摘要：針對目前電鍍行業廢水處理系統自動化程度低、難監管、不環保的現狀，提ft一套基于
6LoWPAN 的電鍍廢水自動監測控制系統。本系統基于STM32 微控制器建立6LoWPAN 傳感網絡，在傳統電鍍廢水處理系統中配置檢測電極及重金屬離子傳感器，可實時監測電鍍廢水處理進程并上傳數據至服務器，控制器根據當前元素含量及軟件設置閾值自動控制安裝于加藥箱的繼電開關，以控制加藥量和廢水處理進度。此外，管理員可隨時登錄服務器查看廢水處理進度。通過樣本測試證明本文提ft的系統對電鍍廢水處理的時效性明顯提高。
關鍵詞：6LoWPAN；電鍍廢水處理；STM32中圖分類號：TQ 056.8 文獻標識碼：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過化學或電化學反應獲得金屬保護層的技術，具有對鍍件裝飾、提高硬度和耐磨性能、提高導電導磁性能等作用。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是破壞環境的污染源。傳統電鍍廢水處理系統自動化程度低，效果有限且難于監管［1-2］。因此 ，本文提出一套基于6LoWPAN（ 面向低功耗無線局域網的 IPv6）和STM32 處理器的可與互聯網通信的電鍍廢水自動監測控制系統。首先介紹系統的工作原理和系統架構，然后詳細闡述控制系統硬件和軟件設計方案，最后進行樣本實驗，通過測試和計算結果評價系統性能。
1 系統工作原理及總體設計
6LoWPAN 網絡具有優于其他無線傳感網絡的諸多特點，如低功耗、低成本、魯棒性強、布置簡單、維護方便、支持星型和網狀拓撲結構等。6LoWPAN 網絡基于TCP/IP，網絡內每個節點的IP 均可以在服務器上獲取［3-4］。此外，6LoWPAN 還可在沒有任何基礎設施鋪墊的場景下實現微型設備互聯，足以滿足電鍍廢水處理系統對排放物含量實時監測和控制任務。
開發的電鍍廢水自動監控處理系統框圖如圖1所示。系統利用IPv6 網絡，基于 6LoWPAN 和無線傳感網技術，在傳統電鍍廢水處理系統基礎上設計配置電鍍廢水自動監測控制部分，此部分包括監測節點、6LoWPAN 傳感網絡和監測主機（數據服務器）三部分。利用新型傳感器［5］節點組成傳感網絡來實時監測廢水中有害金屬離子含量信息，并實時計算有害金屬離子處理所需的化學藥劑量，在每一個加藥箱配置 6LoWPAN 繼電器控制開關，實現自動控制加藥進度和廢水處理速度。
6LoWPAN 傳感網自動監測控制架構如圖 2 所示。系統自動監測控制部分采用物理層、網絡傳輸層 、應 用層三層架構 ，由 6LoWPAN 終端節點、6LoWPAN 網關及路由器 、服 務器組成。 其中6LoWPAN 終端節點負責采集廢水處理過程中池內有害物質含量并通過6LoWPAN 網絡傳輸至6LoWPAN 網關，網關負責接收終端節點的數據，通過路由器傳輸至監測中心的數據接收服務器和數據應用服務器，用戶終端在訪問服務器時可查看各節點處各元素含量，從而給工作和管理人員提供決策支持和有效監管。
本系統設計的電鍍廢水自動監測控制設備由電鍍廢水池、提升泵、加藥箱、反應器、綜合收集池、混凝反應池、沉淀池、污泥收集池、壓濾機、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有害物質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測儀、pH 電極、氰電極和重金屬離子傳感器實時監測廢水有害物質含量并上傳數據至數據服務器；每個加藥箱配置 6LoWPAN 繼電器開關，可通過程序設定閾值或人為修改控制添加藥品量。
該系統廢水處理過程分為粗滴處理和細滴處理。粗滴處理過程為：電鍍廢水進入廢水池后，由超聲波液位監測儀測得廢水池液位數據，計算得到該池電鍍廢水總量，同時根據配置在廢水池的 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量濃度，通過控制6LoWPAN 繼電器開關添加計算得出的所需藥品量。在反應器中裝配攪拌機使電鍍廢水與添加藥品充分攪拌發生反應。細滴處理過程為：當檢測到電鍍廢水的pH 值、氰離子與重金屬離子質量濃度達到排放標準時，停止攪拌并將廢水排放至綜合收集池進行二次檢測以及精滴。精滴過程中，反應池傳感器精度高、數據準確，且廢水與藥品混合后需一段時間后才可充分反應，可根據實時監測到的有害物質含量自動調整藥品添加速度，反應過程藥品添加速度可略慢。
待廢水與細滴添加的藥品充分反應后，將廢水送入沉淀池，將電鍍廢液處理過程所產生的固體廢料分離，分離出水和電鍍污泥。據調查，一般新處理產生的電鍍污泥含水量可達75％~80％，經砂濾、碳濾、重金屬捕捉等處理達到國家標準后，可進行排放或二次利用等。本系統面向電鍍廢水處理循環監測確保排放符合國家標準，實現環保和生產的可持續發展。
2 系統硬件設計
系統自動監測控制部分采用物理層、網絡傳輸層、應用層三層架構，其中應用層由數據接收服務器和數據應用服務器組成，在 3.3 詳細介紹。此部分僅介紹系統物理層和網絡層的硬件結構設計。
2.1 物理層
本監測系統集成多種電極和元素檢測傳感器，可以監測pH 值和元素含量等多種參數，并通過繼電器控制加藥量和廢水處理速度。有害物質檢測已有諸多方法發布［6］，本文重點闡述監測信號處理設計及自動監測控制方法。
超聲波液位監測儀、pH 電極、氰電極和重金屬離子傳感器等在下文簡稱終端節點，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。終端節點硬件結構如圖 3 所示。處理器模塊和無線通信模塊采用TI 公司的經濟高效型超低功耗 片 上 系 統 CC2630。 處 理 器 模 塊 為STM32F103RET6 開發板 ，其 32 位的 ARM CortexM3 主控制器具有 128KB 系統內可編程閃存、8KB緩存靜態RAM、JTAG 調試等，具有豐富外設。無線通信模塊由ARM Cortex-M0 協處理器內核及RF 收發電路組成。繼電器模塊安裝于原電鍍廢水處理系統加藥箱開關處，控制器通過采集廢水池內數據自動控制繼電器開關進而控制滴定和廢水處理速度。此外，為了避免布線繁雜，提高設備安裝便攜
度，本系統采用可充電鋰電池為終端節點提供電能。終端節點正常工作時，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 網絡層
6LoWPAN 網關是整個網絡的核心，主要實現無線傳感網絡和互聯網之間的協議轉換，包括
與物理層終端節點傳感網絡的通信及應用層數據服務器的通信，可實現接收信息數據、提供防火墻、訪問管理等功能。以 6LoWPAN 開發板為平臺，在Contiki 操作系統上運行 6LBR 應用程序和UDP 服務器程序，即可構成IPv6 與IEEE802.15.4 協議之間的適配層，實現兩個網絡互聯通信。6LoWPAN 網關硬件框圖如圖4 所示。
3 系統軟件設計
結合本系統電鍍廢水自動監測控制系統功能要求，需對系統進行軟件設計。軟件設計分為廢水自動檢測控制總體部分、6LoWPAN 網關部分、數據服務器部分和安全層部分。
3.1 電鍍廢水自動監測控制系統
軟件設計基于Visual DSP++4.5 平臺，通過編寫控制函數對有害物質濃度監測并通過計算得到所需藥品量控制加藥箱處繼電開關。若處理結果符合排放標準，則執行排放程序。系統監測控制電鍍廢水處理流程如圖5 所示。首先進行系統初始化，包括終端節點同步串口初始化、CAN 同步初始化和時鐘初始化。再根據排放標準或企業需求設置元素含量閾值，若采集濃度數據符合粗滴范圍，加大加藥箱繼電器開關進行粗滴，若元素含量進入精滴范圍，則適當減小開關，降低速度進行精滴。元素含量達標則終止加藥。
3.2 6LowPAN 網關
6LoWPAN 網關由contiki 嵌入式系統搭建的邊界路由器軟件和用于解析報文的LwIP 協議棧軟件組成，網關軟件架構如圖6 所示。邊界路由器搭建6LoWPAN 協議棧實現數據收發，經 IPv6 轉發連接互聯網傳至數據服務器。
3.3 數據服務器
數據通過6LoWPAN網關連接上傳到數據接收服務器，系統各模塊控制程序文件放入服務器根目錄下，用 SQL Server 數據庫存儲終端收集的信息。在已有的無線設備基礎上，創建專用的 VLAN。通信安全使用 WPA 個人協議，每個無線網絡設備使用一個 256 位的密鑰加密 ，基于 HTTP 協議將按JSON 格式封裝的數據上傳至客戶端服務器。此外，為了確保整個網絡同步，6LoWPAN網關定期從HTTP 服務器獲取一個時間幀，傳送到其余的終端節點。
3.4 安全層使用
AES-128 位方案加密射頻傳輸數據。安全層負責解密接收端接收的加密射頻數據。此外，由于電池壽命是決定器件生命周期的主要因素，本文設計了幾種方案來盡量減小節點的能量消耗。例如，發送機和接收機進行通信，根據雙方距離和連入的設備決定最佳供電水平，非傳輸時段則停用射頻模塊，采用低電量監測和報警通知系統。為了避免多傳感器信息收集傳輸時產生數據擁塞而導致讀取失敗，引入防擁塞算法保證信息數據讀取成功率。
4 測試與分析
選取天津工業園區某電鍍廠實際產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入到本文設計的電鍍廢水自動監測控制處理系統和傳統的電鍍廢水處理系統，并分別進行廢水處理。在兩個系統的排放端各取樣 3組 100 mL 樣本，分別標記為樣本Ⅰ-1#，2#，3#和樣本Ⅱ-4#，5#，6#。樣本Ⅰ為本文設計的電鍍廢水自動監測控制系統的排放物，樣本Ⅱ為傳統電鍍廢水處理系統的排放物。使用單因子指數法分別測試樣本Ⅰ-1#，2#，3#和樣本Ⅱ-4#，5#，6#中鉻、鎳、銅、鋅離子的質量濃度，測試結果列于表1。
使用內梅羅污染指數法對經過檢測的排放物污染指數進行測定，計算公式為：
式中：Px為廢水中污染物的實測質量濃度，單位mg/L；ρx為廢水污染指數；S為廢水排放標準，根據電鍍污染物排放標準（GB21900-2008）［7］，國家一類有害物質最高允許排放質量濃度分別為：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最高允許排放質量濃度分別為 0.5 mg/L和 1.5 mg/L。ρi為內梅羅污染指數；ρmax為電鍍廢水中有害物質量濃度的最大值，單位 mg/L；-ρ 為平均值，單位mg/L。根據表 1結果計算各樣本內梅羅污染指數，結果如表 2所示。經排放物測試，樣本Ⅰ較樣本Ⅱ有害物含量更少，其中樣本Ⅱ所含銅元素內梅羅污染指數高于 1，屬于輕污染，其余屬于非污染水平；而
樣本Ⅰ即經本文設計的電鍍廢水自動監測控制系統處理后的廢水中所有測試元素均達到非污染水平。
通過電鍍廠現場實測數據考察本文設計系統的性能。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，本文設計的電鍍廢水自動監測控制系統對電鍍廢水中金屬離子的去除能力及處理速度均優于傳統的廢水處理系統，達到預期目標，更符合環保標準。
5 結語
針對傳統電鍍廢水處理系統普遍存在的問題，設計出一套基于6LoWPAN 的電鍍廢水自動監測控制系統。該系統借助于STM32 平臺，在傳統電鍍廢水處理系統中配置測量裝置和繼電開關，通過設計
6LoWPAN 網關等軟件部分實現 6LoWPAN 傳感網與互聯網相連，實時記錄廢水處理狀態并將數據存至服務器。在電鍍廠實測中，證明該系統有效提高電鍍廢水中金屬離子的去除效率和處理速度。該系統將有助于實現電鍍廢水的減量化、無害化和自動化處理。
參考文獻
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