具体实施方式

实施例1：以下结合各个附图对本发明进行详细的说明：

本发明是基于微型计算机树莓派作为核心硬件框架，实现对污水设备的数据采集、检测、控制以及网络通讯功能。

本发明的MCU控制单元2采用安装了Client/Server结构的智慧水务监控系统软件(如图2所示)。本系统软件采用了近年来较新的开发平台，底层通讯采用socket，并提供了软件监控接口，极大提升了数据处理能力和移动端扩展性。

监控系统由服务端Server、客户端Client、主控模块和子模块构成。Server只作为数据转接口，系统的主要功能在于控制模块3(包括主控模块和子模块)。系统子功能采用模块化封装，增强扩展性。

在本系统中，MCU控制单元2作为服务端Server，子站点客户端5作为客户端Client，控制模块3包含主控模块和子模块。

本系统软件固化在MCU控制单元2上，软件分为两大部分设计，即系统逻辑控制设计和通讯设计。系统逻辑控制包括：数据采集、数据转换、运行参数、读取配置参数和数据处理、控制输出等(如图3所示)；通讯部分包括：服务端Server和客户端Client通讯，客户端数据转换、读取转换的控制指令(如图2所示)。设计时需考虑到这两个部分是可以相互独立运行，互不影响。如当通讯部分故障时，并不影响系统的控制运行。

本基于树莓派的污水远程监控系统，主要部分包括数据采集模块1、MCU控制单元2、控制模块3、执行机构4、子站点客户端5、服务器平台接口6、远程控制终端7；

如图1所示、数据采集模块1采集污水站点的数据和电机设备数据并通过485总线联通MCU控制单元2。MCU控制单元2通过485总线电性相联控制模块3；控制模块3和执行机构4电性相联以便作业，执行机构4作用于污水站点并由数据采集模块1采集相关数据，故数据采集模块1分为污水数据采集模块1和设备数据采集模块1，而设备数据采集模块1中包含有电流采集模块和压力温度监控模块(设备数据采集模块1中包含有电流采集模块以便采集各个电机电流I的数据，还可以根据需要设置扩展相应的模块)；污水数据采集模块1所采集的污水数据包括污水出水氨氮NH3、进水流量FT、溶氧值DO、水池深度H等数据，而设备数据采集模块1所采集的电机设备数据包括风机压力P、各个电机电流I、环境温度T等数据。

MCU控制单元2与子站点客户端5电性相联进行数据转换，子站点客户端5通过TCP/IP协议同服务器平台接口6建立通讯关系，服务器平台接口6电性相联远程控制终端7以便远程监控；所述的执行机构4是污水站点的电机设备，同时污水站点设置有污水处理设备和监控设备，以便实施作业。

数据采集模块1：

关于数据采集模块1的说明：

软件需要采集的模拟量数据有两种：4-20mA模拟量信号、0-5V模拟量信号。配置文件为污水数据参数“AnalogQuantityMaParameters”、设备电流“ElectricCurrentsParameters”，使用的方法和以下模块扩展配置相同。

数据采集模块1采集的数据有两种：模拟量数据和开关量数据，开关量数据是电机设备数据。数据采集的方法为，利用485总线轮询扫描，建立轮询命令队列，间隔时间刷新数据。对于模拟量数据，采集完成后，要将数据进行工程量转换。

在数据采集的过程中，轮询扫描会检测连接系统的模块是否实际存在。如果未检测到系统模块，会将采集数据的寄存器全部清零。错误信息输出主要是对总线上的错误进行检测，然后在系统控制台打印出错误。数据采集流程如图6所示。

数据采集函数为有两个，分别是模拟量数据采集函数client.readHoldingRegisters(address，length)和开关量数据采集函数client.readCoils(address，length)。具体信息如下：

模拟量函数读取到的值为字为单位，需要知道设备的地址和读取的长度。

函数名：client.readHoldingRegisters(address，length)

开关量状态读取函数和模拟量读取函数类似，也需要知道设备的地址和需要读取的长度。但是开关量读取到的是布尔量。

函数名：client.readCoils(address，length)

模拟量采集后需要转换成工程量单位，根据控制系统的需要传递转换的数据、最大量程和最小量程。使用函数getValue(data，minValue，maxValue)。

函数名：getValue(data，minValue，maxValue)

MCU控制单元2：

MCU控制单元2为微控制单元。微控制单元(Microcontroller Unit；简称MCU)，又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)或者单片机，是把中央处理器(CentralProcess Unit；CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。MCU控制单元2通过485总线联通控制模块3。MCU控制单元2与子站点客户端5电性相联进行数据转换。

MCU控制单元2安装有Client/Server结构的智慧水务监控系统软件，本系统软件的底层通讯采用socket，并提供了软件监控接口(可以为各种编程语言编写成数据采集软件)，极大提升了数据处理能力和移动端扩展性(见图2)。

控制模块3：

1、控制模块3和执行机构4电性相联以便作业；控制模块3包括主控程序模块、控制方法模块、通讯方法类模块、路由模块、node js库模块。控制模块3采用配置文件的形式增减模块。控制模块3还包括路由模块作为从属功能模块。

2、关于控制模块3的各个说明：

系统详细的模块信息表如下

2.1 关于配置文件的形式内容说明：

本系统软件使用方法主要是配置文件的使用及控制功能的修改，配置文件主要作用是对每个站点的ID、名称、电机泵自动启停的时间、启停液位进行初步配置，同时可以扩展；控制功能的修改需要在主程序相应的位置进行改动，根据实际需要更改逻辑。配置和修改后要保存文件后重启系统即可运行。其功能说明如下：

配置文件名称为“SiteConfig”，参数如下：

{

″ID″：″XXX″，

″name″：″XXX″

}

文件中″ID″是所属站点的编号，由调试人员根据需要协商确定，按调试时间的先后顺序编号，以便在网络通讯中提供ID识别。

″name″为配置站点的名称，一般根据实际名称填写。

2.2 利用配置文件的增减模块来进行扩展配置

主要是开关量模块的配置，用于对模块的点位对应实际的设备。这里有两个文件，设备名称文件“Equipments”、设备点位配置文件“EquipmentToRelayConfig”和继电器模块文件“RelayParameters”。“Equipments”如下

[

″风机″，

″清水泵″，

″#1提升泵″，

″#2提升泵″，

″#1回流泵″，

″#2回流泵″，

......

]

以上中括号中的名称即为污水站点各个电机泵对应的名称，根据实际需要填写，注意名称要区别，否则在软件运行时反馈的信息，不同的点位会出现相同的名称。“EquipmentToRelayConfig”如下：

[{

″ID″：3，

″index″：1，

″name″：″风机″，

″code″：″fj″}，

{″ID″：3，

″index″：2，

″name″：″清水泵″，

″code″：″qsb″}，

......

以上参数中″ID″是模块号；″index″是该模块对应硬件点位的顺序号；″name″和″code″的内容由调试人员确定，一般按实际设备填写。注意顺序和“Equipments”里面的名称一一对应。

“RelayParameters”文件作为模块的基本配置，如下：

[

{″ID″：3，

″length″：10，

″address″：″0″，

″type″：0}

]

参数″ID″为485通讯中模块的ID号，由厂家或者调试人员事先设定；

″length″为模块输出或者输入的点数量；

″address″为寻址开始地址，有产品制造厂家规定；

″type″为寄存器类型。

注意的是模块可以任意扩展，如需要增加一个模块时，按照原格式，在大括号内填写参数如{″ID″：16，″length″：12，″address″：″0x0008″，″type″：0}，再用逗号隔开。

2.3 运行参数配置功能说明

配置文件名称为“SiteRunParameter”、“FanlRunTimes”、“FanlRunTimes”，作用分别是配置站点自动化运行的液位参数、温度参数，一级风机运行时间参数。根据配置文件的英文名称就可以确定参数的含义，对参数的更改即可实现对程序自动化运行逻辑进行更改。如“SiteRunParameter”

{

″ID″：0， //模块ID

″cleanPumpStopValue″：1， //清水泵自动停止液位/m

″cleanPumpStartValue″：2， //清水泵自动启动液位/m

″hoistPumpStopValue1″：1， //1#提升泵自动停止液位/m

″hoistPumpStartValue1″：1.5， //1#提升泵自动启动液位/m

″hoistPumpStopValue2″：1， //2#提升泵自动停止液位/m

″hoistPumpStartValue2″：1.6， //2#提升泵自动启动液位/m

″fanStopTemperature″：28， //散热风扇关闭温度/℃

″fanStartTemperature″：35， //散热风扇启动温度/℃

......

}

2.4控制逻辑修改功能说明

如对现有的自动控制功能不满意，要进行修改，则需要在树莓派系统内，使用软件VS code打开程序，在主程序app.js中进行修改，修改后保存程序，重启系统。

本系统采用的软件提供文件配置功能，以提高系统的灵活性和扩展性。包括站点参数配置、运行参数配置、扩展模块配置(如图4)。以上参数配置需手动修改配置文件，按实际需求更改即可。注意修改后需要保存并重启系统。

外部模块和系统连接采用485总线。系统可以是Windows或者Linux，通过USB转串口连接模块。当选择不同的系统时需要设置不同的串口路径。串口设置函数功能块如下：

函数名：client.connectRTU()

根据模块配置后的信息，在模块连接到总线后，系统会根据配置信息去读取模块的状态，并根据程序需要去对模块输出开启和停止。控制流程如图5所示：

图5中控制模块3程序输出需要使用的函数分为两种：

(1)使用485总线通讯方式的switchRelay(index，t，callback)；

(2)直接驱动硬件输出的Gpio.open()；

本系统中Gpio.open()函数只做为软件模块封装，以便备用。图5中的扫描读取模块在数据采集模块中有详细说明。

函数名：switchRelay(index，t，callback)

执行机构4：

执行机构4作业于污水站点并由所述的数据采集模块1采集相关数据，执行机构4是污水站点的电机设备，电机设备数据反映当前设备运行状态，并由控制系统根据状态判断故障；环境温度T则监控温度及控制散热风扇的启停。

子站点客户端5：

子站点客户端5通过TCP/IP协议同服务器平台接口6建立通讯关系。子站点客户端5由树莓派作为控制核心并通过树莓派嵌入式系统构建而成，所述的子站点客户端5和MCU控制单元2形成数据转换，并把转换后的数据连接到服务器平台接口6，再进行远程控制终端7的控制。

服务器平台接口6：服务器平台接口6电性联接远程控制终端7以便远程监控

这里接口主要是指软件的接口，由Client端提供接口名称。在和Server端通讯的过程中不断接收来自Server端的指令。这些指令直接作为接口对象，提供上位软件接入进行控制。

Client端监听Server端发送的命令数据(接收接口数据)，然后不断解析数据，解析后进行判断接口属性和控制(写入数据和捕获数据)(如图8所示)。

子站点客户端5和服务器平台接口6的通讯功能描述：

在数据转换之后，需要将数据发送到服务器。系统通讯采用Socket和服务器连接。Client端通讯建立流程首先建立监听端口号，服务器IP，然后监听数据。另外为提高系统的恢复故障能力和容错率，还需要检测接收包数据，一旦发现一定时间内接受不到数据应报故障和作出响应。

在这里，一个socket是一个EventEmitter(也就是编程软件本身的核心模块，是一个异步驱动构架)。它可能会触发″connect″，″end″，″timeout″，″drain″，″close″事件。这样，很自然地可以把”error“作为另外一种可以被触发的事件。

由此，可以根据这个驱动构架去建立我们所需的通讯机制。具体通讯流程如图7所示：

使用的通讯函数为tcpClient.connect(serverPort，serverIP，function(){})和tcpClient.on。主要用于设置网络参数并连接。

函数名：tcpClient.connect(serverPort，serverIP，function(){})

函数名：tcpClient.on(string，function(){})

远程控制终端7：

通过远程数据通讯，能够实现对执行机构4的控制，比如电机设备数据反映当前设备运行状态，并由控制系统根据状态判断故障；环境温度T则监控温度及控制散热风扇的启停。用到的设备比如显示屏、电脑或者智能手机。

污水站点：

污水站点设置有污水处理设备和监控设备，以便实施作业。

系统的作业原理过程：

由于执行机构4和污水站点设备都与数据采集模块1电性相联，本发明的数据采集模块1采集污水站点的污水水质数据和设备运行数据并通过485总线联接到MCU控制单元2；到达MCU控制单元2的相关数据经过数据转换进入子站点客户端5，由于子站点客户端5和服务器平台接口6之间利用TCP/IP双向通讯，而服务器平台接口6和远程控制终端7也是双向通讯，故可以实时监控。由远程控制终端7发出的数据命令经过服务器平台接口6(预留接口，是方便第三方监控平台接入)，到达子站点客户端5，再经过数据转换进入到MCU控制单元2，再由控制模块3向执行机构4发出命令，完成对应命令的作业。