基于ZigBee的潛體式給水管網(wǎng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)想

文/梁婷 王瑛琳 強(qiáng)皓凡 袁星宇

基于ZigBee的潛體式給水管網(wǎng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)想

文/梁婷 王瑛琳 強(qiáng)皓凡 袁星宇

本設(shè)想是擬設(shè)計(jì)出一種小型的潛體式順?biāo)苿?dòng)定期檢查裝置，采用ZigBee信號(hào)傳感技術(shù)，通過監(jiān)測(cè)該水管段流速的變化并與實(shí)際應(yīng)有流速作比較來反映水管的狀況；安裝有最新型ZigBee系統(tǒng)長度覆蓋可達(dá)1000米，覆蓋面積近方圓一公里，實(shí)現(xiàn)“準(zhǔn)確及時(shí)顯示，節(jié)約人力物力”。且基于以上理念設(shè)計(jì)的模型，其數(shù)據(jù)通過編程能夠?qū)崿F(xiàn)在移動(dòng)終端（PC）上的反映與控制。

ZigBee 給水管網(wǎng) 監(jiān)測(cè) 定位

1 研究背景

1.1 研究的目的及意義

城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)是城市生活的命脈，管網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行十分重要。但在日常生活中給水管爆裂事件時(shí)有發(fā)生，由于不能精確定位與監(jiān)督的不利，造成搶修時(shí)間較長，以至影響了居民的正常日常生活。現(xiàn)有的關(guān)于監(jiān)測(cè)給水管網(wǎng)爆裂的系統(tǒng)大致分為兩種：一為派人工做定期檢查，但城市給水管分布常常錯(cuò)綜復(fù)雜且達(dá)方圓幾百公里，這樣檢查既費(fèi)時(shí)費(fèi)力又費(fèi)財(cái)；第二種方法為定距監(jiān)測(cè)，指在一定距離內(nèi)的水管上安裝監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)視這一段水管的狀況，但同樣需要大量的該裝置覆蓋整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)，且現(xiàn)如今兩個(gè)裝置間間隔可達(dá)數(shù)公里，造成裝置不能精確反映爆裂位置。靠工人尋找費(fèi)時(shí)，且水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。我們的研究方向是設(shè)計(jì)一款裝置使其能精確的反映出水管爆裂的位置，且能將檢測(cè)的整個(gè)過程，通過ZigBee傳感裝置精確的直觀的以圖表的形式反映在終端上，做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，精確搶修，使損失與影響減到最小。

1.2 研究的目的及意義

目前，由于ZigBee技術(shù)較藍(lán)牙、WiFi技術(shù)的優(yōu)越性，其距離長、耗能小的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)被越來越多的用于定位系統(tǒng)中，如井下無線定位系統(tǒng)（用于清楚的反映每一位礦工的位置）、井下管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、建筑排水系統(tǒng)立管壓力的監(jiān)測(cè)等等。

在眾多無線通信技術(shù)的應(yīng)用中，由于系統(tǒng)復(fù)雜、運(yùn)營費(fèi)用高、功耗高、單位成本大或電池壽命短等原因，很難在低數(shù)據(jù)率且監(jiān)控網(wǎng)點(diǎn)多的工礦業(yè)應(yīng)用中推廣，而ZigBee技術(shù)以其獨(dú)特的價(jià)值將擁有廣闊的發(fā)展前景。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 設(shè)計(jì)思路

一種基于ZigBee的潛體式給水管網(wǎng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本思路是：本裝置是一種微型的潛體式順?biāo)苿?dòng)定期檢查裝置，通過監(jiān)測(cè)該水管段流速的變化與實(shí)際應(yīng)有流速作比較來反映水管的狀況；安裝有最新型ZigBee系統(tǒng)長度覆蓋可達(dá)1000米，覆蓋面積近方圓一公里。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本模型外觀為微小的圓球型隨水流一同運(yùn)動(dòng)，核心部件為ZigBee盲節(jié)點(diǎn)。

2.2.1 模型整體的潛體式設(shè)計(jì)

地下給水管為有壓管道，為了避免由于模型沉底或浮面而在前進(jìn)的過程中與管壁接觸而產(chǎn)生磨損，模型的整體設(shè)計(jì)采用潛體式，使模型能和水流一同運(yùn)動(dòng)且不會(huì)因磨損損壞。

2.2.2 ZigBee系統(tǒng)

ZigBee無線定位系統(tǒng)由ZigBee節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)置ZigBee協(xié)議棧，分為參考節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)。參考節(jié)點(diǎn)是將坐標(biāo)設(shè)置成已知的一類靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，盲節(jié)點(diǎn)是一類可移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，在參考節(jié)點(diǎn)圍成的網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)移動(dòng)。盲節(jié)點(diǎn)向參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)，參考節(jié)點(diǎn)將自身坐標(biāo)和在這個(gè)距離上測(cè)得的RSSI的值發(fā)送給盲節(jié)點(diǎn)，盲節(jié)點(diǎn)在接收到定位區(qū)域內(nèi)所有參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值和位置信息后，經(jīng)過定位算法來計(jì)算其坐標(biāo)位置，測(cè)得的位置信息不停的刷新，可視化地顯示在上位機(jī)監(jiān)控軟件上。其優(yōu)點(diǎn)主要有：

（1）功耗低。采用了多個(gè)低功耗技術(shù)。其節(jié)點(diǎn)電池工作時(shí)間可以達(dá)1年。

（2）網(wǎng)絡(luò)時(shí)延短。通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延為30ms，休眠激活的時(shí)延是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。與之相比，藍(lán)牙需要3s～10s而Wi-Fi需要3s。

（3）數(shù)據(jù)傳輸可靠。ZigBee主要應(yīng)用于工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。且在對(duì)井下工人的定位中已經(jīng)有了應(yīng)用，其MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，若傳輸過程中出現(xiàn)問題可以重新發(fā)送。

（4）網(wǎng)絡(luò)容量大。網(wǎng)絡(luò)可以容納254個(gè)盲節(jié)點(diǎn)設(shè)備和1個(gè)已知節(jié)點(diǎn)設(shè)備，組網(wǎng)方式靈活。

（5）成本低。ZigBee協(xié)議免專利費(fèi)用，且已經(jīng)在市場(chǎng)上批量生產(chǎn)。

我們的裝置采用最新型ZigBee系統(tǒng)中的Wbee系統(tǒng)，在增加發(fā)射功率后信號(hào)傳遞已經(jīng)可以達(dá)到數(shù)公里，且使用ZigBee的信號(hào)傳感系統(tǒng)是目前最為省電節(jié)能的信號(hào)傳遞系統(tǒng)，這樣，區(qū)別于固定式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由于信號(hào)為方圓覆蓋模式，所以可以大大減少信號(hào)塔的數(shù)量。

圖1：測(cè)流速原理示意圖

3 管網(wǎng)監(jiān)測(cè)原理

城市的給水管由電腦三維模型作出為交錯(cuò)的管網(wǎng)系統(tǒng)，其中的每一條管道都有明確的管徑與長度，在給水時(shí)給定流量，那么每一段管道都應(yīng)該具有一定且不變的流速。當(dāng)管道發(fā)生破裂時(shí)，該處的流速將發(fā)生驟變。我們的裝置正是通過監(jiān)測(cè)水流流速的變化來判別管道是否發(fā)生破壞。

在ZigBee傳輸信號(hào)的路程上，它將每隔△t時(shí)間傳送信號(hào)到終端上，通過設(shè)備在這一段△t內(nèi)走過的距離，我們可以得出這一段水管的實(shí)際速度是多少，把根據(jù)設(shè)備得到的數(shù)據(jù)與已知定管數(shù)據(jù)對(duì)比，就可以推算出該管段是否發(fā)生爆裂。

4 結(jié)語

該給水管網(wǎng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用潛體的物理特征，在ZigBee的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，可應(yīng)用于城市給水系統(tǒng)的故障診斷排查，減少給水管網(wǎng)管道爆裂事故的發(fā)生，有效保障城市用水的安全穩(wěn)定。同時(shí)，該系統(tǒng)有效地克服了以前給水管網(wǎng)缺乏有效的故障診斷方法、突發(fā)事故時(shí)難以及時(shí)找出故障的具體位置、信號(hào)采集困難、管理水平低等缺陷，并且可以在我國乃至全世界的大中型城市進(jìn)行推廣。

[1]王靜,張會(huì)清.基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].傳感器與微系統(tǒng),2010,29(02)：13-25.

[2]王立波,陳慈發(fā).CC2431的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2008(09)：58-63.

[3]孫花,李響.基于ZigBee無線通信的井下人員定位系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)械,2013-9-34(09)：269-271.

作者單位 四川大學(xué)水利水電學(xué)院 四川省成都市610065