鄒俊榮，王婧婷，劉 銳，陶新民，沈 微

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

0 引 言

火力發(fā)電作為中國最大的化石能源消耗行業(yè)，在推進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)不可避免地導(dǎo)致了環(huán)境污染。當(dāng)能源投入過量時(shí)，不僅會造成化石燃料的不完全燃燒，加劇污染廢氣等排放，還會造成生產(chǎn)系統(tǒng)的阻塞效應(yīng)，使得發(fā)電量減少。能源投入過量帶來的阻塞效應(yīng)給生產(chǎn)系統(tǒng)帶來了較大的破壞性，這是一種能源資源極度浪費(fèi)的現(xiàn)象[1]。幾十年來，以煤為基礎(chǔ)的火力發(fā)電廠是碳排放的主要來源之一，火力發(fā)電釋放出大量有毒產(chǎn)物，如一氧化碳、一氧化氮、PM2.5以及對環(huán)境和人類健康有害的重金屬[2]。礦物燃料的使用在很大程度上是造成污染增加和氣候變化的主要原因[3]。新時(shí)代下，物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)引起廣泛關(guān)注，物聯(lián)網(wǎng)逐漸應(yīng)用在水資源監(jiān)測中[4-5]。

自行監(jiān)測是排污許可制度的重要技術(shù)支撐，但火力發(fā)電行業(yè)自行監(jiān)測質(zhì)量參差不齊[6]。因此，加強(qiáng)對火力發(fā)電廠污染物的監(jiān)管刻不容緩。文章將基于GPRS遠(yuǎn)程通信技術(shù)的SIM800A模塊與高性能STM32F103C8T6處理器相結(jié)合，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)距離監(jiān)測并傳送火力發(fā)電排放物中PM2.5、二氧化碳、二氧化硫的含量的裝置，并結(jié)合遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)，對超標(biāo)企業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)監(jiān)管的智能化。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

基于GPRS的火力發(fā)電排放物的監(jiān)管系統(tǒng)主要是排放物中污染物指標(biāo)的監(jiān)測裝置與遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)之間相互配合，共同作用。排放物中污染物指標(biāo)的監(jiān)測裝置對排放物中的PM2.5、二氧化碳、二氧化硫濃度進(jìn)行監(jiān)測并發(fā)送，服務(wù)器接收由污染物指標(biāo)的監(jiān)測裝置監(jiān)測并發(fā)送的數(shù)據(jù)?？蛻舳说纳衔粰C(jī)軟件對從服務(wù)器獲取的污染物指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對處理并顯示出指標(biāo)數(shù)據(jù)和比對簇狀圖，遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)對污染物指標(biāo)的監(jiān)測裝置監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，判斷是否罰款，并在遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)的客戶端上顯示出來，然后由工作人員手動輸入是否上繳罰款，從而達(dá)到加大對火力發(fā)電場的監(jiān)管力度的目的。

2 火力發(fā)電污染物指標(biāo)監(jiān)測裝置

2.1 硬件設(shè)計(jì)

基于GPRS的污染物指標(biāo)監(jiān)測裝置主要由電源模塊、GPRS遠(yuǎn)程通信模塊、按鍵控制模塊、STM32F103C8T6模塊、二氧化硫傳感器模塊、二氧化碳傳感器模塊、灰塵傳感器模塊以及OLED顯示模塊組成，如圖1所示。

圖1 污染物監(jiān)測裝置組成

基于GPRS的污染物指標(biāo)監(jiān)測裝置的電源模塊用來為其他模塊供電；GPRS遠(yuǎn)程通信模塊用來遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，型號為SIM800A；按鍵控制模塊用來切換顯示指標(biāo)；二氧化硫傳感器模塊用來監(jiān)測二氧化硫濃度，型號為JXM-S02；二氧化碳傳感器模塊用來監(jiān)測二氧化碳濃度，型號為MH-Z19；灰塵傳感器模塊用來監(jiān)測PM2.5濃度，型號為GP2Y1010AU0F；OLED顯示模塊用于下機(jī)位顯示污染物指標(biāo)數(shù)據(jù)。

基于GPRS的排放物中污染物指標(biāo)監(jiān)測裝置的電源模塊包括5 V/1 A電池組、TP4056充電保護(hù)板以及3.3 V電平轉(zhuǎn)換電路。STM32F103C8T6模塊由處理器STM32F103C8T6、8 MHz主晶振電路、RTC晶振電路、復(fù)位電路、BOOT選擇電路以及SWD調(diào)試接口電路組成，STM32F103C8T6模塊還與OLED顯示模塊相連接。

2.2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

火力發(fā)電排放物中污染物指標(biāo)的監(jiān)測裝置是基于GPRS的火力發(fā)電排放物監(jiān)管系統(tǒng)中的下機(jī)位系統(tǒng)，先調(diào)通串口通信，通信實(shí)現(xiàn)后按照Modbus協(xié)議的框架發(fā)送數(shù)據(jù)，對污染物指標(biāo)的監(jiān)測裝置核心部分STM32F103C8T6編寫下位機(jī)的程序。

下位機(jī)程序通過USART串行通信、三串口同時(shí)收發(fā)消息等通信方式把GPRS遠(yuǎn)程通信模塊、二氧化硫傳感器模塊、二氧化碳傳感器模塊、PM2.5傳感器模塊、OLED顯示模塊以及按鍵控制模塊的功能相結(jié)合，并與STM32F103C8T6模塊連接，使整個(gè)系統(tǒng)持續(xù)有效地發(fā)揮作用。下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 下位機(jī)設(shè)計(jì)流程圖

下位機(jī)在獲取污染物含量數(shù)據(jù)后，對各數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并將整合后的數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD顯示模塊，繪制數(shù)據(jù)函數(shù)圖像并顯示，然后啟動GPRS通信模塊，按照設(shè)定好的時(shí)間，發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，并將發(fā)送的數(shù)據(jù)和發(fā)送時(shí)間存儲到存儲單元中。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)主要由三大部分組成，即遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)、服務(wù)器數(shù)據(jù)庫和上位機(jī)軟件。

遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)的工作界面可進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示、比對簇狀圖的顯示以及近期含量變化的折線圖的顯示，能夠遠(yuǎn)距離監(jiān)測到排放物中污染物的含量，來確定是否罰款及罰款力度。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié) 語

對基于GPRS的火力發(fā)電排放物監(jiān)管系統(tǒng)進(jìn)行研究，該系統(tǒng)主要由基于GPRS的污染物濃度監(jiān)測裝置和遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)組成。GPRS 遠(yuǎn)程通信模塊運(yùn)行穩(wěn)定，相對于有線傳輸技術(shù)，降低了維護(hù)成本和搭建成本。遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)協(xié)同污染物指標(biāo)監(jiān)測裝置將設(shè)備與上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)了污染物濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)及時(shí)存儲在數(shù)據(jù)庫中，防止了極端天氣下數(shù)據(jù)的丟失。但該系統(tǒng)監(jiān)測的污染物濃度在傳輸過程中易受到氣候等因素的干擾而影響監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，需要在應(yīng)用中加以完善。