器通過CDMA和Internet網絡與多個現場控制服務器層或者匯聚節點連接．獲取相關子區域節點ZigBee數據采集的污水參數和現場控制過程數據．對污水參數和處理過程數據進行處理和分析．監測水質狀況的變化．實現對現場的有效控制和管理．并對污染等突發事件和環境急劇變化進行實時報警。遠程終端用戶通過Internet實現對污水的全天候實時監測。
2 無線傳感節點
基于ZigBee無線技術的污水參數監測節點．即無線傳感節點，由低功耗MCU、數據采集通道、電池和ZigBee物理層芯片等部分組成．并掛接多個傳感器檢測水溫、pH值、濁度、電導率、溶解氧含量等參數。節點具有尺寸小、功耗低、適應性強等特點。節點發射功率為O～3．6dbm．通信距離為30～70m．經過功率放大可達1000m左右．節點具有能量檢測和鏈路質量指示功能．可根據檢測結果自動調整發射功率．在保證通信鏈路質量的條件下．最大限度地減少能耗。設計的無線傳感器網絡節點處于睡眠狀態時，電流約為30uA。
數據通信時．ZigBee無線模塊建立一次連接的時間約為20ms．較短的連接時間可大大減少傳感器節點向數據視頻基站上報數據時發生碰撞的概率。網絡安全方面，基于ZigBee數傳技術的無線傳感器網絡．采用密鑰長度為128位的加密算法．對所傳輸的數據信息進行加密處理。無線傳感節點的硬件結構如圖2所示。軟件主要包括ZigBee協議棧的實現、測量應用程序的實現．以及低功耗處理子程序等模塊。無線傳感器執行器節點和匯聚節點具有類似結構。
圖2 傳感器網絡節點硬件結構
3 污水監測與處理的一體化優化控制技術
現場工業控制服務器的主要作用：對無線傳感器網絡的數據進行綜合處理，實時監測污水處理過程；依據污水處理工藝過程．自動利用知識與推理系統進行決策分析．對執行設備進行自動控制。污水處理廠的空間很大．不同傳感器測量點的信息是不同的．甚至相差較大，存在如何采集不同傳感器測量點的信息、采集何種信息(數據、圖像信息等)、不同信息怎樣融合應用等問題．需要對無線傳感器網絡的數據進行綜合處理和集中控制優化．
3．1粗格柵及提升泵站
(1)粗格柵運行的控制。用超聲波液位差計來測量粗格柵前后的液位差．當液位差值達到設定值．在規定的時間內未達到設定值時．均用電動閥門自動開啟粗格柵除污機．完成一個運行周期后停止運行。
柵渣通過皮帶輸送機輸送到螺旋壓榨機，最后外運。
皮帶輸送機與粗格柵機聯動控制．任意回轉式格柵除污機啟動后應啟動皮帶輸送機聯動運行。
(2)潛污泵的控制。在潛污泵有壓力指示，開泵時應先開水泵．當達到一定壓力時用電動閥f-1自動打開。進水泵房有潛污泵5臺．2臺備用。設置成輪流啟動方式。
3．2細格柵及沉砂池
(1)細格柵運行的控制。用超聲波液位差計測量細格柵前后的液位差．當液位差值達到設定值．或者在規定的時間內未達到設定值時．均用電動閥門自動開啟細格柵除污機．完成一個運行周期后停止運行。
(2)沉砂池控制。沉砂機的自動控制由設備配套提供的就地控制柜內PLC完成。
3．3氧化溝
(1)對表曝機轉速的控制：通過連續測量氧化溝的溶解氧含量來控制表曝機轉速．當溶解氧值達到下限時，表曝機由低速運行轉入高速運行：當溶解氧值達到上限時，表曝機由高速運行轉入低速運行：當溶解氧值達到上上限時．表曝機則停止運行。
(2)對堰板高度的控制：通過連續測量氧化溝好氧段的溶解氧含量控制可調節堰板的高度．當溶解氧值達到下限時，啟動可調節堰板使溝中水位提高：當溶解氧值達到上限時．啟動可調節堰板使溝中水位降低。
(3)二沉池的控制：在雙周邊驅動刮泥機上接手動閥門．可手動調節運行周期和運行時間：也可自動調節．即根據二沉池污泥界面和污泥泵房MIJSS測量值自動調整。
(4)回流污泥量控制。回流污泥量調節的任務是為了保證生化處理系統混合液的濃度維持在一定范圍內．回流污泥量的調節采用比例控制方式。
4 結語
針對污水處理過程的工藝要求．現場工業控制服務器采用多傳感器數據融合技術．通過ZigBee無線模塊的無線數據傳輸，最大限度地獲取被測目標或環境的ZigBee數據采集的信息量。并獲得最優的解釋或判斷：利用多個傳感器資源．通過對多傳感器及其觀測信息的合理支配和使用．把多個傳感器在空間或時間上的冗余或互補信息依據某種準則進行組合．以獲得被測對象的一致性解釋或描述：在收到大量ZigBee數據采集的數據以后．通過高效的數據融合算法對數據進行處理．然后經過控制模型或者專家系統得到反饋控制結果．控制執行節點的行為。