1 引言
随着工业化进程的加快,污染排放量的不断增加,水污染问题日益严重,废水的处理更加受到世界各国的重视,因此保护水资源和防治水污染,是水资源可持续发展必须解决的问题。[1]我国的水污染问题经过多年的治理取得了一定的成绩,但形势仍然不容乐观。污水处理中的曝气设备是随着污水处理技术的深入研究和广泛应用逐渐发展起来的，已日益受到国内外水处理组织和企业界的高度关注。
曝气是指在污水处理过程中，利用充气或机械搅动等方法増大水与气体接触,进行溶氧或散除水中溶解性气体和挥发性物质的过程。[2]在环境工程水处理过程中经常需要使用曝气设备，运用曝气设备可以增加污水中的空气含量，这样能使空气中的氧气可以在污水之中快速移动，避免水池内的悬浮物下沉，同时也可以使水中的微生物可以充分与氧接触，达到分解有机物的目的。[3]
市场上曝气设备发展已经基本成熟，但是数据监控工作相对薄弱，设备数据的远程控制手段相对薄弱，没有相对统一的建设标准，取得的成果千差万别，不能统一的、有效的远程控制不同地理位置的曝气设备。因此，本文设计了曝气机远程智能控制系统，用以代替传统的有线控制，实现对不同地理位置的多台曝气设备的高效控制。
2曝气机信息监控系统设计
2.1 系统总体架构
本系统由曝气机主体部分和远程控制部分构成。太阳能曝气机主体部分包括太阳能板、电机控制器及电机等。以太阳能作为设备运转的直接动力，设置独特的旋切提拉曝气叶轮，通过叶轮旋转提升作用，将底部缺氧水转移到水体表面与表层富氧水混合;表层富含水通过离心旋转横向水平扩散、纵向进入底层缺氧区。
远程监控部分包括智能控制终端、服务云、网页监控系统、APP监控系统，系统通过GPRS构建通讯网络，实现数据的实时交互；并且通过GPS实现地理位置的监控，通过对电机的运行电压和电流的采集监测电机的运行情况、流量系统总体框架如图1所示。
图1 系统总体框架
3 智能控制终端
3.1 智能终端模块架构
本设计的智能终端主要包括数据采集控制模块和无线传输模块。模块架构如图2所示。每一个终端外设都有继电器、霍尔电流传感器和模数转换芯片。分别用来采集曝气机的电流、电压信息，并将
采集到的数据传输给主控MCU，经过滤波、整合等处理后，与所获取的当前时间与经纬度信息通过GPRS打包发送至云端服务器。终端模块还集成着主要由DS1302Z构成的实时时钟模块，可实现对采集周期的精准测量。并且本智能控制终端支持远程控制采集周期与曝气机状态，终端在接收到APP发送的数据包后，通过MCU控制继电器的状态来实现对曝气机的启停控制。
图2 终端模块架构
3.2 数据采集模块
数据采集控制模块采用32位微控制器STM32F103作为主控MCU；采用WHK20LSP5S2L霍尔电流传感器、高精度模数转换芯片ADS1115将直流电流与模拟电压转换为数字电压并传输给主控MCU。
WHK20LSP5S2L基于磁平衡式霍尔原理制成，具有结构简单、较高的测量精度、线性度好等优点，可以将0-20A的电流转换成模拟电压输出，转换公式为
可以通过增加线圈缠绕的匝数来提升精度。
ADS1115是具有内部基准的超小型、低功耗、16位模数转换器，能够以高达每秒860个采样数据(SPS)的速率将采集数据通过一个IIC型兼容串行接口输出。另外，ADS1115版上具有一个可编程增益放大器(PGA)，PGA可提供从±256mV到±6.144V的输入范围，从而实现精准的大小信号测量。此外，ADS1115还具有一个输入多路复用器(MUX)，可实现两次差动输入测量或四次单端输入测量。在ADS1114和ADS1115中可使用数字比较器进行欠压和过压检测。
3.3 数据传输模块
本设计采用的无线传输模块是由SIMCOM公司研发的工业级双频GSM/GPRS模块SIM868，工作频率为850/1800 MHz，可以低功耗实现发短信、打电话、GPRS传输数据、GPS等功能。该模块自带USART串口。MCU通过串口向SIM868模块发送相应AT指令，模块在获取指令后，自动完成GPRS和Internet的链接以及数据的传输。本设计通过HTTP协议传输数据。GPRS模块创建HTTP连接时所需的AT指令集见下表。同时，此模块支持GPRS功能，通过串口向SIM模块发送指令“AT+CGNSINF”后，会返回一组包含多种信息的字符串，不同信息以“,”隔开。如果前两个信息“GNSS run status”和“Fix status”的值都为‘1’，则说明定位成功，可以得到当前经纬度和时间。智能终端总共有三种数据包通过GPRS模块传输到云端服务器，通过两位标识符来区分不同数据包，传输测量信息的标识是33、传输地理位置信息的标识是22、获取参数修改信息请求的标识是44。数据无线传输流程图如图4所示。
图3 基于GPRS的无线数据传输流程
创建HTTP连接的AT指令集
AT指令 功能描述
AT+CPIN? 检查SIM卡状态
AT+CSQ 检查网络信号强度
AT+CGREG? 检查GPRS网络注册状态
AT+SAPBR=1,1 打开网络承载
AT+HTTPINIT 初始化HTTP服务
AT+HTTPPARA 设置HTTP参数值
AT+HTTPACTION=0 HTTP方式激活
AT+HTTPREAD 查询HTTP服务响应
AT+HTTPTERM 终止HTTP服务
4 监控系统
监控系统是满足用户需求的上位机操作系统，由后端云服务器和前端APP、网页显示构成。云端MySQL数据库储存着不同的用户信息和智能终端上传的数据信息，并通过相关组件对数据进行处理解析。用HTML编写动态Web网页界面，并在HTML中嵌入PHP语言编写的后台运行代码，操作云端MySQL数据库的数据信息，并借助一些组件来完成数据的处理操作。[4]Web端初始界面简洁明了，在登陆个人账户后，可以通过超链接的方式打开该系统的数据显示界面，并且可以添加新的设备信息和控制不同终端状态。如图四所示。
图4 系统初始界面
APP由JavaScript编写而成，具有与网页端相同的功能。并且，设有登陆、注册、注销界面，具有一定的安全性。
数据显示界面可以查看当天内的曝气机终端信息和地理位置信息，数据显示图分为折线图和柱状图，两者可以随意切换，并且可以通过时间条的拖动来查看不同时间段的历史数据图，以及远程控制地理位置信息的上传和曝气机的开关。另外，每台曝气机都有固定的管理者信息以及最近一次上传的当前电压、电流、流量和经纬度数据。用户可以通过添加设备来输入设备号、设备名称以及存放位置等相关信息。如图5所示。
图5 数据显示界面
5 结束语
该智能控制系统将曝气机主体部分与远程监控部分相结合，利用霍尔电流传感器和模数转换芯片进行数据采集，以SIM868模块作为无线传输模块，通过GPRS无线通信将智能终端的数据包发送至云端数据库，实现曝气机的远程监控。监控系统以MySQL数据库为核心，通过PHP后台程序与数据检测端进行信息交互，将智能终端发送的数据解析储存到MySQL数据库，并将对智能终端的控制信息发送到终端。通过网页端和APP端与MySQL数据库进行数据交互。实现对远程智能终端系统的控制。