摘 要

近几年，随着城市数量和规模不断扩增，城镇化的工业化的加速推进，生活用水和工业用水在中国全部水资源的占比超过35%，污水排放量经过处理占比不到50%，随之带来的是污水排放过量，水质逐渐恶化，污染不断扩大等问题；与此同时，农业用水占比超过60%，灌溉利用率却只有不到一半，农业用水需求的增长带来地下水位的不断下降乃至枯竭，从而引发地面塌陷等其他问题。随着水资源日渐枯竭，污水排放问题和农业灌溉问题日益突出。

原本的污水经过处理达到标准后大部分直接排入地表水体，但利用率极低。本论文设计了一个系统，将排水与灌溉两个部分结合起来，通过在污水处理水体放置水质传感器，利用物联网通信技术远程实时监测再生水的水质信息，远程控制中心根据信息控制灌溉子系统的阀门，控制再生水的流量，从而实现将经过处理的污水流向农田灌溉系统。该系统既节约了水资源，减少浪费，又缓解了农业用水压力，污水中保留的氮、磷、钾等营养元素更有利于农作物生长，从而实现高效率利用水资源^[1]。

该排灌管理系统设置蓄水池用于缓存水体，入口连接需处理的污水，包括矿山废水、工厂污水、城市生活污水、汛期雨水等；出口与灌溉子系统结合，既可以是农田、花田，也可以是鱼塘、水库，又可以是行道树、城市园林。该系统部分采用模块化设计，因地制宜，在不同地区设置对应的检测模块和灌溉模块，提高方案可实施性。

关键词：实时监测；NB-IoT技术；污水排灌

Abstract

In recent years, with the continuous expansion of the number and scale of cities, the acceleration of urbanization and industrialization, domestic water and industrial water account for more than 35% of all water resources in China, and sewage treatment accounts for less than 50% , Accompanied by problems such as excessive sewage discharge, gradual deterioration of water quality, and increasing pollution; at the same time, agricultural water accounts for more than 60%, but irrigation utilization rate is less than half, and the increase in agricultural water demand brings groundwater The continuous decline and even depletion of the bit caused other problems such as ground collapse. With the depletion of water resources, the problems of sewage discharge and agricultural irrigation have become increasingly prominent.

Most of the original sewage is directly discharged into surface water after being treated to the standard, but the utilization rate is extremely low. This paper designs a system that combines drainage and irrigation. By placing a water quality sensor in the sewage treatment water body and using the Internet of Things communication technology to remotely monitor the water quality information of the reclaimed water in real time, the remote control center controls the valves of the irrigation subsystem based on the information , Control the flow of reclaimed water, so as to realize the flow of treated sewage to the farmland irrigation system. This system not only saves water resources, reduces waste, but also alleviates the pressure on agricultural water. The nutrients such as nitrogen, phosphorus, and potassium retained in the sewage are more conducive to the growth of crops, thereby achieving efficient use of water resources.

The irrigation and drainage management system is equipped with a storage tank for buffering water, and the inlet is connected to the sewage to be treated, including mine wastewater, factory sewage, urban domestic sewage, and rainwater during the flood season; the combination of the outlet and the irrigation subsystem can be farmland, flower field, and It can be a fish pond, a reservoir, a street tree, or an urban garden. The system part adopts modular design and adapts to local conditions. Corresponding detection modules and irrigation modules are set up in different regions to improve the implementability of the scheme.

Keywords: real-time monitoring; NB-IoT technology; sewage drainage and irrigation.

目录

摘 要 3

Abstract 4

目录 5

第一章 绪论 6

1.1污水排灌现状 6

1.1.1国外污水排灌现状 6

1.1.2国内污水排灌现状 6

1.2物联网通信技术发展现状 6

1.2.1窄带物联网简介 7

1.2.2 NB-IoT技术研究现状 7

1.3 研究目的和意义 7

1.4本文研究内容及思路 8

第二章 系统结构设计 9

2.1系统总体设计 9

2.2传感器模块设计 11

2.2.1 pH值传感器 11

2.2.2水位传感器 11

2.3控制单元模块 12

2.4数据通信模块 12

2.5阀门控制模块 13

2.6其他模块 14

第三章 系统设计 15

3.1系统硬件电路设计 15

3.1.1 传感器模块硬件设计 15

3.1.2 中心控制单元硬件设计 16

3.1.3通信模块 19

3.1.4 阀门控制模块 21

3.2系统软件设计 22

3.2.1模块启动 22

3.2.2网络连接 23

3.2.3数据连接准备 26

第四章 资源分配算法设计 27

4.1资源分配算法的原则 27

4.2经典算法 28

4.2.1轮询算法 28

4.2.2最大载干比算法 28

4.2.3比例公平分配算法 28

4.3改进算法 29

第五章 总结与展望 31

参考文献 32

致谢 34

第一章 绪论

1.1污水排灌现状

在我国农业用水中，超过90%是用于灌溉，但由于水资源总量不足，灌溉利用率低下，浪费现象严重，灌溉用水缺口巨大^[2]。污水灌溉，即将原本无法利用的生活污水、工业污水等作为水源，通过净化处理，达到相应水质标准后进行灌溉。

1.1.1国外污水排灌现状

污水排灌作为农业灌溉用水来源之一，以色列，美国，日本等干旱或发达国家率先认识到其巨大意义，污水排灌已经是一种技术先进、应用广泛且经验丰富的灌溉方式。美国早在19世纪，就开始广泛将污水回收处理灌溉园林、牧草等，到目前应用于农业灌溉约占处理水总量的60%，并且在长期的探索中发展出成熟的处理能力，其污水处理技术和回收处理程度都处于世界领先水平^[3]；以色列由于外部环境缺水，对水资源尤为分重视，目前已有相当完备的法律来引导污水回收，全国污水处理厂统一调度，回收设备非常完善。以色列的生活污水已经实现全部回收，总污水处理率也高达95%以上，用于农业、园林、草地灌溉的净化污水已经超过总回收利用量的5０%，约占总灌溉水量的20%；日本则对污水回收的新工艺、新技术极其重视。20世纪80年代研究出“中水道”系统，通过水质标准将水体分为不同的管道输送，在城市供水中，一套用于饮用，一套用于厕所冲刷、园林灌溉等，还通过研发的“地下毛细管渗透系统”,将污水处理与绿化系统直接相连，最大程度的实现污水的回收再利用^[4]。

1.1.2国内污水排灌现状

我国污水灌溉发展大体分为三个阶段。首先是1957年之前，这个时期属于自发灌溉阶段，个别地区小范围、自发的利用污水灌溉农田；1957年至1972年进入初步发展时期，污水灌溉得到建工部的重视，开始作为重大课题列入国家科研计划中，相应的处理工程、灌溉工程开始得到快速发展；1972年至今为稳步发展时期，到目前为止，全国污水灌溉面积已经超过总面积的10%。目前，天津地区是国内污水灌溉主要城市的第一位，北京地区为第二位^[5]。

1.2物联网通信技术发展现状

在互联网时代，网络信息传输依靠光纤等有线网络，网络传输的速率与稳定性能够满足人们日常大多数的基本需求，随之科技的发展，大数据的传输和密集型的网络应用环境越来越多，物联网通信技术正式肩负解决现实生活中复杂通信问题的使命应运而生。

物联网通信技术，旨在通过在物与物之间建立如蛛网般的结构，根据一定的规则建立联系，传递信息。现阶段，物联网通信技术主要建立在物联网通信技术的基础上，通过互联网连接传感设备、调控设备和其他物件来传输数据^[6]。