分布式农村分散污水处理系统分析与研究

摘要:结合新农村污水布局分散、规模较小、地形条件复杂、污水不易集中收集等特点。我们采用远程监控技术,该系统由现场数据采集装置、数据传输设备、监控中心软件及监控客户端软件组成。根据分散型新农村特点,该系统的工作过程为通过现场终端数据采集传感器将采集到的各排污指标数据,通过PLC传输给GPRS-DTU,再通过GPRS-DTU接入移动GPRS网络,把数据传送到GPRS网络,利用GPRS网络和互联网的对接口把数据采集设备采集到的数据传送到互联网相对应的固定IP监控中心服务器上,监控中心服务器将数据进行存储,并通过Web Service进行,对数据信息进行共享。同时监控中心服务器通过实时监控软件将信息实时,监控者即可通过连接在互联网上的数据中心服务器浏览数据进行实时监控,同时也可以通过其他监控中心的数据接口查看其他监控中心数据。

关键词:数据采集;GPRS网络;实时监控;Web Service

中图分类号:TP271 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2010)08-1830-03

Analysis and Research of Distributed Dispersed Rural Areas' Wastewater Disposal System

FENG Yan-li, WU Wei-shan, ZHANG Li-hua

(Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China)

Abstract: Combined with the characteristic of scattered new rural sewage layout and its smaller scale, complex terrain conditions, and hard realization of centralized collection of sewage, remote control technique is employed. The system is composed of field data collection devices, data transmission equipments, software of monitoring center and software for monitoring client. Based on the characteristic of distributed new country, the operating process of the system is as follows. First, the data of sewage disposal collected through field terminal data acquisition sensor will be transmitted to GPRS-DTU through PLC, then, the data will be transmitted to GPRS Network through GPRS-DTU connecting into mobile GPRS Network, next, the data collected by data transmission equipments will be transmitted to fixed IP monitoring center server corresponding to internet through using the interface of GPRS Network and internet, afterward, the data will be stored by monitoring center server and be launched through Web Service, finally, the data information will share. Meanwhile, monitoring center server will launch real-time information through real-time monitoring software so that monitors can browse the data through Data Center Server connecting on the internet, and also view other monitor centers' data through the data interface launched by other monitor centers.

Key words: data acquisition; GPRS network; real-time monitoring; Web service

随着我国城镇化进程的加快,中、小城镇、新农村、旅游景区、园(社)区迅猛发展,其产生的污水成为了重要的污染源。

2007年在美国“分散式污水处理与利用需求”中长期发展战略规划会议,提出了“对于乡镇一级的地区,尤其是小城镇、广大农村地区更适合发展分散式污水处理技术”的见解。美国将“分散式污水处理与利用需求”作为中长期发展战略任务对待,而我国近几年集中注重了城市污水处理的发展,对分散型污水处理、利用方面与国外存在一定差距。因此快速发展中的中国在这方面的需求更为迫切。

分散污水处理监控系统中现场设备具有多而分散的特点,基于GPRS的分布式农村分散污水处理系统能很好适应该特点。

1 现场数据采集终端

现场数据采集终端由采样单元、数据采集单元和小型一体化PLC组成。

1)采样单元

采样单元由进水渠、潜水泵及其控制箱、进出水连接管路、过滤器等部分组成。外排污水流入进水渠,由安装在进水渠内的潜水泵将新鲜的外排污水输送至进水管路中,再进入仪器室,由传感器实时采集水质数据。

2)数据采集单元

该远程排污监控系统包含五个监测项目,分别为悬浮物、化学需氧量、生化需氧量、总氮和总磷量,所以在每个站点安装有BOD分析仪、COD 分析仪、氨氮分析仪、总磷分析仪、悬浮物/浊度分析仪,分别安装在各污水检测点。

3)小型PLC

各PLC放置在各地的监测现场采集各传感器的采集数据,进行分散实时控制,然后通过GPRS模块,将采集数据通过GPRS网络连接起来,形成集中实时的分布式网络系统。

2 数据传输设备

由于农村污水分散等特点,布线都很不方便,本系统选择了移动数据通信提供的GPRS网络。通过GPRS无线网络进行数据传输,现场的监测设备采集到的有关数据和告警信息通过GPRS网络即发送到监控中心,实现对各污水点及时管理。

2.1 GPRS简介

GPRS,通用无线分组业务是一种基于GSM系统的无线分组交换技术,提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS充分利用共享无线信道,采用IP Over PPP实现数据终端的高速、远程接入。作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术(2.5G),GPRS在许多方面都具有显著的优势。

2.2 GPRS特点

GPRS有下列特点:

1)可充分利用中国移动全国范围的电信网络――GSM,方便、快速、低建设成本地为用户数据终端提供远程接入网络的部署;

2)传输速率高,GPRS数据传输速度可达到57.6Kbps,最高可达到115Kbps～170Kbps,完全可以满足用户应用的需求,下一代GPRS业务的速度可以达到384Kbit/s;

3)接入时间短,GPRS接入等待时间短,可快速建立连接,平均为两秒;

4)提供实时在线功能 “alwaysonline”,用户将始终处于连线和在线状态,这将使访问服务变得非常简单、快速;

5)按流量计费,GPRS用户只有在发送或接收数据期间才占用资源,用户可以一直在线,按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用,没有数据流量的传递时,用户即使挂在网上也是不收费的。

GPRS业务,具有接入迅速、永远在线、流量计费等特点,在远程突发性数据实时传输中有不可比拟的优势,特别适合于频发小数据量的实时传输。在污水点现场同样安装GPRS数据采集终端,通过RS232 /485接口与污染源在线监测仪器连接,数据采集器对监测仪器(流量、COD、总磷、悬浮物、氨氮)的测量数据进行分析、存储、汇总,并通过无线网络传送到监控中心,它是系统获取监测数据的主要来源。

2.3 GPRS组网策略

下面介绍四种GPRS组网策略,GPRS的应用非常广泛,几乎所有行业都能用到GPRS的无线数据传输。但每种行业的实际需求和复杂的应用环境都大不相同,所以每种行业都会有自己独特的功能要求和组网方式。

1)方案一:中心采用ADSL等INTELNET公网连接,采用公网固定IP或者公网动态IP+DNS解析服务。

此种方案向先INTERNET运营商申请ADSL等宽带业务。

① 中心公网固定IP:监控点直接向中心发起连接。运行可靠稳定,推荐此种方案。

② 中心公网动态IP+DNS解析服务:客户先与DNS服务商联系开通动态域名,监控点先采用域名寻址方式连接DNS服务器,再由DNS服务器找到中心公网动态IP,建立连接。此种方式可以大大节约公网固定IP的费用,但稳定性受制于DNS服务器的稳定,所以要寻找可靠的DNS服务商。此种方案适合小规模应用。

2)方案二:中心采用主副GPRS-DTU,采用移动内网动态IP+移动DNS解析服务。

此种方案客户先与移动DNS服务商联系开通移动动态域名,监控点先采用域名寻址方式连接移动DNS服务器,再由移动DNS服务器找到中心移动动态IP,建立连接。中心也用GPRS-DTU做接收端,但GPRS无线方式的中心不如有线方式的稳定,所以采用主副两个GPRS-DTU作冗余备份。主中心GPRS-DTU接收端掉线时,所有监控点自动转到副中心GPRS-DTU接收端。此种方式也可以大大节约固定IP的费用,但并不是所有移动公司都提供DNS解析服务,所以要在有DNS解析服务的省市才能采用此种方案。此种方案适合小规模应用。此种方案时时性和稳定性较差,不推荐使用。

3)方案三:中心采用主副GPRS-DTU,采用移动APN专网固定IP。

此种方案客户先与移动申请APN专网业务。移动为客户分配专用的APN,普通用户不得申请该APN。用于GPRS专网的SIM卡仅开通该专用APN,限制使用其他APN。得到APN后,给所有监控点及中心分配移动内部固定IP。此种方案中心也像方案二一样采用主副两个GPRS-DTU作接收端,冗余备份。但此种方案较方案二而言,无需DNS解析,本身具有移动内网固定IP,减少中间环节,稳定性增强;且所有数据都在移动GPRS的APN内网传输,无需经过公网,安全性增强。此种方案无需负担宽度专线月租费用,性价比合理,推荐使用。

4)方案四:中心采用APN专线,所有点都采用内网固定IP。

此种方案客户中心通过一条2M APN专线接入移动公司GPRS网络,双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接,在GGSN与移动公司互联路由器之间采用GRE隧道。为客户分配专用的APN,普通用户不得申请该APN。用于GPRS专网的SIM卡仅开通该专用APN,限制使用其他APN。得到APN后,给所有监控点及中心分配移动内部固定IP。移动终端和服务器平台之间采用端到端加密,避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。双方采用防火墙进行隔离,并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。

考虑到该系统的监控中心要将数据通过webservic给Internet上其他监控决策者,所以本系统选用策略1方式来组建GPRS网。

该系统的网络设计如图1。

3 监控中心软件

监控中心的WebServer服务器提供其他监测中心访问该地区数据的Web Service网站,同时应用服务器提供监控者可以通过连入互联网查看实时水质情况的实时监控系统。

3.1 实时监控系统

该系统采用.NET 2.0+SQLSERVER2005框架,C#语言。系统实现时采用了三层体系结构和简单工厂模式。系统中串口通信模块实现时使用.NET 2.0的类SerialPort,专门处理串行端口的控制及数据收发。

实时监控系统的主要任务就是将流量、化学需氧量、氨氮、总磷和悬浮物等各个指标用图片的形式展示给监控者,同时要将超标的指标,给出报警提示,以便监控者及时做出决策。同时该软件还提供数据导入导出,打印等功能,还可以将历史数据进行统计。另外该系统还包含了Web Service客户端软件,可以通过其他监控中心的数据接口访问其他监控中心的数据,实现各个监控中心的数据信息共享。

.NET开发平台具有强大的开发工具、简易的开发界面。该系统的设计以操作简单,显示界面清楚明了为目标。大大方便和简化了监测者的工作。

3.2 Web Service网站架构

3.2.1 Web Service架构原理

该架构由三个参与者和三个基本操作构成,如图2所示。三个参与者分别是服务提供者、服务请求者和服务,而三个基本操作分别为:(publish)查找(find)和绑定(bind)。服务提供者将其服务到服务的一个目录上;当服务请求者需要调用该服务,它首先利用服务提供的目录去搜索该服务,得到如何调用该服务的信息;然后根据这些信息去调用服务提供者的服务。当服务请求者从服务得到调用所需服务的信息之后,通信是在服务请求者和提供者之间直接进行,而无须经过服务。Web服务体系使用一系列标准协议实现相关的功能,例如使用WSDL来描述服务,使用UDDI来、查找服务,而SOAP被用来执行服务调用。

3.2.2 基于Web Service的远程信息系统的设计

本系统数据用XML文件描述。主要有以下两个方面的内容:1)数据库的设计。2)Web Service提供程序的创建,该Web Service提供程序的创建,该Web Service提供该监控中心的各个时段的水质各项指标的具体信息。

Web Service实现的具体步骤如下:

① 服务提供者开发和测试Web服务,使用WSDL定义服务描述,包括定义服务接口描述和定义服务实现描述。

② 服务提供者将这些服务描述注册并发送到UDDI注册中心,从而使潜在的服务请求者能够发现这些Web服务。

③ UDDI 注册中心使用UDDI注册表将服务描述存储为绑定模块,提供了多种不同的SOAP操作,使得请求者可以访问各项水质指标数据。

④ 服务请求者通过查找UDDI注册表找到所需服务的绑定信息,找到Web服务应用程序的提供者。

⑤ 服务请求者使用该绑定信息激活并获取该服务的WSDL描述,从而与服务提供者进行绑定,使用SOAP 协议调用所需的Web 服务。

4 结束语

以往为了能够及时的对流域内分布的污水来源进行全面剖析,并做出及时处理,数据的采集,不得不实行定期站点抄表制度,既不经济,又浪费人力物力,而且效率低下,数据不具备完整性,不能满足现代化生产的要求。该系统的成功实施和运行将能对各个分布点的水质中各种参数进行自动监控,及时发现水质的各项指标是否达标,对确保相关人员能对不达标污水进行及时和准确的处理,进而可以取得巨大的经济效益和社会效益。

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