基于物联网的城市下水道及化粪池可燃气体监控预警系统的初步设计

基于物联网的城市下水道及化粪池可燃气体监控预警系统的初步设计【摘要】城市下水道和化粪池的通畅和安全使用是城市赖以生存和发展的重要保障和必要条件。本系统的研究目标是设计一个基于物联网平台的智能监控预警系统，对市政下水道和化粪池中可燃气体浓度和相关信息进行实时采集和远程监测，确保污水管网设施的稳定和安全运行。【关键词】物联网；下水道及化粪池；可燃气体；监控预警系统1.引言城市下水道和化粪池担负着生活污水、工业废水的接纳、输送功能，但由于其相对封闭，环境特殊，污水中的有机和无机物质在密闭的管道中，在厌氧条件下受微生物作用，会分解产生多种有毒有害、易燃易爆气体。如若管理不善，容易造成气体蓄积，当达到一定浓度后，若泄漏会造成人员中毒，如遇明火则极易产生爆炸，造成伤亡事故，对人民群众的人身和财产安全造成危害。近年来，由于下水道、化粪池内可燃气体浓度过高，市政排污管道可燃气体爆炸事故成了国内多发的事件。由于历史的原因，我国城市下水道管网设置不够合理，处理设施维护管理不规范；其次，城市化进程过快，城市人口密度大，管网设施使用负荷较高；同时，还与公民的环境教育、环境意识、环境道德，以及政府的环境立法、执法有关。显然，除了积极开展正面的环境意识教育，完善设施维护以外，更重要的是建立一套可燃有害气体监测预警机制，做到防患于未然。为了达到安全性预报的目的，传统的环境污染源应急监测主要基于单台仪器的间断方法，甚至是人工取样、实验室分析的非在线式监测。此方法存在三个方面的明显不足：一是具有间断性；二是无法实现数据共享、在线测量和远程监控；三是需要花费大量的人力、物力、财力。下水道、化粪池气体的自动监测技术是一种最小人工干预的安全预警的实时在线连续监测并预警的自动化系统，它能够通过网络远程中心，自动地监控下水管道设施内可燃气体状态，实现在线、动态、实时的监测与控制。所以，开展城市市政下水道、化粪池的长期、远程在线监控研究意义重大。2.系统设计方案本系统的研究目标是设计一种可燃气体的智能监控预警系统，即用于市政下水道和化粪池中可燃沼气浓度和相关信息的实时采集和远程监测，对市政污水管网设施的安全运行实现监控和预警，确保污水管网设施的稳定和安全运行。本系统基于物联网平台，利用高灵敏度、性能稳定的红外气体传感器和无线传感网络，传输数据实时、稳定、可靠；系统监控中心能及时发现可燃气体的异常信息，并发出警报。系统由三个子系统组成：气体浓度检测系统、数据传输系统和监控中心系统。气体传感器实现监测目标气体浓度的检测，数据传输系统完成监控中心与浓度检测系统之间的无线数据通信传输；监控中心系统通过合理的软件结构设计，实现可燃气体浓度的实时监测和安全监控预警功能。为了实现对城市市政下水道和化粪池可燃气浓度的预警监控，满足监测的自动化、网络化和实时性要求，在进行广泛调研现有技术现状后，本设计提出了以下的预警监控系统设计思路和设计方案。采用模块化的思想，将系统设计为三个子系统：气体监测与数据采集子系统、数据传输子系统、数据处理与监控中心子系统。其结构如图1所示。预警监控系统主要包括：现场仪器：用于现场数据采集，包括气体浓度传感器和数据采集仪器；传输网络：用于进行数据传输；监控中心：对系统进行控制、对数据进行分析处理。监控中心通过传输网络与污染监测点的监测设备、数据采集系统联网，进行监测数据交换、实况监测、指令应答和决策调度，从而实现对监控目标的远程、实时监控。监控系统总体结构示意图如图2所示。3.系统的主要技术路线3.1可燃气体检测非分散红外（NDIR：NonDispersiveInfrared）气体分析仪作为一种快速、准确的气体分析技术，特别连续污染物监测系统（CEMS）以及机动车尾气检测应用中十分普遍。随着红外光源、传感器及电子技术的发展，NDIR气体传感器在国内外得到了迅速的发展。主要表现在采用新型红外传感器及电调制光源，在仪器电路上采用了低功耗嵌入式系统，使得仪器在体积、功耗、性能、价格上具有以往仪器无法比拟的优势。3.2物联网物联网即EPC（ElectronicProductCode产品电子代码）系统是在计算机互联网和射频技术RFID的基础上，利用全球统一标识系统编码技术给每一个实体对象一个唯一的代码，构造了一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网“Internetofthings”。EPC系统是一个非常先进的、综合性的和复杂的系统，其最终目标是为每一实体对象建立全球的、开放的标识标准，主要由６个方面组成：EPC编码标准、RFID标签（Tag）、阅读器（Reader）、神经网络（Savant）系统、对象名解析服务（ONS）、实体标记语言（PML）。3.3射频识别技术射频识别技术（RadioFrequencyIdentification，RFID）是一种高级的自动识别技术，利用它通过无线射频方式进行非接触式的全双工数据通信，以对实物目标加以识别；阅读器（Reader）可控制射频模块向电子标签发射读取信号，并接收标签的应答信号，同时可对电子标签的对象标识信息进行解码，从而将对象标识信息连带电子标签上的其它相关信息传输到Savant系统以供处理；Savant是一种软件技术，在EPC网络中扮演中枢神经的角色并负责信息的管理和流动，减少从阅读器传往企业应用的数据量，确保现有的网络不超负荷运作；对象名解析服务（ONS）是联系前台Savant软件和后台PML服务器的网络枢纽，把Savant引入储存该产品信息的企业数据库；实体标记语言（PML）是EPC网络中的通用语言，用来定义物理对象的数据。3.4系统软件总体设计监控中心数据服务器软件以Windows为工作平台，采用先进的软件开发环境和软件开发工具，充分利用可视化及事件驱动特点，采用对象化结构，具有用户界面友好、函数资源丰富、开发工作量较小的优点，易于实现模块化，观测结果存放采用后台Access数据库，并具有观测点数据统计、历史数据查询等功能，使大量人工劳作由计算机快速而准确地完成。从软件功能上，系统由组态软件、数据服务器软件、监控软件构成。组态软件负责完成数据库组态，主要组态内容包括监控节点组态、报警上、下限组态、报警动作组态等。数据服务器软件负责完成数据的发送和接收，监控节点状态检测，报警检测，报警信息的发送以及短息查询处理等。而监控软件负责现场监控节点实时数据的显示，监控中心报警处理，历史趋势处理，报表处理等。4.主要技术关键及技术指标4.1主要技术关键1）采用感应器对下水道及化粪池中可燃气体进行监控并预警；2）建立可燃气体模型，采用智能控制技术对监测设备进行实时控制；3）使用物联网技术实现数据传输；4）系统接口还保留许多扩充部分，如增加其他传感器，只需再经过进一步软件扩充与完善，就能实现其他更多气体的监测；5）无线传输可执行一对多的方式（即一个监控中心，接收多个监测点发出的不同数据）。4.2主要技术指标工作温度：-40°C～+70°C（可燃气）；工作湿度：＜95%RH（非冷凝）；检测误差：＜5%F.S；防护等级：IP66；输出信号：4～20mA模拟信号；工作电源：10～30VDC。5.结语该自动监控系统将无线传感器网络技术运用于市政排水管道可燃气体监测，并从基于物联网传输技术的远程数据传输系统的设计，基于先进的气体传感器检测技术和数据获取，基于寻找一种具备统一性、开放性的环境监测体系结构和成本相对较低的网络传输结构来组成这种环境监测的体系，基于设定一套统一的预警监控技术标准，实现大范围环境自动监控系统的数据共享、业务协同等几个方面开展工作，通过实际建设将研究成果直接应用于城市下水管道和化粪池设施的实践过程中，有较高创新性研究成果和实用价值。参考文献[1]卜秋平.城市污水管网的建设与管理[M].北京:化学工业出版社,2006.[2]李代明.城市下水道爆炸的原因及处置措施[J].消防技术与产品信息,2007(4).[3]朱厦军.温州市主城区化粪池运营管理现状调查[J].环境卫生工程,2007,15(5).