低功耗GPRS无线数据采集应用——自来水管网压力实时监测系统
2009-06-30
作者：广州致远
在城市建设中最重要的就是水电气工程，其中给水工程的建设尤为重要。然而自来水管线在使用过程中的监测和维护一直是令水务部门头痛的问题。这是因为自来水管网错综复杂，而且通常铺设在地下，所以时常有工程施工破坏输水管道的事故发生，或者是因水管老化不堪重压而破裂。对于这些可能出现的事故，水务部门既无法提前预警，也无法事后及时发现，造成了巨大的浪费，甚至影响交通，造成恶劣影响。
基于现实中的迫切需求，本期介绍一套城市自来水管网实时监测系统。
1 监控原理
在理论分析和采集大量的现场数据后我们发现，自来水管网在输送正常时，管内的水压是一个比较平稳的值。在水管破裂后，水压会迅速下降，下降程度和破裂口的出水量有关。所以可以通过实时监测管道水压，并设定一个水压下限报警和水压变化率报警来及时发现管网的异常。
2 通信方式
因为自来水管网分布非常广泛，如果用传统的有线通信方式来传送现场数据，则需耗费极大的人力物力来施工和维护。所以应该选择无线通信方式，而传统的数传电台存在功耗大、选址困难、不易组网、成本高等缺点。
综合考虑后我们选择了以GPRS为主要通信渠道，同时以短信作补充的无线通信方案，它同时具有组网方便、建设和维护成本低、通信可靠迅速等优点，是本系统的理想通信方式。
3 系统组成
本系统由水压传感器、现场监控及无线通信设备、监控中心服务器和数据库软件等部分组成，如图1所示。
图1 自来水输送管网监控系统组成示意图
3.1 水压传感器
水压传感器可以使用常见的压力变送器。变送器是将物理信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通信协议方式输出的设备，如图2所示。在该应用中我们可以选择输出形式为0~5 V电压或4~20 mA电流的变送器。变送器的工作电压通常有5 V、12 V、24 V等数种。
3.2 现场监控及无线通信终端
现场终端要求能够完成从变送器读取采样结果，并把采样结果通知监控中心服务器。
由于终端系统位于管线的各个监测点上，通常都没有市电供应，所以需要使用电池供电。本系统的实现难点就在于现场终端系统的功耗问题。综合考虑后，用户可以接受和认可的终端工作流程是终端平时处于低功耗休眠状态，采用定时唤醒的方式采样当前水压值。如果水压正常，则按预先设定的时间间隔上线通报数据。如果水压超限，则立即启动无线通信，将警情信息通知用户。在上传完采样数据后，设备恢复低功耗的正常工作状态。
广州致远电子有限公司生产的低功耗GPRS无线数据采集设备ZWG-5221L能够同时满足低功耗运行、高精度模拟信号采集、数据智能处理以及灵活的数据上传机制。该产品外形如图3所示。
(1)产品主要特性
· 两路电流/电压测量(0～20 mA或0～40 mA/0～5 V或0～10 V)；
· 可缓存300条历史采样记录供服务器调用；
· 一路电压输出（5 V 200 mA或12 V 50 mA或24 V 20 mA）；
· 低功耗设计（休眠状态<1 mA）；
· 内置备用电源（在主电力失效时使用备用电池通知用户，并保证设备正常工作2 h）；
· 具有电源冗余管理功能，主电源和备用电源之间自动切换并通知用户；
· 具有设备工作温度测量功能；
· 具有实时时钟功能，对采集的数据增加时间戳，方便数据库管理和分析；
· 支持采样值上下限和变化率报警；
· 支持永远在线或正常定时上线和报警即时上线；
· 支持数据中心动态域名或IP地址访问；
· 支持短信报警和短信配置；
· 支持本地串口配置和远程配置；
· 单5 ～7 V供电(适合6 V蓄电池或7 V以下锂电池供电)；
· 多重软硬件可靠设计，使设备安全运行。
(2)低功耗运行
ZWG-5221L工作状态和电流的关系如图4所示。从图中可以看到设备在采样间歇的休眠状态下仅有600 μA的工作电流，在采样状态时仅有15 mA的工作电流(通常3～5 s完成一次采样)，而这两个状态占据着终端运行时间的95%以上，所以整个终端系统可以依靠电池工作很长的时间（具体参数和计算方法请参阅产品说明书）。
同时该产品具有电压定时输出功能，可以用于外部变送器的电源供给，并可以与数据采集灵活配合。实现采集数据前输出电压，使变送器预热，在采集结束后切断输出，使变送器掉电，以节约能源。
(3)高精度模拟量采集
ZWG-5221L具有电流（0～20 mA/40 mA）和电压（0～5 V/10 V）的测量功能，均为12 bit精度。设备内置硬件滤波器（可提供滤波效果更好的外置滤波模块选件），还具有用户可控制滤波强度的软件滤波算法，软硬件组合处理可以让采集的数据更加真实稳定。所以该设备特别适合驳接各种变送器，包括本系统需要的压力变送器。
采集结果可以按用户的要求进行上下限判断以及变化率判断，如果超过用户预设的指标，将会触发报警事件。
(4)灵活的数据通信机制
ZWG-5221L采集到的结果如果属于正常范围，它将按照用户预先设定的时间，通过GPRS周期性地连接远程数据中心服务器，并将数据上传。
采集结果如果属于超限值，将会触发报警事件，报警信息通过GPRS通知监控中心服务器。如果用户使能了短信报警功能，则同时发送报警短信至相关负责人员的手机，方便管理人员第一时间了解到事故状况和位置。
另外，为了数据的安全可靠，用户还可以选择短信传数功能。这样如果因为网络或服务器故障而导致GPRS通信失败，ZWG-5221L将启动短信功能把最新的一条数据送达指定号码。
3.3 监控中心及服务器软件
监控中心的作用是接收现场终端上传的数据，并具有数据库功能，可以将各个终端的数据保存起来供以后分析使用。同时监控中心软件还应具有警情提醒的功能，当终端设备出现警情时，要能提醒工作人员紧急处理。
ZWG-5221L作为TCP客户端会主动访问位于监控中心的TCP服务器，服务器有多种架设方案，比较经济和可靠的方案是采用固定IP上网的方式，终端设备访问该固定IP即可连接上服务器。
ZWG-5221L设备还提供了上位机驱动库函数和众多开发平台的示例程序，用户可以基于这些资源轻松编写出具有自己特色的监控中心软件。
4 终端安装要点
终端通常是在户外无人值守的环境下工作，而且因为要靠近输送管线安装，所以通常是安装在维护井中。维护井环境比较恶劣，建议用户将ZWG-5221L、电池和压力变送器集中安装在防水箱中，再将防水箱安装在现场，如图5所示。
图5 终端设备现场安装示意图
该系统在多个城市投入使用后，经过长时间的运行，系统稳定可靠，取得了满意的效果。该系统方案同样适用于其他管网监控领域，如污水管道、石油管道、天然气管道等。
通过选择不同类型的变送器，该系统几乎可以胜任各种低功耗远程无线智能监控领域的要求。
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