基于物聯網技術的農村污水智能監控系統設計與應用

張侃侃，雷夢佳，孔維正，楊宗明，易雄輝，龍 藝

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙 410007）

隨著新農村建設政策的不斷推進，全國各地鄉村取得了巨大的發展，農民生活水平不斷得到改善。在農村快速發展的同時，環保設施建設卻不能跟上經濟發展的速度，農村污水問題日益凸顯。如今，大部分農村污水被任意排放，只有少數污水處理站點，卻也存在污水處理效率低、管控不夠及時、控制過程不夠規范等問題[1]。當前，污水處理監控系統難以在農村推廣應用，主要有以下幾個原因。

（1）各自為營，難以統一管控?，F行的農村污水處理監控系統中，各廠家擁有自己的農污設備控制終端、終端管控平臺及控制終端與管控平臺進行數據交互的通信規約。因缺乏統一的監控數據傳輸規約，各廠家各自為營，難以形成統一的農污管控系統，農污管控系統難以大范圍推廣。

（2）故障率與維護成本高。與城市污水處理站不同，農村往往地處偏遠，自然氣候、網絡環境較為復雜[2]。當農污管控系統出現控制終端上線率低、農污設備過流損壞等問題時，運維人員需要跋山涉水前去維護，維護的人力以及時間成本較高。

（3）農污控制終端智能化程度低。通常在運行的農污管控系統中，其農污設備控制終端往往只能實現對農污設備的簡單啟停操作，智能化程度較低。當發生故障時，既不能自動采取保護措施，也不能對故障類型進行簡單分類。支持通信信道單一，不能根據實際網絡狀況擇優選擇，以便數據的實時上傳。

目前，物聯網技術得到廣泛應用，將物聯網技術賦能于農村污水處理，建立一套統一完備的農村污水智能監控系統，將有效解決當前農村污水處理的相關問題。

1 系統設計

物聯網整體架構分為采集層、網絡層、應用層。采集層通過各類傳感器實現監測要素的數據收集；網絡層通過各類有線或無線的數據傳輸模塊將采集數據向應用層傳輸；應用層通過軟件、平臺對數據進行展示，同時也可以向下進行指令下發。

基于物聯網整體架構，結合農村污水處理監控技術[3]，建立農村污水處理監控系統如圖1所示。

圖1 農污設備監控系統架構圖

1.1 感知層

感知層主要由農污設備控制終端對污水、農污設備、控制終端自身進行實時監測，同時響應管控平臺的設備控制指令。污水監測包括水位與水質數據，通過監測污水實時排放量與處理是否達標情況，以判斷是否需要開啟污水處理設備。農污設備監測主要包括各類污水處理設備的運行狀態與實時的工作電流大小，如工作電流過大或過小相應故障的上報?？刂平K端的狀態監測包括控制終端的工作電壓及當地的網絡信號強度，溫濕度數據。當管控平臺下發參數查詢與設置、設備控制啟停操作、遠程固件升級等命令時，控制終端也能夠實時響應。

感知層所有數據按照農污設備監控數據傳輸規約編碼向上傳輸。

1.2 網絡層

為解決當前農村污水處理終端上線率低的問題，控制終端在網絡層支持多網絡模式，包括GPRS/NBIoT/4G/5G等?？刂平K端根據當地實時網絡狀態，智能切換至信號更好的網絡。

1.3 應用層

平臺應用層是將網絡層上傳的數據按照農污設備監控數據傳輸規約解碼獲得解碼數據，再通過各種方式，最大程度發揮其功能。

管控平臺除了將控制終端上傳的數據進行一個實時展示外，還能夠將控制終端歷史數據進行一個圖表展示，并預測監測要素的未來走勢。當發生故障時，平臺派發故障處理任務，實時跟進故障處理進度，提高故障處理速度。當需要調整控制終端數據采集與設備控制策略時，平臺可通過下發參數設置或者遠程固件升級命令，省去工作人員“上山下鄉”的麻煩，提高工作效率。

2 系統應用

2.1 系統整體結構

將本系統應用在實際項目中，以統一完備的農污設備監控數據傳輸規約為紐帶，建立一個基于物聯網技術的農村污水處理智能監控系統。系統包括農污處理罐、水位、電壓、電流等傳感網絡、氣泵、電池閥等農污設備、農污設備控制終端以及農污管控平臺等，如圖2所示。農污設備控制終端采集傳感網絡數據并控制農污設備，采集的數據按照農污設備監控數據傳輸規約編碼組報，通過2G/4G/NB-IoT等網絡向農污管控平臺傳輸。

圖2 農污設備監控系統整體結構圖

2.2 農污設備控制終端

農污設備控制終端向下采集傳感網絡數據、控制農污設備，向上組報發送監控數據。根據當前農污管控系統中控制終端上線率低、智能化程度低、農污設備故障率高等問題，進行針對性設計。

為適應農村網絡環境不穩定的特點，農污設備控制終端采用支持多網絡模式設計，根據網絡狀況，智能切換NB-IoT/GPRS網絡，提高其上線率。

為解決農污設備故障率高的問題，在農污設備運行過程中發生電流超上限或者超下限故障時，農污設備控制終端啟動三段式啟?？刂撇呗?，如圖3所示。即第一次出現故障，關閉設備5 min，重新開啟；若電流仍異常，關閉設備30 min，重新開啟；電流仍異常關閉2 h，重新開啟；電流仍異常，則不再開啟，等待運維人員進行維修處理。這樣既能避免農污設備因長期故障運行而徹底損壞，也能避免因污水處理設備偶然出現電流異常，誤報故障的情況。

圖3 農污設備控制終端圖

當農戶家停電導致農污設備及其控制終端無法工作時，控制終端通過超級電容作為應急電源繼續工作，安全關閉所有農污設備，并報送掉電事件至管控平臺，以便運維人員立即采取應對措施。相比于蓄電池，該處理方式更節省成本，且無內置電池起火風險。

為解決農污設備控制終端智能化程度低的問題，當農污設備或農污設備控制終端發送故障時，控制終端智能判斷故障類型，自動進行相應應急處理并上報此故障至管控平臺。維護人員可以根據故障類型判斷故障是否緊急以及需要采取何種措施，有效提高運維效率。

2.3 農污管控平臺

農污設備智控終端的數據，按照《農污設備監測數據傳輸規約》編碼組報上傳至農污管控平臺，平臺根據《農污設備監測數據傳輸規約》進行解碼。農污管控平臺除了接收、處理、展示監測要素的數據外，同時錄入了農戶、運維人員信息，能夠對農污設備及其控制終端進行故障跟蹤處理，同時可對控制終端進行遠程控制、參數設置、固件升級等操作。

2.3.1 統一的設備管控

平臺對所有農污設備控制終端的數據進行統一展示[4]。包括控制終端的在線情況、農污設備及其控制終端故障數量、已處理與待處理運維工單數量等，有利于管理人員對項目進行整體把控，如圖4所示。

圖4 管控平臺數據展示

定位單個控制終端，平臺提供對應站點位置、建設時間及對應農戶與運維人員等信息。按需選擇相應農污設備控制終端進行遠程管控，包括對其參數的查詢與設置、農污設備的啟?？刂?。將農污設備控制終端監測的實時數據與歷史數據（農污設備工作電流、控制終端信號強度、工作電壓、污水水位）以圖表的方式展示，能清晰地了解到農污設備的運行狀況并預測未來走勢，輔助管理人員采取應對措施。

2.3.2 故障追蹤處理

當農污設備或其控制終端發生故障，控制終端發送故障報將此故障報至農污管控平臺。農污管控平臺根據故障時間、故障類型、故障數據判斷是否加急處理，根據測站對應農戶信息向運維人員派發故障處理工單。運維人員收到的工單包括故障設備位置、型號、故障類型、故障數據及農戶資料等信息，按需采取措施。平臺實時跟進故障處理進度，有利于運維工作，提高工作效率。

2.3.3 遠程固件升級

不同階段農污設備采取的管控方式不盡相同，但要進行相應的固件升級。以往固件升級需要運維人員到達站點進行升級，其時間和成本巨大。該農污管控平臺支持遠程固件功能，管理人員按照《農污設備監測數據傳輸規約》制作好升級包上傳至管控平臺即可進行升級操作。管控平臺將升級包分包發送至農污設備控制終端，控制終端接收完畢后自動進行程序更新。

3 結束語

目前物聯網技術在物流、交通、電力、家居、環境監測等諸多行業得到應用[5]。本文論述了如何將物聯網技術應用至農村污水處理中，從當前農污管控領域存在的問題出發，對感知層、網絡層、應用層進行了系統設計。通過實際應用案例，編制了一套統一完備的農污設備監控數據傳輸規約。其有利于實現農污設備管控系統的推廣普及與農污設備的統一有效管理。對農污設備控制終端、農污管控平臺進行系統的優化設計，解決了上線率低、故障率高、智能化程度低等問題，提高了控制終端與平臺交互的整體性能。農污管控平臺結合監測要素數據、農戶信息及運維人員信息，進行深度的數據挖掘與數據聯動，開發統一的設備管控、故障追蹤處理及遠程固件升級等功能，極大提高了運維管理人員工作的便利與效率?；谖锫摼W技術農村污水處理智能監控系統的設計與應用，能夠在農村污水處理領域大范圍推廣和長期使用。

除了物聯網技術之外，大數據技術、人工智能技術及5G技術也在蓬勃發展，同樣能夠應用至農村污水處理中來。比如，通過大數據技術深度挖掘農污數據，其背后的農戶用水情況可以指導農村水資源的調配；通過人工智能技術學習農污處理過程，能夠更快地加速農污處理的智能化進程。隨著高新技術的融入和應用，農村污水處理將朝著便捷化、智能化方向發展。