種楠楠，岳世明

摘要：針對目前電鍍行業(yè)廢水處理系統(tǒng)自動化程度低、難監(jiān)管、不環(huán)保的現(xiàn)狀，提ft一套基于
6LoWPAN 的電鍍廢水自動監(jiān)測控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于STM32 微控制器建立6LoWPAN 傳感網(wǎng)絡(luò)，在傳統(tǒng)電鍍廢水處理系統(tǒng)中配置檢測電極及重金屬離子傳感器，可實(shí)時監(jiān)測電鍍廢水處理進(jìn)程并上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器，控制器根據(jù)當(dāng)前元素含量及軟件設(shè)置閾值自動控制安裝于加藥箱的繼電開關(guān)，以控制加藥量和廢水處理進(jìn)度。此外，管理員可隨時登錄服務(wù)器查看廢水處理進(jìn)度。通過樣本測試證明本文提ft的系統(tǒng)對電鍍廢水處理的時效性明顯提高。

關(guān)鍵詞：6LoWPAN；電鍍廢水處理；STM32中圖分類號：TQ 056.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Design of Automatic Monitoring and Control System of Elec⁃ troplating Wastewater Based on 6LoWPAN
CHONG Nannan1，YUE Shiming2
（1.Department of information engineering ，Tianjin University Renai College，Tianjin 301636，China； 2.Temeijia Chemical Products Trading Co ，Ltd.，Tianjin  300380，China）
Abstract：This paper contraposed the existing problems of low automation degree ，poorly regulated and non-environmental protection about electroplating wastewater treatment system ，proposed an automatic monitoring and control system for the wastewater based on 6LoWPAN. This system set a 6LoWPAN wire⁃ less sensor network based on STM32 microcontroller，and fixed the electrodes and heavy metal ion sen⁃ sors into the traditional wastewater treatment system ，accomplishing the aim to show the process of waste⁃ water treatment and upload the data to database server. The controller would control the relay switch ac⁃ cording to the element content of wastewater and the software threshold value automatically ，in order to control the dosage and wastewater treatment progress. In addition，administrator could log into the server   to view the progress of wastewater treatment. Finally，the validity of the system design is verified through sample test.
Keywords：6LoWPAN；electroplating wastewater treatment；STM32

電鍍是鍍件在鍍槽中經(jīng)過化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)獲得金屬保護(hù)層的技術(shù)，具有對鍍件裝飾、提高硬度和耐磨性能、提高導(dǎo)電導(dǎo)磁性能等作用。鍍件功能要求各異，鍍種鍍液種類繁多，但電鍍廢水中含有的氰和重金屬離子等有害物質(zhì)是破壞環(huán)境的污染源。傳統(tǒng)電鍍廢水處理系統(tǒng)自動化程度低，效果有限且難于監(jiān)管［1-2］。因此 ，本文提出一套基于6LoWPAN（ 面向低功耗無線局域網(wǎng)的 IPv6）和STM32 處理器的可與互聯(lián)網(wǎng)通信的電鍍廢水自動監(jiān)測控制系統(tǒng)。首先介紹系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)架構(gòu)，然后詳細(xì)闡述控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)方案，最后進(jìn)行樣本實(shí)驗(yàn)，通過測試和計(jì)算結(jié)果評價系統(tǒng)性能。

1 系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計(jì)
6LoWPAN 網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)于其他無線傳感網(wǎng)絡(luò)的諸多特點(diǎn)，如低功耗、低成本、魯棒性強(qiáng)、布置簡單、維護(hù)方便、支持星型和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。6LoWPAN 網(wǎng)絡(luò)基于TCP/IP，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每個節(jié)點(diǎn)的IP 均可以在服務(wù)器上獲�。�3-4］。此外，6LoWPAN 還可在沒有任何基礎(chǔ)設(shè)施鋪墊的場景下實(shí)現(xiàn)微型設(shè)備互聯(lián)，足以滿足電鍍廢水處理系統(tǒng)對排放物含量實(shí)時監(jiān)測和控制任務(wù)。
開發(fā)的電鍍廢水自動監(jiān)控處理系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)利用IPv6 網(wǎng)絡(luò)，基于 6LoWPAN 和無線傳感網(wǎng)技術(shù)，在傳統(tǒng)電鍍廢水處理系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)配置電鍍廢水自動監(jiān)測控制部分，此部分包括監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、6LoWPAN 傳感網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測主機(jī)（數(shù)據(jù)服務(wù)器）三部分。利用新型傳感器［5］節(jié)點(diǎn)組成傳感網(wǎng)絡(luò)來實(shí)時監(jiān)測廢水中有害金屬離子含量信息，并實(shí)時計(jì)算有害金屬離子處理所需的化學(xué)藥劑量，在每一個加藥箱配置 6LoWPAN 繼電器控制開關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動控制加藥進(jìn)度和廢水處理速度。
6LoWPAN 傳感網(wǎng)自動監(jiān)測控制架構(gòu)如圖 2 所示。系統(tǒng)自動監(jiān)測控制部分采用物理層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層 、應(yīng) 用層三層架構(gòu) ，由 6LoWPAN 終端節(jié)點(diǎn)、6LoWPAN 網(wǎng)關(guān)及路由器 、服 務(wù)器組成。 其中6LoWPAN 終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集廢水處理過程中池內(nèi)有害物質(zhì)含量并通過6LoWPAN 網(wǎng)絡(luò)傳輸至6LoWPAN 網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)接收終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過路由器傳輸至監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)接收服務(wù)器和數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)器，用戶終端在訪問服務(wù)器時可查看各節(jié)點(diǎn)處各元素含量，從而給工作和管理人員提供決策支持和有效監(jiān)管。
 

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電鍍廢水自動監(jiān)測控制設(shè)備由電鍍廢水池、提升泵、加藥箱、反應(yīng)器、綜合收集池、混凝反應(yīng)池、沉淀池、污泥收集池、壓濾機(jī)、清水池、砂濾、碳濾、重金屬捕捉器、pH 電極、氰電極及重金屬離子傳感器等組成。N 條（N≥1）廢水處理線可同時處理，保證廢水處理速度；每條廢水處理線可根據(jù)有害物質(zhì)種類添加多個加藥箱，每一個廢水池、綜合收集池和污泥收集池配置超聲波液位監(jiān)測儀、pH 電極、氰電極和重金屬離子傳感器實(shí)時監(jiān)測廢水有害物質(zhì)含量并上傳數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)服務(wù)器；每個加藥箱配置 6LoWPAN 繼電器開關(guān)，可通過程序設(shè)定閾值或人為修改控制添加藥品量。
該系統(tǒng)廢水處理過程分為粗滴處理和細(xì)滴處理。粗滴處理過程為：電鍍廢水進(jìn)入廢水池后，由超聲波液位監(jiān)測儀測得廢水池液位數(shù)據(jù)，計(jì)算得到該池電鍍廢水總量，同時根據(jù)配置在廢水池的 pH電極、氰電極和重金屬離子傳感器等采集電鍍廢水的pH 值、氰離子和重金屬離子的質(zhì)量濃度，通過控制6LoWPAN 繼電器開關(guān)添加計(jì)算得出的所需藥品量。在反應(yīng)器中裝配攪拌機(jī)使電鍍廢水與添加藥品充分?jǐn)嚢璋l(fā)生反應(yīng)。細(xì)滴處理過程為：當(dāng)檢測到電鍍廢水的pH 值、氰離子與重金屬離子質(zhì)量濃度達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)時，停止攪拌并將廢水排放至綜合收集池進(jìn)行二次檢測以及精滴。精滴過程中，反應(yīng)池傳感器精度高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，且廢水與藥品混合后需一段時間后才可充分反應(yīng)，可根據(jù)實(shí)時監(jiān)測到的有害物質(zhì)含量自動調(diào)整藥品添加速度，反應(yīng)過程藥品添加速度可略慢。
待廢水與細(xì)滴添加的藥品充分反應(yīng)后，將廢水送入沉淀池，將電鍍廢液處理過程所產(chǎn)生的固體廢料分離，分離出水和電鍍污泥。據(jù)調(diào)查，一般新處理產(chǎn)生的電鍍污泥含水量可達(dá)75％~80％，經(jīng)砂濾、碳濾、重金屬捕捉等處理達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)后，可進(jìn)行排放或二次利用等。本系統(tǒng)面向電鍍廢水處理循環(huán)監(jiān)測確保排放符合國家標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)環(huán)保和生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)自動監(jiān)測控制部分采用物理層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用層三層架構(gòu)，其中應(yīng)用層由數(shù)據(jù)接收服務(wù)器和數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)器組成，在 3.3 詳細(xì)介紹。此部分僅介紹系統(tǒng)物理層和網(wǎng)絡(luò)層的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 物理層
本監(jiān)測系統(tǒng)集成多種電極和元素檢測傳感器，可以監(jiān)測pH 值和元素含量等多種參數(shù)，并通過繼電器控制加藥量和廢水處理速度。有害物質(zhì)檢測已有諸多方法發(fā)布［6］，本文重點(diǎn)闡述監(jiān)測信號處理設(shè)計(jì)及自動監(jiān)測控制方法。
超聲波液位監(jiān)測儀、pH 電極、氰電極和重金屬離子傳感器等在下文簡稱終端節(jié)點(diǎn)，用于獲取廢水池、電鍍池的液面位置、pH 值、氰和重金屬離子含量。終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。處理器模塊和無線通信模塊采用TI 公司的經(jīng)濟(jì)高效型超低功耗 片 上 系 統(tǒng)  CC2630。 處 理 器 模 塊 為STM32F103RET6 開發(fā)板 ，其 32 位的 ARM  CortexM3 主控制器具有 128KB 系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8KB緩存靜態(tài)RAM、JTAG 調(diào)試等，具有豐富外設(shè)。無線通信模塊由ARM Cortex-M0 協(xié)處理器內(nèi)核及RF 收發(fā)電路組成。繼電器模塊安裝于原電鍍廢水處理系統(tǒng)加藥箱開關(guān)處，控制器通過采集廢水池內(nèi)數(shù)據(jù)自動控制繼電器開關(guān)進(jìn)而控制滴定和廢水處理速度。此外，為了避免布線繁雜，提高設(shè)備安裝便攜度，本系統(tǒng)采用可充電鋰電池為終端節(jié)點(diǎn)提供電能。終端節(jié)點(diǎn)正常工作時，處理器和無線通信模塊供電3.3 V，信號采集及處理模塊供電5 V。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層
6LoWPAN 網(wǎng)關(guān)是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，主要實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，包括
與物理層終端節(jié)點(diǎn)傳感網(wǎng)絡(luò)的通信及應(yīng)用層數(shù)據(jù)服務(wù)器的通信，可實(shí)現(xiàn)接收信息數(shù)據(jù)、提供防火墻、訪問管理等功能。以 6LoWPAN 開發(fā)板為平臺，在Contiki 操作系統(tǒng)上運(yùn)行 6LBR 應(yīng)用程序和UDP 服務(wù)器程序，即可構(gòu)成IPv6 與IEEE802.15.4 協(xié)議之間的適配層，實(shí)現(xiàn)兩個網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)通信。6LoWPAN 網(wǎng)關(guān)硬件框圖如圖4 所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
結(jié)合本系統(tǒng)電鍍廢水自動監(jiān)測控制系統(tǒng)功能要求，需對系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)分為廢水自動檢測控制總體部分、6LoWPAN 網(wǎng)關(guān)部分、數(shù)據(jù)服務(wù)器部分和安全層部分。

3.1 電鍍廢水自動監(jiān)測控制系統(tǒng)
軟件設(shè)計(jì)基于Visual DSP++4.5 平臺，通過編寫控制函數(shù)對有害物質(zhì)濃度監(jiān)測并通過計(jì)算得到所需藥品量控制加藥箱處繼電開關(guān)。若處理結(jié)果符合排放標(biāo)準(zhǔn)，則執(zhí)行排放程序。系統(tǒng)監(jiān)測控制電鍍廢水處理流程如圖5 所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括終端節(jié)點(diǎn)同步串口初始化、CAN 同步初始化和時鐘初始化。再根據(jù)排放標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)需求設(shè)置元素含量閾值，若采集濃度數(shù)據(jù)符合粗滴范圍，加大加藥箱繼電器開關(guān)進(jìn)行粗滴，若元素含量進(jìn)入精滴范圍，則適當(dāng)減小開關(guān)，降低速度進(jìn)行精滴。元素含量達(dá)標(biāo)則終止加藥。

3.2 6LowPAN 網(wǎng)關(guān)
6LoWPAN 網(wǎng)關(guān)由contiki 嵌入式系統(tǒng)搭建的邊界路由器軟件和用于解析報(bào)文的LwIP 協(xié)議棧軟件組成，網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)如圖6 所示。邊界路由器搭建6LoWPAN 協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，經(jīng) IPv6 轉(zhuǎn)發(fā)連接互聯(lián)網(wǎng)傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器。

3.3 數(shù)據(jù)服務(wù)器
數(shù)據(jù)通過6LoWPAN網(wǎng)關(guān)連接上傳到數(shù)據(jù)接收服務(wù)器，系統(tǒng)各模塊控制程序文件放入服務(wù)器根目錄下，用 SQL Server 數(shù)據(jù)庫存儲終端收集的信息。在已有的無線設(shè)備基礎(chǔ)上，創(chuàng)建專用的 VLAN。通信安全使用 WPA 個人協(xié)議，每個無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用一個 256 位的密鑰加密 ，基于 HTTP 協(xié)議將按JSON 格式封裝的數(shù)據(jù)上傳至客戶端服務(wù)器。此外，為了確保整個網(wǎng)絡(luò)同步，6LoWPAN網(wǎng)關(guān)定期從HTTP 服務(wù)器獲取一個時間幀，傳送到其余的終端節(jié)點(diǎn)。

3.4 安全層使用
AES-128 位方案加密射頻傳輸數(shù)據(jù)。安全層負(fù)責(zé)解密接收端接收的加密射頻數(shù)據(jù)。此外，由于電池壽命是決定器件生命周期的主要因素，本文設(shè)計(jì)了幾種方案來盡量減小節(jié)點(diǎn)的能量消耗。例如，發(fā)送機(jī)和接收機(jī)進(jìn)行通信，根據(jù)雙方距離和連入的設(shè)備決定最佳供電水平，非傳輸時段則停用射頻模塊，采用低電量監(jiān)測和報(bào)警通知系統(tǒng)。為了避免多傳感器信息收集傳輸時產(chǎn)生數(shù)據(jù)擁塞而導(dǎo)致讀取失敗，引入防擁塞算法保證信息數(shù)據(jù)讀取成功率。

4 測試與分析
選取天津工業(yè)園區(qū)某電鍍廠實(shí)際產(chǎn)生的電鍍廢水為研究對象，對排入 2個廢水池的同源同量的電鍍廢水分別進(jìn)入到本文設(shè)計(jì)的電鍍廢水自動監(jiān)測控制處理系統(tǒng)和傳統(tǒng)的電鍍廢水處理系統(tǒng)，并分別進(jìn)行廢水處理。在兩個系統(tǒng)的排放端各取樣 3組 100 mL 樣本，分別標(biāo)記為樣本Ⅰ-1#，2#，3#和樣本Ⅱ-4#，5#，6#。樣本Ⅰ為本文設(shè)計(jì)的電鍍廢水自動監(jiān)測控制系統(tǒng)的排放物，樣本Ⅱ?yàn)閭鹘y(tǒng)電鍍廢水處理系統(tǒng)的排放物。使用單因子指數(shù)法分別測試樣本Ⅰ-1#，2#，3#和樣本Ⅱ-4#，5#，6#中鉻、鎳、銅、鋅離子的質(zhì)量濃度，測試結(jié)果列于表1。
 

使用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對經(jīng)過檢測的排放物污染指數(shù)進(jìn)行測定，計(jì)算公式為：

式中：Px為廢水中污染物的實(shí)測質(zhì)量濃度，單位mg/L；ρx為廢水污染指數(shù)；S為廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB21900-2008）［7］，國家一類有害物質(zhì)最高允許排放質(zhì)量濃度分別為：鉻1.0 mg/L（其中六價鉻 0.2 mg/L）、鎳 0.5 mg/L；銅、鋅等國家二類有害物質(zhì)最高允許排放質(zhì)量濃度分別為 0.5 mg/L和 1.5 mg/L。ρi為內(nèi)梅羅污染指數(shù)；ρmax為電鍍廢水中有害物質(zhì)量濃度的最大值，單位 mg/L；-ρ 為平均值，單位mg/L。根據(jù)表 1結(jié)果計(jì)算各樣本內(nèi)梅羅污染指數(shù)，結(jié)果如表 2所示。經(jīng)排放物測試，樣本Ⅰ較樣本Ⅱ有害物含量更少，其中樣本Ⅱ所含銅元素內(nèi)梅羅污染指數(shù)高于 1，屬于輕污染，其余屬于非污染水平；而

樣本Ⅰ即經(jīng)本文設(shè)計(jì)的電鍍廢水自動監(jiān)測控制系統(tǒng)處理后的廢水中所有測試元素均達(dá)到非污染水平。
通過電鍍廠現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)考察本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能。兩組廢水的金屬離子去除率隨廢水處理時間的變化如圖 7所示。可以看出，本文設(shè)計(jì)的電鍍廢水自動監(jiān)測控制系統(tǒng)對電鍍廢水中金屬離子的去除能力及處理速度均優(yōu)于傳統(tǒng)的廢水處理系統(tǒng)，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，更符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。
 

5 結(jié)語
針對傳統(tǒng)電鍍廢水處理系統(tǒng)普遍存在的問題，設(shè)計(jì)出一套基于6LoWPAN 的電鍍廢水自動監(jiān)測控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)借助于STM32 平臺，在傳統(tǒng)電鍍廢水處理系統(tǒng)中配置測量裝置和繼電開關(guān)，通過設(shè)計(jì)
6LoWPAN 網(wǎng)關(guān)等軟件部分實(shí)現(xiàn) 6LoWPAN 傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)相連，實(shí)時記錄廢水處理狀態(tài)并將數(shù)據(jù)存至服務(wù)器。在電鍍廠實(shí)測中，證明該系統(tǒng)有效提高電鍍廢水中金屬離子的去除效率和處理速度。該系統(tǒng)將有助于實(shí)現(xiàn)電鍍廢水的減量化、無害化和自動化處理。

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