朱樹先 曹 沖 朱學(xué)莉

(蘇州科技學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

GPRS和ZigBee技術(shù)用于供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)研究

朱樹先 曹 沖 朱學(xué)莉

(蘇州科技學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

當(dāng)今供水管網(wǎng)檢漏系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)品和技術(shù)普遍存在檢測(cè)手段單一、檢測(cè)過程繁瑣、定位困難、沒有實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理、人力資源浪費(fèi)大、檢測(cè)準(zhǔn)確度低等缺陷。針對(duì)上述缺點(diǎn)和不足，在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，將一種新型的無線通信模式技術(shù)應(yīng)用于供水管網(wǎng)檢漏監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種集實(shí)時(shí)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)管理于一體的新測(cè)控方法，它將無線傳感網(wǎng)與GPRS無線通信技術(shù)相結(jié)合，以市政供水管網(wǎng)為監(jiān)控對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化管理，大大提高了設(shè)備的智能化、網(wǎng)絡(luò)化程度。通過試驗(yàn)及理論分析可知，該監(jiān)控系統(tǒng)能達(dá)到最大限度節(jié)水的目的。

無線傳感網(wǎng) 無線通信 供水管網(wǎng) 管網(wǎng)檢漏 ZigBee

0 引言

在城市供水系統(tǒng)中，普遍存在管網(wǎng)漏水的現(xiàn)象，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)滲漏點(diǎn)，不但會(huì)導(dǎo)致水資源的大量浪費(fèi)，而且會(huì)給供水系統(tǒng)留下隱患。因此，國(guó)內(nèi)外的許多供水公司，尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家，很早就開始漏失檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備的研究、開發(fā)工作，并成立了相關(guān)學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu),來提高供水管網(wǎng)的檢漏水平。

在這樣的應(yīng)用背景下，設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感網(wǎng)與GPRS技術(shù)相結(jié)合的管網(wǎng)檢漏監(jiān)控系統(tǒng)，用于對(duì)城市供水管網(wǎng)的漏水情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和準(zhǔn)確定位。該系統(tǒng)的通信部分可分為近距離無線通信的無線傳感傳網(wǎng)和遠(yuǎn)距離無線通信的GPRS遠(yuǎn)程通信模塊。通過無線傳感網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控和節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信。通過遠(yuǎn)程通信模塊，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控及網(wǎng)絡(luò)化管理。

1 當(dāng)前該領(lǐng)域的主要方法概述

在過去的幾十年間，大量的學(xué)者、研究人員、工程技術(shù)人員在供水管網(wǎng)檢漏方面做了大量的工作，開發(fā)了許多行之有效的檢漏方法，本文現(xiàn)將其中主要的方法介紹如下。薛曉虎提出了被動(dòng)檢漏法、音聽檢漏法、水平衡探測(cè)法、收集式檢漏法等[1]。王繼華等提出了大地濕度檢測(cè)法、區(qū)域流量測(cè)定法、紅外線照相法、示蹤氣體探測(cè)法[2]。楊春紅等提出了相關(guān)檢漏法、漏水聲自動(dòng)記錄監(jiān)測(cè)法等[3]。袁榮華等提出了基于負(fù)壓波結(jié)構(gòu)模式識(shí)別方法的供水管網(wǎng)檢漏與定位技術(shù)。此外[4]，還有一些方法，限于篇幅，這里不再逐一介紹。

上述眾多的檢漏方法和技術(shù)都存在相當(dāng)大的缺點(diǎn)和不足。首先，前面所提的各種方法所采取的技術(shù)手段過于單一。而管網(wǎng)漏水是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的問題，例如，在哪些點(diǎn)處容易發(fā)生滲漏，受外部環(huán)境的影響，漏水現(xiàn)象的表現(xiàn)形式也各不相同，很難用一種方法進(jìn)行判別。其次，有些方法采用的檢測(cè)器件不夠先進(jìn)，還有的完全靠人工檢測(cè)，很難做到檢測(cè)的準(zhǔn)確性。最后，在當(dāng)今信息化、網(wǎng)絡(luò)化的時(shí)代，沒有利用這些優(yōu)勢(shì)對(duì)全市供水管網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一的管理、監(jiān)控，使得監(jiān)控中心無法從整體上對(duì)管網(wǎng)漏水情況獲得全面了解，也不能對(duì)事故點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，會(huì)造成巨大的人力、物力資源的浪費(fèi)。

2 本文所做的改進(jìn)工作

為了克服該目前領(lǐng)域產(chǎn)品和技術(shù)存在的明顯缺陷和不足，本文從兩大方面對(duì)上述方法做出了重大改進(jìn)，主要表現(xiàn)在技術(shù)手段方面的改進(jìn)和設(shè)計(jì)思路方面的完善。

① 在技術(shù)手段方面，緊跟當(dāng)前產(chǎn)品和技術(shù)發(fā)展的最新趨勢(shì)，將當(dāng)今先進(jìn)的無線傳感網(wǎng)技術(shù)和GPRS遠(yuǎn)程通信技術(shù)應(yīng)用到城市供水管網(wǎng)檢漏領(lǐng)域當(dāng)中。采用最新式的傳感器和測(cè)量?jī)x器，對(duì)管網(wǎng)滲漏現(xiàn)象可做出更加準(zhǔn)確的判斷，減少了誤判率，提高了系統(tǒng)的智能化水平[5-7]。

② 在設(shè)計(jì)思路方面，改變了單一方式的檢測(cè)方法，結(jié)合無線傳感網(wǎng)測(cè)控技術(shù)的特點(diǎn)，將單一的檢測(cè)模式變?yōu)槎喾N檢測(cè)手段的結(jié)合。在較易進(jìn)行濕度判斷的場(chǎng)地安裝濕度傳感器，將濕度信號(hào)傳至無線傳感網(wǎng)的測(cè)量終端節(jié)點(diǎn)。此外，還可以對(duì)區(qū)域流量測(cè)定法進(jìn)行改進(jìn)，采用分時(shí)段檢測(cè)法，檢測(cè)管網(wǎng)壓力；當(dāng)處于基本沒有用水需求的時(shí)間段，例如凌晨2點(diǎn)到4點(diǎn)，對(duì)于非恒壓供水管網(wǎng)，檢測(cè)其壓力是否過高；對(duì)于恒壓變頻供水，則檢測(cè)變頻器的工作頻率，以判斷管道是否出現(xiàn)異常[8-11]。經(jīng)過改進(jìn)后，該檢測(cè)方法更加全面、完善，可提高檢測(cè)的準(zhǔn)確率。

3 基于無線通信模式管網(wǎng)檢漏系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)的組成

本文開發(fā)的基于無線通信模式管網(wǎng)檢漏系統(tǒng)由監(jiān)控中心上位PC機(jī)、無線傳感網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)、GPRS遠(yuǎn)程通信模塊等組成。其中，無線傳感網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、若干路由器和大量終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)組成。由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)起并組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，路由器加入網(wǎng)絡(luò)，并負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)把附近的終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)引入網(wǎng)絡(luò)。無線傳感網(wǎng)由終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)、路由器和協(xié)調(diào)器按照一定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，按照“就近加入”的原則，既可通過附近的協(xié)調(diào)器自行加入網(wǎng)絡(luò)，也可以通過附近的路由器來加入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器所起的作用除了組網(wǎng)，收集終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)傳遞的數(shù)據(jù)外，還與GPRS遠(yuǎn)程通信模塊通信，由GPRS遠(yuǎn)程通信模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)與監(jiān)控中心的上位PC機(jī)之間的遠(yuǎn)程無線通信。GPRS遠(yuǎn)程通信模塊將終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心上位PC機(jī)，并將監(jiān)控中心上位PC機(jī)的指令信息傳送至無線傳感模塊。以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對(duì)監(jiān)控各節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)化管理。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示[12]。

圖1 無線傳感網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖

3.2 系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要完成的實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程通信的功能，現(xiàn)將系統(tǒng)分為以下幾個(gè)功能模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)：無線傳感網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)開發(fā)、GPRS遠(yuǎn)程通信模塊開發(fā)和監(jiān)控中心的PC機(jī)軟件開發(fā)。下面分別對(duì)這幾部分的具體實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行說明。

3.2.1 無線傳感網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)開發(fā)

① 系統(tǒng)的硬件開發(fā)

系統(tǒng)在硬件方面采用成都無線龍公司開發(fā)的ZigBee通信模塊作為核心部件。根據(jù)具體需要，配以不同的外設(shè)，即可開發(fā)出協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。ZigBee通信模塊以TI公司的CC2530芯片為主控芯片，既可配置成協(xié)調(diào)器模式，也可以配置成路由器或終端設(shè)備模式。具體做法是在軟件集成開發(fā)環(huán)境中，對(duì)ZigBee協(xié)議棧(Zstack)進(jìn)行不同配置來實(shí)現(xiàn)的。關(guān)于這部分內(nèi)容將在軟件開發(fā)中詳細(xì)介紹。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，在無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備起到實(shí)時(shí)監(jiān)控作用的是終端設(shè)備。將ZigBee通信模塊配置成終端設(shè)備，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所具有的集測(cè)、控于一身的優(yōu)勢(shì)，通過與其連接的不同類型傳感器來采集外部信息，傳遞給協(xié)調(diào)器；也可以對(duì)采集到的信息進(jìn)行運(yùn)算、分析、處理，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，對(duì)供水設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

② ZigBee模塊的軟件開發(fā)

在無線傳感網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)軟件開發(fā)方面，采用TI公司的IAR集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行ZigBee節(jié)點(diǎn)開發(fā)。在系統(tǒng)安裝了ZigBee協(xié)議棧后，IAR開發(fā)環(huán)境可加載ZigBee協(xié)議棧，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行ZigBee模塊配置和應(yīng)用程序開發(fā)，所用協(xié)議棧為ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0。在IAR開發(fā)環(huán)境下，通過對(duì)不同的模塊配以不同的協(xié)議棧配置文件，即可將ZigBee模塊分別配置成協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。以協(xié)調(diào)器和路由器的配置為例，簡(jiǎn)要介紹在IAR集成開發(fā)環(huán)境下是如何配置協(xié)調(diào)器和路由器。

因?yàn)樵谶@兩個(gè)設(shè)備上都使用ZigBee協(xié)議棧自帶的代碼，開發(fā)環(huán)境必須要對(duì)它們進(jìn)行不同的配置，才能生成不同的執(zhí)行代碼，下載到ZigBee模塊即可分別作為協(xié)調(diào)器、路由器使用。當(dāng)選擇不同的設(shè)備類型編譯時(shí)，下面加載的配置文件是不一樣的。例如，欲將ZigBee模塊配置成協(xié)調(diào)器，則選擇f8wCoord.cfg協(xié)議棧配置文件參與源代碼編譯。如果需要ZigBee模塊配置成路由器，則采用f8wRoutorcfg協(xié)議棧配置文件。系統(tǒng)的終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)的配置與上面所述相似，這里不過多介紹。需要特別說明的是，終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)置于要監(jiān)控的設(shè)備之上，它的本質(zhì)是一個(gè)自帶電源的ZigBee通信模塊。該模塊以51單片機(jī)為內(nèi)核，集成有無線收發(fā)單元，其I/O口可接傳感器，負(fù)責(zé)對(duì)需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量。

在軟件編程方面，只需在協(xié)議棧的應(yīng)用層(APP)上編寫數(shù)據(jù)采集、輸出控制應(yīng)用程序即可對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)與控制。應(yīng)用協(xié)議棧自帶的API函數(shù)中的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收函數(shù)，實(shí)現(xiàn)同一網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信。而不需要對(duì)復(fù)雜的協(xié)議棧本身有過多的了解。極大地方便了應(yīng)用程序的開發(fā)[13-14]。

3.2.2 無線遠(yuǎn)程通信模塊的開發(fā)

考慮到監(jiān)控中心有可能離測(cè)量地點(diǎn)較遠(yuǎn)，為了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)供水管網(wǎng)進(jìn)行有效監(jiān)控，需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離的無線通信，因此必須克服ZigBee技術(shù)傳輸距離近的缺點(diǎn)。為此，本文特地設(shè)計(jì)了無線遠(yuǎn)距離傳輸模塊，用于現(xiàn)場(chǎng)各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心上位PC機(jī)之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。無線遠(yuǎn)程通信模塊從電路上分為ZigBee模塊和GPRS模塊兩個(gè)部分。兩者采用串口通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)，這個(gè)ZigBee模塊也是無線傳感網(wǎng)的協(xié)調(diào)器，起著發(fā)起和創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)的作用。

3.2.3 監(jiān)控中心上位PC機(jī)監(jiān)控軟件開發(fā)

采用計(jì)算機(jī)高級(jí)語言C#，在Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā)上位PC機(jī)監(jiān)控軟件，控制上位PC機(jī)采用GPRS無線通信方式與無線遠(yuǎn)程通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過無線遠(yuǎn)程通信模塊對(duì)執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的無線傳感模塊進(jìn)行監(jiān)督管理。

綜上所述，通過無線傳感網(wǎng)技術(shù)與GPRS無線通信技術(shù)相結(jié)合的無線通信模式，既可實(shí)現(xiàn)無線傳感模塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障檢測(cè)，也可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)、管理，從而提高了城市供水系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化程度。

4 試驗(yàn)與仿真

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，本文做了一些試驗(yàn)來模擬實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行情況。首先，采用12個(gè)ZigBee通信模塊，其中1個(gè)配置成協(xié)調(diào)器，用來組網(wǎng)，負(fù)責(zé)建立無線傳感網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)；吸收路由器和網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，用來獲取網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)，并與GPRS遠(yuǎn)程通信模塊進(jìn)行通信。2個(gè)ZigBee通信模塊配置成路由器，負(fù)責(zé)吸收附近的終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。9個(gè)配置成終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)，在CC2530引出的I/O引腳處外接傳感器和其他檢測(cè)、輸出設(shè)備，負(fù)責(zé)對(duì)被監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，并將信息傳遞給協(xié)調(diào)器。12個(gè)通信模塊組成樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用來模擬對(duì)供水管網(wǎng)的監(jiān)控。

在具體的實(shí)施方案上，假設(shè)將9個(gè)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)固定于管網(wǎng)之上，通過節(jié)點(diǎn)連接的濕度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器配以定時(shí)模塊，檢測(cè)管網(wǎng)的濕度變化，檢測(cè)在用水低峰期管網(wǎng)內(nèi)的壓力、流量是否出現(xiàn)異常。綜合考慮各個(gè)參數(shù)的變化，判斷有無滲漏現(xiàn)象發(fā)生。如果出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，則關(guān)閉對(duì)管道的供水。同時(shí)向協(xié)調(diào)器發(fā)出異常報(bào)警，由協(xié)調(diào)器通過GPRS模塊發(fā)送給監(jiān)控中心的PC機(jī)。監(jiān)控中心根據(jù)終端設(shè)備的編號(hào)，很容易確定管道的滲漏位置。

5 結(jié)束語

按照如前所述方法，既能夠組成無線傳感網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的檢測(cè)和輸出信號(hào)控制；又能夠?qū)⑿畔⒓皶r(shí)傳遞給監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心對(duì)無線傳感網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。相比于傳統(tǒng)的人工檢漏方法，采用無線通信模式的多數(shù)據(jù)檢測(cè)、分析方法可更加快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)滲漏檢測(cè)及滲漏點(diǎn)定位，極大地節(jié)省了人力物力資源。試驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)采用的研究方法是先進(jìn)的、行之有效的。

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Researching the Monitoring System for Water Supply Pipeline Network by Using GPRS and ZigBee Technologies

At present, the products and technologies applied in the field of leakage detection for water supply pipeline network are featuring various defects, such as unitary detection means, tedious detection process, difficulty of positioning, network management has not been materialize, large waste of human resources, and low detection accuracy, etc. In accordance with above shortcomings and deficiencies, and on the basis of summarizing previous works, the novel wireless communication technology is used in leakage monitoring system for water supply network. The system integrates real time monitoring and network management, the wireless sensing network is combined with GPRS wireless communication technology, with the municipal water supply network as the object, real time monitoring and network management are achieved, and greatly improves the intellectualization and networking level of the devices. Through tests and theoretical analysis, it is found that this monitoring system maximizes the object of water conservation.

Wireless sensor network Wireless communication Water supply network Pipeline leakage ZigBee

江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2013ZD47)；

住建部研究開發(fā)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2011-K1-19)；

蘇州科技學(xué)院研究生創(chuàng)新計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：091320022)。

朱樹先(1970-)，男，2008年畢業(yè)于上海理工大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，副教授；主要從事自動(dòng)控制、建筑節(jié)能方向的研究。

TP393

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505014

修改稿收到日期：2014-11-04。