无线通信技术在智能化污水处理系统中的应用与评估
苏州来科 
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1.1 联网的污水处理机构
污水处理全过程涉及对水泵、搅拌机等机动模块的控制、物料管理与投放、人力资源分配、异常状况示警、数据上传与利用等。控制模块集成在各设备之中，负责控制个别或者一组功能模块自主运行以及响 应指令，还需要轮询各个设备，获得工况信息。为此，必须保证设备、工厂、集控中心联网，设备中必须 有内建的通信模块。长距离传输或者某些电磁波易 被衰减或屏蔽的特殊情况下，如下水井下的设备与地 面设备的通信，一般采用有线通信方式。
1.2 自动化配电系统
配电自动化系统的主要功能是使配电企业能够从远处对配电设备进行实时监控、协调和操作，这一 系统包括配电网数据采集和监控、配电网地理信息系 统和需求侧管理。目前，中国主要采用配电主站、分站、馈电终端 3 层结构。光纤通信是实现馈线自动化 的主要途径。
1.3 传感器网络
传感器网络监视和控制污水处理过程中的各个参数，实时收集大量的信息。若能进一步将传感器技 术和物联网平台技术结合，还可能预测设备的故障， 进行“预测性维护”。
1.4 智能服务器
智能服务器获得各模块的工作状态，处理分析信 息并依此发出控制命令，并能够将数据转发给相关服 务器进行进一步处理与分析。智能服务器的建设需 要大数据的支撑。
1.5 远程控制平台
远程控制平台主要负责远程监控和控制联网设备，以及将处理后的数据可视化，让相关人员能够实时监测污水情况、工作状态并作出反应。由于数据 量巨大，需在前期进行数据筛选和预处理工作，涉及 的算法和其他计算机技术在此不做赘述。
2 智慧城市中的智能化污水处理应用综述
2.1 基础启停控制
基础启停控制包括基于预先设定的工作规程对污水处理设备进行基本的开关控制，以及根据污水性 质调整运行状态。控制站、控制箱实现这类功能。
2.2 高级控制
高级控制包括中控系统全局性的控制功能和实 现对个别设备的远程控制。例如，人们可以通过中控 系统或云平台监控整个系统的运行情况，并有选择地 调整个别设备的工作状态。
2.3 性能监测
联网的设备、厂家能够传递设备的参数信息，如功耗、电压、电流、频率、温度等，这些参数可以显示在中控系统中以供实时监测。
2.4 环境监测
环境监测包括水环境的监测、污泥环境监测和监 控等。污水处理设备需要监测水位、水质、水速等，避免设备损坏、系统失效、环境破坏等不良后果。部分 厂房内可能需要噪音传感器来监控噪声水平;用摄像 头、图像传感器识别出入人员身份信息等。
2.5 数据定位与采集
通过卫星定位等，获得数据点信息并传输，以便在出现水资源突发事件时能够预警和及时响应，需要 利用 GPS，GIS。
3 典型通信技术在智能化污水处理中的应用与比较
这一部分将根据数据传输速率、覆盖距离、延迟、可靠性、安全性等方面对常见无线通信技术进行评估， 并分析其在智能化污水处理系统中可能的应用场景。
3.1 Bluetooth
蓝牙技术是一种低成本、低功耗的近距离通信技术，可同时连接多个设备，并实现固定设备、移动设备 和个域网之间的数据交换。其安全性和抗干扰性较 高，芯片成本低，缺点是工作距离很短，往往只有 10 m 以内，可能发生较高延迟。
3.2 WiFi
WiFi 是一种基于 802.11 协议的无线局域网接入技术，比蓝牙覆盖范围更广，通常室内在 50 m 范围内 都可有较好的信号，室外传输距离能达到 100~200 m。不同版本的 WiFi，在不同情况下传输速度差别较大，但总体而言较快。另外，其信号辐射功率小，对环境 的电磁污染也更小。
缺陷方面，WiFi 设备 ping 路由器延时大，常常发 生丢包的问题;虽然本身无须布线，但 WiFi 信号须由 有线网提供，在野外等开阔场所往往无法使用，所以 此技术不适合布局于管网沿线无信号覆盖处。典型 的应用是以此技术支持设备无线接入互联网，而此项 技术还有很多其他的应用场景。
3.3 ZigBee
ZigBee 支持 20~250 kbps 的数据速率。其覆盖距离可达 100 m。ZigBee 有着分等级的安全模式，采用 加密算法，还建立信任中心机制对安全密钥进行人性 化管理，使 ZigBee 具有良好的安全保护机制。延时与 工作模式有关。
ZigBee 的媒质传入控制层(MAC 层)采用 talk- when-ready 的碰撞避免机制，大大提高了系统信息传 送的可靠性。同时，ZigBee 的通信时延和休眠状态激 活的时延都非常短。
由于 ZigBee 与 WiFi、蓝牙等协议共享相同的信道频谱，ZigBee 在各种网络中面临着一定的干扰 问题。
3.4 LoRa
LoRaWAN 提供高达 50 kbps 的数据速率，在农村 地区覆盖距离高达 20 km，城市地区约 5 km。LoRa 的 延迟速率较低。安全方面，它采用了高级加密标准
(AES)以及 128 位的密钥算法，支持源头认证、完整性 和 MAC 架构重发保护，同时支持终端设备和应用服 务器之间应用载荷的端对端加密，保障了安全性。LoRa 可靠性也较高，在噪声下也可正确解调数据且 灵敏度很高。
3.5 GPRS
GPRS 是一种基于 GSM 系统的无线分组交换技术，理论带宽可达 171.2 kbps，常用于超远程通信。GPRS 的主要缺陷是通信质量受信号强弱影响较大， 无信号覆盖或信号较弱的地方通信效果很差。
3.6 WiMAX
WiMAX 在 2.3 GHz，2.5 GHz，3.3 GHz，3.5 GHz 等 频段运行，数据速率高达 75 Mbps，覆盖距离高达 50 km，采用了多项先进的 IP 层安全标准提高其安全 性。WiMAX 具有高速度、远距离、低延迟、可靠、安全 的优点。它可以用一个基站为数百个用户提供服务， 是智慧城市建设的优良选择。
除蓝牙和 GPRS 外，其他无线通信技术的通信距 离基本可以覆盖厂房范围。表 1 列出了各项应用功 能在数据传输速率、对延迟的要求、可靠性、安全性的 要求，用于筛除不符合要求的通信技术。
通信技术来支持各种智能化污水处理应用是成功构建污水处理系统的关键。本文比较了各种通信技术， 并分析了它们在智能化污水处理系统中不同场景的 适用性。本文希望为从事智慧水务，特别是污水处理 工作的研究人员和工程师提供帮助。
