ＢａｅｎＺｉＢｅｎｓｄｏｇｅａｄＡＲＭ
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第２３卷第２期&&&&Ｖ０．３Ｎｏ．１２２&&&&重庆工学院学报（自然科学）&&&&Ｊｕｎｌｆｈｎｑｎｓｔｅｏｅｈｏｇ（ａｒｃｎｅｏｒａｏＣｏｇｉｇＩｔｕｆｃｎｌｙＮｔａＳｉｃ）ｎｉｔＴｏｕｌｅ&&&&２００９年２月&&&&Ｆｅｂ．２００９&&&&基于ＺｇｅｉＢｅ和ＡＭ的嵌入式Ｒ&&&&智能家庭安防系统设计&&&&黄文龙，道连，颖敏，泽奎徐游刘&&&&（庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，庆重重４０３）０００&&&&摘要：现代家居安防系统设计中，用Ｚｇｅ在采ｉｅ和ＡＭ相结合，感器输出的信号经过处理由支ＢＲ传&&&&持Ｚｇｅ协议的Ｃ２３发模块传输至主机￥Ｃ４０实现前端信号与后端控制器之间的无线ｉｅＢＣ４０收３２１，&&&&连接；机根据节点情况判断家中有突发事件后，过ＧＭＧＲ主通Ｓ／ＰＳ模块短消息通知主人或者物管中心，同时发出声光报警，驱动摄像头抓拍现场图像，而构成嵌入式的智能家庭安防系统．并从系&&&&统用以太网接人小区的局域网或互联网，现家庭网络Ｉｔｎｔ入，用ＺＢｅＡＭ实ｎｒｅ接ｅ采ｉｅ和Ｒ９内核的ｇ处理器及／／ｓ操作系统．现有的安防系统相比，有方便灵活及移植性好等特点．ｚｏＩｃｌ与具关键词：ｉｅ；３２１；入式；能家庭安防系统；Ｓ／ＰＳＺｇｅ￥Ｃ４０嵌Ｂ智ＧＭＧＲ文献标识码：Ａ文章编号：６１９４２０）２—１２—５１７—０２｛０９００５０&&&&中图分类号：Ｐ７Ｔ２１&&&&ＤｅｉｎｏｓｇｆＥｍｂｄｄＩｅｌｇｎｏｅＳｃｉｙＳｓｅｅｄｅｎｔｌｅｔＨｍｅｕｒｔｙｔｍｉ&&&&ＢａｅｎＺｉＢｅｎｓｄｏｇｅａｄＡＲＭ&&&&ＨＵＡＮＧｅ—ｏｇＸＵｏｌｎ，ＹＯＵＹｉｇｍｉＬＵ—ｕＷｎｌｎ，Ｄａ—ｉａｎ—ｎ，ＩＺｅｋｉ&&&&（ｅａｏｔｙｏＯｔｌｔｎｅｈｏｇｎｙｔｓｆｈｄｃｔｎＭｎｔｆｈａＫｙｌｂｒｏｆｐｅｃｏｉＴｃｎｌｙａｄＳｓｍｅＥｕａｏｉｉｒｏＣｉ，ａｒｏｅｒｃｏｅｏｔｉｓｙｎ&&&&ＣｏｇｉｇＵｉｅｓｙｈｎｑｎ０００ｈｎ）ｈｎｑｎｎｖｒｉ，Ｃｏｇｉｇ４０３，Ｃｉａｔ&&&&ＡｂｔａｔＩｈｅｉｎｏｄｍｏｅｕｉｙｔｍ，ｈｓｐｐｒｃｍｂｉｅｇｅｔｓｒｃ：ｎｔｅｄｓｇｆｍｏｅｈｍｅｓｃｒｔｓｓｅｔｉａｅｏｙｎｓＺｉＢｅｗｉｈＡＲＭ．Ｔｅｐｏｈｒ—ｃｓｅｅｓｒ’ｏｔｕｉｎｓｇｅｒｎｆｒｅｏｔｅｈｓ３Ｃ４１ｙＣ４０ｔａｓｅｖｒｍｏｕｅｗｈｃｓｅｓｄｓｎｏｓｕｐｔｓｇａｌｔａｓｅｒｄｔｈｏｔ￥２０ｂＣ２３ｒｃｉｅｄｌｉｈｉｌｅｎｓｐｏｄｂｈｇｅｒｔｃｌｎｄｉａｈｅｅｈｒｌｓｏｎｃｉｎｂｔｅｈｒｎ－ｎｉａｓａｄｕｐｓｅｙｔｅＺｉＢｅｐｏｏｏ；ａｔｃｉｖｓｔｅｗｅｅｓｃｎｅｔｏｅｗｅｎｔｅｆｏｔｅｄｓｇｌｉｎｎｂｃ－ｎｏｔｏｌｒａｋｅｄｃｎｒｌ．Ａｃｏｄｎｏｔｅｎｄｓ’ｓｇａｓｈｏｔｄｔｒｎｓｆｍｉｙｅｒｅｃｅ，ａｄｉｆｒｅｃｒｉｇｔｈｏｅｉｎ，ｔｅｈｓｅｅｍｉｅａｌｍｅｇｎｉｓｎｎｏｍｓｌｔｅｏｅｒｐｅｎｇｍｅｔｃｎｅｈｏｇｈｅＧＳ／ＧＰＲＳｍｏｕｅＳＳ．Ａｔｔｅｓｍｅｔｈｗｎｒｏｍｐ￣ｙｍａａｅｎｅｔｒｔｒｕｈｔＭｄｌＭｈａｉｍｅ，ｔｅｈｈｓｒｖｓｔｅｅｌｅａｔａｔｒｍａｅｔｔｅｓｅｅ，ａｄｉｓｅｒｉｇｂｏｎｎｉｈ．Ｔｉｏ—ｏｔｄｅｈａｌｒｏｃｐｕｅｉｇｓａｈｃｎｉＴｎｓｕｓａｗａｎｎｙｓｕｄａｄｌｇｔｈｓｃｎｓｉｕｅｎｍｅｅｎｅｌｇｎｏｓｃｒｙｓｓｅ．ＴｅｓｓｅｃｎｅｔｈｅＩｔｍｅｕｉｇＥｔｅｅｔｔｓａｅｔｂｄｄｄｉｔｌｅｔｈｍｅｅｕｔｙｔｍｈｙｔｍｏｎｃｓｔｎｅｔｓｎｈｍｔｉｉＬＡＮ，ｎｔｕｅｉＢｅｄｔｅｐｃｓｏａｅａｄｉｓｓＺｇｅａｈｍｅｓｒｂｓｄＡＲＭ９ｃｌｄ￣／ｓＩｏｅａｉｇｓｓｅ，ＳｔｈｓｔｅｎｏｅａｎｃｏｌｐｒｔｎｙｔｍＯｉａｈｃａｃｅｉｔｓｏｏｖｎｅｃｌｘｂｌｔｎｏｔｂｌｙｃｍｐｒｄｗｉｌｔｅｅｉｔｇｈｍｅｓｃｒｔｙｔｍｓｈｒｔｒｓｉｆｃｎｅｉｎｅ．ｆｉｉｙａｄｐｒａｉｉｏａｅｔｈｘｓｉｏｅｕｙｓｓｅ．ａｃｅｉｔＩｎｉＫｅｒｓＺｇｅ；３２０；ｍｅｄｄ；ｉｔｌｇｎｏｅｕｔｙｔｍ；Ｍ／ＲＳｙｗｏｄ：ｉＢｅ￥Ｃ４１ｅｂｄｅｎｅｌｅｔｈｍｅｓｃｒｙｓｓｅＧＳＧＰｉｉ&&&&收稿日期：０８一ｌ—２２０１６&&&&作者简介：文龙（９３）男，西修水人，士研究生，要从事测控技术、能家居、入式系统等方面研究黄１８一，江硕主智嵌&&&&&&&&黄文龙，：于Ｚｇｅ和ＡＭ的嵌入式智能家庭安防系统设计等基ｉｅＢＲ随着现代家居生活的不断改善，们对财产、人人身安全的要求也越来越高．防系统不再只局安限于防盗，而且要能做到防劫、防火，即时了解并和解决家中突发事件，现家庭安全系统的智能实&&&&化．在市场上出现的安防系统，是容易引起误现不报，是功能比较单一，是采用有线连接方式，就或&&&&信，主机根据地址判断信号是来自哪个节点，后然&&&&通过软件判断是有非法人员进入还是有火灾隐患或是有煤气泄漏，无论哪种突发状况发生，主机都&&&&会启动ＵＢ摄像头对现场图像抓拍，Ｓ通过ＧＲＰＳ网&&&&络通知主人或物管中心，驱动报警装置进行报并警，时用以太网接人小区的局域网或互联网，同实现家庭网络Ｉｅｔ人＿—ｊｎｍｅ接ｔ１２．&&&&布线繁琐且线路容易老损．针对现代家庭安防的要求和当前市场上类似&&&&产品的不足，研究提出了以ＺＢｅＲ９为核本ｉｅ＋ＡＭｇ&&&&２ＥＨＳ硬件系统ＩＳ&&&&本系统硬件电路框图如图２所示，要由传感主器模块，ｉｅ无线收发模块，ＺｇｅＢ电源及复位模块，以太网网络模块，ＳＵＢ摄像头、功能按键、报警模块，ＧＲ模块及中央控制器Ａ９ＰＳＭＲ模块等组成．‘二三二二＝〔二＝＝ｃ＝＝信号处理&&&&心的嵌入式智能家庭安防系统（ｍｅｄｄＩｅｉＥｂｄｅｎｌ—ｔｌ&&&&ｇｎＨｍｅｕｉｙｔＥＨＳ．系统有以下特ｅｔｏｅＳｃｒｙＳｓｍ，ＩＳ）本ｔｅ&&&&点：完善的防盗系统，①实现门、、窗阳台等地方的监控和报警，争做到零误报；实现家中火灾早力②期的监测和煤气泄漏等突发事件的检测；实现③家庭安全状况远程实时监测和查询；具有现场④图像抓拍功能，在设防状态下，当红外传感器或者门磁触发告警时，统将启动ＵＢ摄像头对现场系Ｓ&&&&进行拍摄．&&&&一一一一一一一一一&&&&竺&&&&ＣＣ２４&&&&电源及复位ｌ功能按键Ｉ&&&&ＵＳＢ&&&&３&&&&１系统结构及工作原理&&&&系统总体结构如图１示，要由前端（ｉ所主Ｚｇ—Ｂｅ点）ｅ节和后端（主服务器）２部分组成，前端有传感器检测、信号处理、无线发送，端有无线接收、后中央处理及外围电路等．端和后端通过Ｚｇｅ前ｉｅＢ&&&&网络无线连接．&&&&传感器检测亡信号处理无线发送&&&&煤气传感器&&&&０收&&&&摄像头&&&&＿——&&&&＿——&&&&发&&&&模&&&&块&&&&￣２３Ｃ４１&&&&ＵＡＲＴＩ&&&&ｌ０Ｉ／&&&&报&&&&警&&&&耋羹Ｈ&&&&ＧＳＭＧＰＩ以太网ＲＳｌ&&&&图２系统硬件电路框图&&&&２１传感器和电源模块．&&&&传感器模块按功能可分为３个部分：防盗、火&&&&灾检测和煤气泄漏检测．盗部分由振动传感器、防门磁窗磁传感器、释电红外传感器组成．振动热把&&&&无线接收Ｆ－－￣－&&&&中央处理&&&&外围电路&&&&传感器安装在入户门上的隐蔽处，当它检测到门上有振动，果振动持续超过８ｍｎ有待考究）如ｉ（，&&&&图ｌ系统结构&&&&则判断为可能是非法人员撬门．门磁传感器也是安装在入户门上，门被打开超过２ｃ当ｍ时传感器会有信号输出．过这２个传感器相结合来判断通是否有人非法进入，除误报．外，释电红外消另热&&&&系统后端有２个功能按键，别为设防键和分撤防键．人在出门时按下设防键，通过手机短主再&&&&信方式由ＧＲ通知主机进入工作状态；主人回ＰＳ当家时再通过短信通知主机进入待机状态，主人待&&&&进入家中时则按下撤防键，主机停止工作．&&&&传感器能感应到物体在室内的移动对于窗、３．阳&&&&台等其他地方的防盗原理跟入户门防盗相似．&&&&每个传感器加上信号处理以及Ｃ２３Ｃ４０收发&&&&模块组成一个Ｚｇｅ节点，配有不同的地址，ｉｅＢ分节&&&&火灾检测由烟雾传感器和温度传感器组成，两者均检测到信号则认为确有火灾发生，样可这&&&&以避免误报．而煤气泄漏检测则用ＭＱ一６传感器&&&&点通过Ｚｇｅ无线网络与主服务器ＡＭｉｅＢＲ９模块通&&&&&&&&１４５&&&&重庆工学院学报&&&&作为感应器，它对液化气、然气及城市煤气有较天&&&&好的灵敏度，而对乙醇、烟雾几乎不响应．电源模块包括内部电源和外部电源．部电内源包括可充电电池和充电电路，要任务是在监主&&&&星型网络中，有的终端设备都只与协调器通信．所根据系统需求，调器会在非易失性存储器中存储协&&&&所有网络关联，为邻接表．了连接到网络，称为终端设备可能执行孤立通知过程来查找先前与之关联的网络，或者执行关联过程来加入一个新网络．在&&&&控状态下外部断电时供整个电路正常工作．充其&&&&电也是由微控制器控制完成的，外部电源供电在&&&&执行孤立通知过程的情况下，调器将通过查找其协邻接表来识别先前与之关联的终端设备６．&&&&２．３Ｚｇｅ２．ｉＢｅ节点硬件电路&&&&状态下，于下限电平时自动接通充电电路，于低高&&&&上限电平时自动断开充电电路．&&&&２２Ｚｇｅ模块．ｉｅＢ&&&&Ｚｇｅ是新兴的具有自组网功能的ＡｉｅＢｄ—Ｈｃｏ&&&&由于本系统是典型的短距离无线通信系统，故&&&&选用支持Ｚｇｅｉｅ协议的Ｃ２３ＢＣ４０芯片，一种真正是&&&&网络，一种短距离、复杂度、速率、功耗、是低低低低成本的双向无线通信技术，要适用于自动控主制和远程控制领域Ｊ．&&&&２．．Ｚｇｅ２１ｉＢｅ协议栈&&&&的系统芯片（ｏ）ＭＳ解决方案，ＳＣＣＯ这种解决方案能够提高性能并满足以Ｚｇｅｉｅ为基础的２４ＧｚＭＢ．ＨｌＳ波段应用对低成本低功耗的要求．Ｃ４０芯片结合Ｃ２３&&&&一&&&&个高性能２４ＧｚＳＳ直接序列扩频）．ＨＤＳ（射频收发&&&&Ｚｇｅ协议使用ＩＥ０．５４规范作为介ｉｅＢＥＥ８２１．&&&&质访问层（Ａ）物理层，ＥＥ８２１．共定ＭＣ和ＩＥ０．５４总&&&&器核心和一颗工业级的小巧高效的８５控制器．０１Ｊ&&&&在单个芯片上整合了Ｚｇｅ射频（Ｆ前端、ｉｅＢＲ）内存和&&&&义了３工作频带：．Ｈ（球）９５ＭＨ（个２４Ｇｚ全，１ｚ美&&&&国）８８ＭＨ（洲）以上３种频带所提供的最和６ｚ欧，大数据速率分别为２０ｋｐ，０ｋｐ和２ｂｓ完５ｂｓ４ｂｓ０ｋｐ．整的Ｚｇｅｉｅ协议栈结构如图３Ｊ示．Ｂ【所&&&&微控制器．它使用１８Ｍｕ８５）具有３／４个位ｃ（０１，２６／&&&&１８Ｂ可编程闪存和８Ｂ的ＲＭ，包含模拟数字２ＫＫＡ还转换器（Ｄ）几个定时器、Ｅ１８协同处理器、Ａｃ、ＡＳ２看门狗定时器、Ｈ３ｋｚ晶振的休眠模式定时器、２上电复&&&&位电路、电检测电路以及２个可编程ＩＯ引脚．掉１／&&&&〔&&&&口&&&&&&&&本系统采用的收发频率为２４Ｇｚ其典型的硬件．Ｈ，&&&&应用电路如图４示ｌ所．&&&&该电路使用一个非平衡天线，连接非平衡变&&&&压器可使天线性能更好．路中的非平衡变压器电&&&&由电容Ｃ４３１和电感Ｌ４、３１Ｌ３以及一个３１Ｌ２、３１&&&&ＰＢ微波传输线组成．个结构满足ＲＣ整Ｆ输人／输&&&&出匹配电阻（０Ｑ）的要求．５内部ＴＲ交换电路完／&&&&图３ＺｇｅｉＢｅ协议栈结构&&&&成ＬＡ和ＰＮＡ之间的交换．２１１６１２和１１为偏置电１２&&&&阻，电阻１２１１主要用来为３ＭＨ的晶振提供一个２２ｚ每个Ｚｇｅｉｅ网络节点（ＦＢＦＤ和ＲＤ可以支持Ｆ）合适的工作电流．一个３Ｈ用２Ｍｚ的石英谐振器&&&&（ＴＬ）和两个电容（１１和Ｃ２）构成一个ＸＡ１Ｃ９２１&&&&多达３个传感器和受控设备，１每个传感器和受控&&&&设备可以有８种不同的接口方式，以采集和传可输数字量和模拟量．&&&&２２．Ｚｇｅ．２ｉＢｅ网络配置域网络关联&&&&３ＭＨ２ｚ的晶振电路．用一个３．６Ｈ的石英谐２７８Ｋｚ振器（ＴＬ）两个电容（４１和Ｃ３）构成一ＸＡ２和Ｃ４４７个３．６Ｈ２７８Ｋｚ的晶振电路．电压调节器为所有要求１８Ｖ．电压的引脚和内部电源供电．２１Ｃ２Ｃ４和４１&&&&Ｚｇｅ无线网络可采用多种类型的网络配置．ｉｅＢ本系统设计使用星型网络实现通信．型网络配置星&&&&由一个协调器节点和一个或多个终端设备组成．在&&&&电容是去耦合电容，来实现电源滤波，用以提高芯&&&&片工作的稳定性．&&&&&&&&黄文龙，：于Ｚｇｅ等基ｉｅ和ＡＭ的嵌入式智能家庭ＢＲ&&&&…&&&&．&&&&堑&&&&．&&&&图４&&&&典型Ｃ２３Ｃ４０应用电路&&&&２．中央控制器３&&&&２．ＧＭ／ＰＳ模块４ＳＧＲ&&&&本系统选用三星公司的￥Ｃ４０它是一款基３２１，于ＡＭ９０Ｒ２Ｔ内核的１／２位ＲＳ６３ＩＣ嵌入式微处理器，主要面向便携式和高性价比及低功耗设备的&&&&应用．Ｒ９０ＡＭ２Ｔ有Ｃ１Ｐ４和Ｃ１Ｐ５二个内部协处理&&&&ＧＮＧＲＳ／ＰＳ模块采用西门子公司的ＳＮ０，Ｉ３０&&&&中央控制系统通过串口与之连接实现移动通信，&&&&该模块内嵌ＴＰＩＣ／Ｐ协议栈，以连接网络．可当ＳＭ３０接收到主人手机ＡＩ０Ｔ短息命令后会唤醒中&&&&器，Ｐ４用于调试控制，Ｐ５用于存储和测试控Ｃ１Ｃ１制．３２１￥Ｃ４０集成了ＳＲＭ控制器、ＤＡ３个ＵＲ、ＡＴ４个ＤＭＡ、４个具有ＰＷＭ功能的计时器和１个内部时钟、８通道的ｌ０位ＡＣ￥Ｃ４０有很多丰富的Ｄ．３２１&&&&外部接口，括Ｉ包ＩＣ总线接口、Ｉ线接口、ＩＳ总２个&&&&央控制系统，系统根据指令查询各模块的状态；而当中央控制器接收到传感器的信号判断有异常情&&&&况时，也通过ＳＮ０Ｉ３０向主人手机发送短消息Ｈｄｏ．&&&&３ＥＨＳ软件系统ＩＳ&&&&本系统在软件上移植了嵌入式实时操作系统／／ｓ．系统具有易移植、定性高、剪方便￣ｏｌ该ｃＩ稳裁和源码公开等优点，可实现多个任务的调度〔』且１．１&&&&系统软件总流程如图５所示．&&&&ＵＢ主机接口、Ｓ１个ＵＢ设备接口、Ｃ卡等．ＳＭＭ￥Ｃ４０在时钟方面也有突出的特点，成了１３２１集个具有日历功能的ＲＣ和具有ＰＬ功能的时钟发生ＴＬ器．具有日历功能的ＲＣ能提供到秒位的精确时Ｔ间，解决了次声观测系统组成多点阵时各点的时间同步问题．ＰＬ产生主时钟，处理器工作频ＭＬ使率最高达到２３ｌＩ．工作频率可使处理器轻松０－该Ｉｚ&&&&系统开机后首先调用控制器进行初始化，然&&&&后读取按键值，据按键值判断当前状态．根当主机&&&&运行ＷｉＣ、ｉｘ等操作系统以及进行较为复杂ｎＥＬｎｕ&&&&的信息处理＿．９Ｊ&&&&处于设防状态时，通过扫描Ｃ２３Ｃ４０接收模块来查&&&&询各个节点的情况，旦发现有异常状况，一系统判&&&&&&&&１６５&&&&重庆工学院学报&&&&断为何种突发事件后，即启动报警装置、Ｓ立ＵＢ摄&&&&未来家庭安防中将会得到更多的运用，一定的有实际运用价值．&&&&像头，给预先设置好的手机号码发送短信．并&&&&参考文献：&&&&〔】周游，滨，普．于Ｚｇｅ１方王基ｉＢｅ技术的智能家居无线&&&&网络系统〔〕电子技术应用，０５９：７９Ｊ．２ｏ（）３—３．〔〕于明．Ｒ９嵌入式系统设计与开发教程〔．京：２ＡＭＭ〕北&&&&电子工业出版社，０６２ｏ．&&&&〔〕杨波，忧先．释电红外传感器的原理和应用〔〕３陈热Ｊ．&&&&仪表技术，０８６：６．２０（）６６—８〔〕王均福，红霞，景聚．热释电红外传感器在防入４袁王侵方面的研究〔〕Ｊ．哈尔滨师范大学自然科学学报，&&&&２０，４１：ｌ一３０８２（）３４．〔Ｚｇｅｌａｃ．ＺｇｅｐｃｆａｉｎｉｅＤｃｍｎ５〕ｉＢｅＡｌｎｅｉＢｅＳｅｉｃｔ．ＺｇｏｕｅｔｉｉｏＢｅ&&&&０３７０ｅｉ．ＥＳ．５４ｒ６Ｖｒｏ１０〔〕ｓｎ〔〕原羿，６苏鸿根．于Ｚｇｅ技术的无线网络应用研究基ｉｅＢ&&&&〔〕计算机应用与软件，０，１６：９１Ｊ．２４２（）８—９．０〔〕吴键，慎芳，悦．于Ｚｇｅ７袁殷基ｉｅ技术的无线传感器Ｂ&&&&图５系统软件总流程&&&&网络及其应用研究〔〕Ｊ．测控技术，０８１：３—１．２０（）１５&&&&〔〕宁炳武，军民．于Ｃ２３８刘基Ｃ４０的Ｚｇｅｉｅ网络节点设计ｂ&&&&４结束语&&&&本文中介绍的智能家庭安防系统，运用ＺｇｅｉｅＢ技术，搭建出前端信号采集与后端控制器之间的&&&&〔〕通信与网络，０８３：Ｊ．２ｏ（）９５—９．９〔〕杜春雷．Ｒ体系结构与编程〔．京：华大学９ＡＭＭ〕北清&&&&出版社．０３２０．&&&&〔Ｏ乔渠，国豪，葆华．于ＧＭ技术的家居安防系１〕赵魏基Ｓ统设计〔〕电子工程师，０６３（１：６—８Ｊ．２０，２１）７７．〔１ｅ．入式实时操作系统Ｕ／ＳＩＭ〕２版．１〕ＪａＪ嵌ｎＣＯ—Ｉ〔．邵&&&&无线通信系统，免了繁琐的布线；用ＡＭ技避利Ｒ&&&&术和嵌入式实时操作系统实现安防终端的有效控制；ＳＧＲＧＭ／ＰＳ则为系统预防和报警提供了方便快捷的有利条件．以预计，种无线的智能系统在可这&&&&贝贝，．京：译北北京航空航天大学出版社，０３２０．&&&&（任编辑责&&&&刘舸）&&&&&&&&相关词典网站：热门搜索：
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膜技术处理重金属废水 作者简介: 曾? 杰( 1990- ) , 男, 本科, 主要从事环保研究工作。?环 ? 保?膜技术处理重金属废水曾 ? 杰, 吉希希, 任 ? 会, 陈 ? 迪, 王春雄, 陈 ? 晗(湖南工业大学冶金工程学院, 湖南 株洲? 412008)摘? 要: 文章论述了重金属离子的危害性、 膜技术优点, 同时阐述了反渗透、 微滤、 超滤、 纳滤、 液膜分离技术在重金属废水中的研究和应用情况。关键词: 重金属; 膜技术; 废水处理中图分类号: X703? ? 文献标识码: A ? ? 文章编号: (43- 05? ? 近年来, 随着经济的快速发展, 废水的大量排放, 重金属的污染也日益严重。重金属的来源非常广泛, 重金属通过矿山开采、 金属冶炼、 金属加工及 化工生产废水、 石化燃料、 施用农药化肥和生活垃圾等人为污染源, 以及地质侵蚀、 风化等天然源形式进入人体, 加之重金属毒性大、 在环境中不易被代谢、 易被生物富集并有生物放大效应等特点, 不但污染水环境, 也严重威胁人类和水生生物的生存。含重金属离子的废水对环境污染有以下几个方面的特点: ( 1) 重金属污染物在自然环境中不能自行分解为 无害物质, 而只能发生形态的改变或在不同相之间进行转移, 在这些过程中其毒性并未得到根本性的消除, 若处置稍有不当, 重金属离子会返溶于水中, 重新产生危害, 形成 二次污染!; ( 2) 生物体从环境中摄取重金属, 经过食物链的生物放大作用, 逐渐地在较高级的生物体内富集起来; ( 3) 重金属进入人体后能够和生理高分子物质发生强烈的相互作用而使 之失去活性, 也可能积累在人体中造成慢性中毒, 而这种积累性危害有时需要十多年才显现出来。如何有效地治理重金属污染已成为人类共同关注的问题。膜分离技术作为一种高新技术在工业废水处理 领域已有广泛的研究和探索, 因其分离效率高、 无相变、 节能环保、 设备简单、 操作简便等特点[ 1], 使其在水处理领域具有相当大的技术优势, 已成为水处理 领域中不可缺少的技术之一, 被公认为是当代最有发展前途的高新技术之一。膜分离技术应用到重金属废水的处理中, 不仅使渗透液达到排放标准或再生产, 而且能回收有价资源。近几年科学工作者对膜分离技术在重金属废水处理方面做了不少的探讨, 并且有了一定的应用。当膜处理材料和膜处理设备的技术提升和制造成本的降低达到一定水平之后, 重金属废水处理将有一个较大的突破。1 ? 膜技术1?1? 反渗透技术 反渗透又称逆渗透, 一种以压力差为推动力, 从溶液中分离出溶剂的膜分离操作。对膜一侧的料液 施加压力, 当压力超过它的渗透压时, 溶剂会逆着自然渗透的方向作反向渗透。从而在膜的低压侧得到 透过的溶剂, 即渗透液; 高压侧得到浓缩的溶液, 即浓缩液。若用反渗透处理海水, 在膜的低压侧得到淡水, 在高压侧得到卤水。反渗透膜处理重金属废水, 不仅使渗透液达到排放标准, 而且浓缩液可直接回用或进一步回收处理, 这个过程是废水中重金属离子回用的一个值得探究的方向。反渗透技术自二十世纪七十年代开始用于电镀废水处理, 并逐渐推广到其他重金属废水处理领域。众所周知, 现在日本的绝大多数电镀厂已采用膜分离技术来处理电镀废水[ 2]。用反渗透技术处理含重金属的废水不需投加药剂, 能耗低, 设备紧凑, 易实现自动化, 且不改变溶液的物理化学性质。钟常明等[ 3]采用韩国世韩集团公司的超低压反渗透膜RE4040- BL 对矿山酸性废水进行处理与回用研究, 结果表明: 在最佳的操作条件下, 超低压反渗透膜对重金属离子和溶液的总电导率的截留率分别达到 97% 和 98% 以上。Mohsen?Niaa 等[4]采用 CSM公司生产的 RE 反渗透膜( 截留率 96%) ,43第 27 卷第 1 期 2011 年 2 月湖南有色金属 HUNAN NONFERROUS METALS可以有效脱除废水中的 Cu2+和 Ni2+, 通过加入螯合剂, 对 Cu2+和 Ni2+截留率可以达到 99?5%。Covar?rubias等[5]利用 FAU 陶瓷反渗透膜处理制革废水,对制革废水中 Cr3+的去除率大于 95%。反渗透虽然反渗透膜几乎截留所有无机物质、 操作压力低, 有很好的机械稳定性、 热稳定性、 化学稳定性及水解稳 定性, 特别适宜稀溶液的浓缩, 但也存在一些问题,反渗透膜对浓度较高的溶液的处理将受到渗透压和膜本身耐压的限制, 水回收率较低, 不具备获得高浓度溶液的能力, 浓缩比有限, 膜的质量还有待提高, 耐氯性及抗污染性差等, 在这些方面有待改善。1?2? 微滤膜技术微滤是以压力差为推动力, 截留水中粒径在0?02~ 10 ? m 之间的颗粒物的膜分离技术。微滤膜的孔径通常大于 0?1 ?m, 因此不能直接截留重金属 离子, 必须经过适当的预处理如氧化、 还原、 吸附等手段将金属离子转化为大于 0?1 ?m 的不溶态微粒,再利用微滤膜将其有效去除。如还原- 微滤: Cr6+向 Cr3+的转化, 可用某些还原剂, 如二氧化硫、 偏亚硫酸氢钠、 亚铁类化合物等使 Cr6+被还原成 Cr3+,这样就使得微滤膜能够除掉含 Cr6+的废水, Cr6+可处理到低于 0?01 mg/ L, 镉的存在并不影响对铬的 处理, 此工艺对镉的去除效果可达到出水中镉含量低于0?002 mg/ L, 使运行费用经济合理, 颇具吸引力; 沉淀- 微滤: 用某些物质作为为重金属的共沉淀剂, 再配以微滤膜滤除沉淀物的工艺, 对重金属有很高的去 除效果。赵军等[6]应用絮凝沉淀与中空纤维膜微滤( CMF)组合工艺处理低放射性的含钚废水, 建立了处理含铀、 钚、 镅的混合废水的实验工艺流程并进行了验证实验。结果表明, 采用 CMF 工艺处理含铀、 钚、镅的混合废水, 单级处理的总去除率达到99?87%。 1?3? 超滤技术按照超滤膜的孔径和截流特点, 一般不用来处理重金属废水, 但是经过被分离对象化学性质的改变, 也能用超滤膜来处理[ 7]。超滤是一种加压膜分离技术, 是利用一种压力活性膜, 在外界推动力( 压 力) 作用下截留水中胶体、 颗粒和分子量相对较高的物质, 而水和小的溶质颗粒透过膜的分离过程。通过膜表面的微孔筛选可截留分子量为 3? 10 000~1? 10 000的物质。当被处理水借助于外界压力的 作用以一定的流速通过膜表面时, 水分子和分子量小于 300~ 500 的溶质透过膜, 而大于膜孔的微粒、大分子等由于筛分作用被截留, 从而使水得到净化。也就是说, 当水通过超滤膜后, 可将水中含有的大部分胶体硅除去, 同时可去除大量的有机物等。因此在处理含重金属离子废水中可采用胶束强化超滤法, 它是最近发展起来的与表面活性剂技术相结合 的方法, 并取得了良好的效果。如许振良等[8]利用三种单皮层 PEI 中空纤维超滤膜对水溶液中重金属离子镉和铅的脱除进行了胶束强化超滤研究, 测定了流速、 压力、 表面活性剂( 十二烷基硫酸钠与十二烷基磺酸钠) 与浓度对重金属离子分离性能的影 响, 结果表明镉和铅的截留率 99% 以上。银玉容等[ 9]用抗污染超滤膜( 聚偏氟乙烯合金膜) 、 高压纳滤膜( 聚芳香酰胺膜) 处理含 Cr6+, Ni2+, Cu2+等重金属离子的电镀废水, 实验结果显示采用抗污染膜超滤- 纳滤多级膜处理后 Cr 去除率可达 93?8%, 电镀废水可达电镀清洗水标准。易琼[10]通过研究也 发现单一使用超滤效果并不理想, 而采用微滤+ 超滤+ 超滤工艺对水的浊度却具有很好的去除效果。在实际连续生产过程中, 超滤膜会受有机物、 微生物污染及浓差极化现象等影响而引起阻塞, 因此研究改善膜的材料、 结构、 工艺及优化分离操作条件, 是 超滤膜技术发展的主要方向[ 11]。1?4? 纳滤膜技术纳滤又称松散型反渗透, 它具有纳米级的孔径,其截留直径在 0?1~ 1 nm 之间, 截留分子量 200~1 000。 纳滤介于超滤和反渗透之间, 具有其他的膜技术无法比拟的独特优势, 随着纳滤膜制备技术和 分离机理的研究、 发展、 完善, 它将在重金属废水处理中得到广泛应用。纳滤膜大多从反渗透膜衍化而来, 如 CA、 CTA 膜、 芳族聚酰胺复合膜和磺化聚醚砜膜等。但与反渗透相比, 其操作压力更低, 因此纳 滤又被称作 低压反渗透!或 疏松反渗透!, 尤其是纳滤对于二价及多价金属离子有较高的截留率, 对一价和高价金属离子具有一定的选择性, 但纳滤过程中的浓差极化会导致水通量和脱盐率显著降低,也往往会引起一些难溶盐在膜上沉淀。因此实际应 用中应注重集成工艺的开发和过程的优化[12]。采用纳滤膜技术回收水样中的铜和镉离子, 纳滤膜对Cu 和 Cd 的最佳截留率分别为 96% 和 97%; 同时,研究发现纳滤膜对各种重金属离子的平均截留率达97% 。纳滤膜具有荷电, 对不同的荷电溶质有选择 性截留作用, 同时它又是多孔膜, 在低压下透水性高。纳滤膜可脱除污水中农药、 表面活性剂及三氯甲烷前驱物, 非常适用于污水处理。Mohammad[ 13]44湖南有色金属第 27卷等应用纳滤膜技术研究处理了含 Ni- P 电镀工业废水, 使用带负电荷纳滤膜能成功地分离 Ni 和 Na 混合溶液, 同时也成功地治理了含 Ni- P 电镀工业废水。钟常明等[14]应用纳滤膜技术脱除矿山酸 性废水中的重金属离 子, 结 果表明, 在最佳 条件下, DK2540 纳滤膜对矿山酸性废水中的重金属离子截留率达到 97% 以上。李爱阳等[ 15]研究的废铁屑-膜分离法处理含铬废水所采用的就是钠滤法, 通过研究发现用此法处理含铬废水时当膜操作压力为0?7 MPa, 进料流量为 50 L/ h, 温度为 70 # 时, 对含 铬废水的处理效果最好, 使废水中的铬达 99?5% 以上。但纳滤膜孔易堵塞, 悬浮物或水溶性大分子在膜孔中受到空间位阻, 水溶性大分子在膜孔中的表面吸附、 以及难溶性物质在膜孔中的析出, 都可能产生膜孔堵塞[16]。1?5? 液膜技术 液膜是以浓度差或 pH 值差为推动力的膜, 由萃取与反萃取两个步骤界面膜构成液体膜分散于重金属废水时, 流动载体在膜外相界面有选择地络合重金属离子, 然后在液膜内扩散, 在膜内相界面上解络, 重金属离子进入膜内相得到富集, 流动载体返回 膜外相界面, 如此过程不断进行, 废水得到净化。富集的膜内相液膜破乳后可回收利用重金属, 液膜法具有工艺设备简单、 分离快、 选择性高、 耗能少、 乳液可再生、 重金属资源可回收等优点。 液膜将两种组成不同的溶液隔开, 经选择性渗透而使物质分离提纯, 可从低浓度废水中分离、 富集重金属离子。用 SLM 分离电镀洗水中的铜、 锌和铬离子, 分别采用了特定的载体来回收每种重金属, 该方法可得到高纯度的渗透液。谢少雄等[ 17]发现, 用煤油作溶剂, Span- 80 作表面活性剂, Tx- 10 作助 剂, P204 作载体, 硫酸作内相酸制得的液膜体系, 当采用较佳膜相处理组成( Span- 80 7%, Tx- 102% ,P2046%, 煤油 85% ) 处理含铜浓度为 100 mg/ L 的料液, 经一次液膜处理后可降低至 0?9 mg/ L, 铜的 萃取率大于 99% 。中空纤维更新液膜作为一种新型的液膜技术克服了传统液膜技术存在许多未能有效解决的关键性问题, 如乳化液膜的制乳、 破乳困难及泄漏、 溶胀; 支撑液膜的载体流失、 稳定性差等问题。可同时实现废水中 Cr 的分离与富集。处理后, 废水 中Cr 含量小于 0?5 mg/ L, Cr 的去除率达 99?8% ,达到国家排放标准; 富集液中 Cr 浓度高达 2 500mg/ L[18]。液膜法液膜分离技术具有设备简单、 选择性较高、 能耗低等优点, 但由于液膜法处理的流率较低、 机械稳定性差和传输性能较低等缺点, 从而限制了液膜法在工业上的应用[19]。2
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