趙繼春,王國(guó)杰,王敏,王洪彪
(1. 北京市農(nóng)林科學(xué)院,北京市,100097; 2. 邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院,邯鄲市,056001)
我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量較大,在農(nóng)田水利建設(shè)中投入大量資金,建設(shè)了大量農(nóng)田灌溉管網(wǎng)。而農(nóng)田灌溉用水漏損情況比較嚴(yán)重,漏損率相對(duì)比較高,灌溉管網(wǎng)滲漏不僅損失大量水資源,而且大幅降低農(nóng)田用水灌溉效率,因此加強(qiáng)農(nóng)田灌溉管網(wǎng)漏損監(jiān)測(cè),預(yù)判管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài),對(duì)于提高農(nóng)田用水效率,減少管道滲水量,具有積極而重要的意義。隨著人們對(duì)灌溉管網(wǎng)滲漏的日益關(guān)注以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,管網(wǎng)漏損監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了迅速發(fā)展。
國(guó)內(nèi)外研究者在管網(wǎng)漏損監(jiān)測(cè)方面開(kāi)展了大量研究工作,監(jiān)測(cè)技術(shù)分為主動(dòng)監(jiān)測(cè)和被動(dòng)監(jiān)測(cè)[1]。國(guó)際上通用的監(jiān)測(cè)方法包括:區(qū)域裝表法[2-3]、聽(tīng)音(聲振)法[4]、探地雷達(dá)法[5]、相關(guān)檢漏法、分布光纖法及噪聲法[6-7]等。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展,出現(xiàn)新型供水管網(wǎng)漏損監(jiān)測(cè)技術(shù),如瞬變時(shí)間頻率分析法、多級(jí)支持向量機(jī)區(qū)域檢測(cè)法、基于累計(jì)求和多尺度小波分析的組合方法等?,F(xiàn)階段,我國(guó)的管網(wǎng)漏損監(jiān)測(cè)還多以振動(dòng)噪聲檢漏法、區(qū)域檢漏法、光纖傳感法等為主[8-9]。然而,光纖線纜鋪設(shè)成本較高。振動(dòng)噪聲法應(yīng)用加速度傳感器技術(shù),采集管網(wǎng)泄漏時(shí)引起的管壁振動(dòng)信號(hào),具有體積小、安裝簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)范圍寬及線性度好等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用在管網(wǎng)漏損監(jiān)測(cè)。在農(nóng)田灌溉管網(wǎng)漏損監(jiān)測(cè)方面,存在數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確率不高、數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定等問(wèn)題,相關(guān)的研究還有待于進(jìn)一步擴(kuò)充。
本文采用嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù),應(yīng)用壓電加速度傳感器、壓力變送器和超聲波流量計(jì)等,采集網(wǎng)管振動(dòng)噪聲、水壓和流量等數(shù)據(jù),經(jīng)自適應(yīng)濾波后,以4G無(wú)線通信[10-12]低功耗傳輸方式,將采集的數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用管理云平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田灌溉系統(tǒng)是否存在漏損情況進(jìn)行預(yù)判,從而減少漏水造成的經(jīng)濟(jì)損失,有效提升農(nóng)田用水效率。
農(nóng)田灌溉管網(wǎng)漏損智能無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以嵌入式單片機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)為基礎(chǔ),總體結(jié)構(gòu)分為物聯(lián)網(wǎng)感知層、傳輸層和應(yīng)用層(圖1)。感知層主要實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集,包含傳感器信號(hào)放大調(diào)理電路、多路485通訊接口、測(cè)試接口電路及4G通信模塊等,實(shí)現(xiàn)壓電加速度傳感器、壓力變送器、超聲波流量計(jì)信號(hào)采集、存儲(chǔ)及濾波等功能。傳輸層通過(guò)4G無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理云平臺(tái)[13-14]。應(yīng)用層主要包括云端數(shù)據(jù)服務(wù)器及應(yīng)用管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總、處理、分析及其報(bào)警等功能。
圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖
傳感器數(shù)據(jù)采集與傳輸電路采用低功耗設(shè)計(jì),核心控制芯片以STM32F407嵌入式單片機(jī)[15-17]為基礎(chǔ),由電源模塊、壓力變送器、超聲波流量計(jì)、壓電式加速度傳感器、多路485、A/D轉(zhuǎn)換及測(cè)試擴(kuò)展接口、放大調(diào)理電路及4G無(wú)線通信等部分組成。數(shù)據(jù)采集與傳輸電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸電路結(jié)構(gòu)圖
依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求及考慮芯片穩(wěn)定性因素,應(yīng)用STM32F407核心處理器作為CPU主控芯片[18],處理器為高性能的32位Cortex-M4處理器,頻率達(dá)到168 MHz,支持浮點(diǎn)運(yùn)算及其DSP指令。具有144個(gè)輸入輸出接口,支持SWD和JTAG兩種方式進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。
設(shè)計(jì)過(guò)程中,4G無(wú)線通信模塊和振動(dòng)傳感器通過(guò)異步串口總線與CPU控制模塊連接。壓力變送器及超聲波流量計(jì)通過(guò)485總線與CPU控制模塊連接。
選用壓電加速度、壓力變送器及超聲波流量計(jì)三種傳感器。壓電加速度傳感器采集管網(wǎng)漏損時(shí)的噪聲振動(dòng),根據(jù)噪聲振動(dòng)變化數(shù)據(jù)預(yù)判管網(wǎng)泄露情況。壓力變送器采集管網(wǎng)的水壓,防止長(zhǎng)時(shí)間壓力過(guò)大導(dǎo)致爆管。超聲波流量計(jì)用于監(jiān)測(cè)水流速度,在灌溉管網(wǎng)中分區(qū)域安裝,判斷計(jì)量區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)漏水量。傳感器選型設(shè)計(jì)如表1所示。
表1 傳感器選型設(shè)計(jì)Tab. 1 Sensor selection and design
電源模塊設(shè)計(jì)原理如圖3所示。
圖3 電源模塊原理圖
傳感器數(shù)據(jù)采集裝置一般處于偏遠(yuǎn)的農(nóng)田灌溉園區(qū),采用電網(wǎng)供電方式不便捷,因此采用可充電的高性能鋰電池供電。壓電式加速度傳感器電源輸入電壓為12~24 V,輸出0~5 V。壓力變送器電源輸入電壓為12~32 V,輸出4~20 mA。超聲波流量計(jì)電源輸入電壓8~36 V,輸出為RS485方式。依據(jù)設(shè)計(jì)需求,電源模塊選用12 VLM2675M高性能開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器鋰電池組,轉(zhuǎn)換效率約為88%,可提供超低噪聲和低靜態(tài)電流,具有關(guān)斷功能。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片選用大容量可擦除的編程存儲(chǔ)器AT24C512,數(shù)據(jù)容量為64 KB,可實(shí)現(xiàn)10萬(wàn)次編程與擦寫應(yīng)用,電源輸入電壓為1.8~5.5 V。當(dāng)4G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)時(shí),用于存儲(chǔ)傳感器采集的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)連接時(shí),將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)上傳到云管理軟件系統(tǒng)。存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)原理如圖4所示。
圖4 存儲(chǔ)電路原理圖
系統(tǒng)的壓力變送器和超聲波流量計(jì)傳感器與數(shù)據(jù)采集控制電路采用RS485總線通信方式,采用平衡發(fā)送和差分接收的方式,對(duì)于抑制共模干擾效果較好。應(yīng)用主機(jī)控制從機(jī)通信方式,由主機(jī)發(fā)送命令或數(shù)據(jù),從機(jī)應(yīng)答,從機(jī)之間交換信息通過(guò)主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn),通信過(guò)程包括主機(jī)查詢、從機(jī)應(yīng)答和鏈路釋放三個(gè)階段。RS485總線電路設(shè)計(jì)原理如圖5所示。
圖5 RS485總線電路圖
壓電式加速度傳感器輸出模擬電壓為0~5 V,而STM32處理器的A/D輸入電壓范圍為0~3.3 V,采用串聯(lián)電阻分壓方式滿足系統(tǒng)要求。為降低傳感器功耗,壓力變送器采用4~20 mA信號(hào)傳輸模式。通過(guò)150 Ω電阻將4~20 mA信號(hào)轉(zhuǎn)換成0.6~3 V電壓,然后通過(guò)嵌入式軟件進(jìn)行校準(zhǔn)。轉(zhuǎn)換電路原理如圖6所示。
圖6 轉(zhuǎn)換電路原理圖
4G無(wú)線通信模塊采用SIM7020C,支持LTE CAT-NB1,具有省電和延長(zhǎng)接收模式,應(yīng)用AT指令實(shí)現(xiàn)傳輸控制操作,應(yīng)用接口包括UART、GPIO、I2C等,引出的控制引腳可直接連接Arduino、STM32等核心控制器。支持TCP、HTTP、FTP、UDP、LWM2M、MQTT等應(yīng)用。模塊設(shè)計(jì)原理如圖7所示。
圖7 4G無(wú)線通訊模塊電路原理圖
基于嵌入式的農(nóng)田灌溉管網(wǎng)漏損智能無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集與傳輸、自適應(yīng)濾波、云平臺(tái)應(yīng)用管理等功能。
為降低系統(tǒng)功耗,軟件程序采用STM32休眠模式實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì),數(shù)據(jù)采集電路以休眠工作狀態(tài)為主,數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)喚醒處理系統(tǒng)。依據(jù)采集程序設(shè)定,通過(guò)定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)定時(shí)采集、處理、發(fā)送數(shù)據(jù),每次喚醒CPU定時(shí)器時(shí),根據(jù)云端管理服務(wù)器數(shù)據(jù)校準(zhǔn)時(shí)間。處理器串口中斷實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)調(diào)試、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。傳感器數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件流程如圖8所示。
圖8 傳感器數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件流程圖
數(shù)據(jù)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí),4G無(wú)線通信模塊設(shè)定為NET透明傳輸模式,傳輸?shù)刂窞樵贫朔?wù)器域名和端口號(hào),網(wǎng)絡(luò)傳輸連接類型為TCP方式,本地端口號(hào)為私有端口號(hào),關(guān)閉心跳模式。
為濾除傳感器數(shù)據(jù)采集的無(wú)效信號(hào),本設(shè)計(jì)采用最小均方自適應(yīng)濾波算法[20]進(jìn)行濾波,該算法利用自適應(yīng)濾波器,實(shí)時(shí)跟蹤信道的特性,不斷的調(diào)整均衡器的參數(shù)使其保持在最優(yōu)的狀態(tài)。自適應(yīng)濾波器兩個(gè)輸入端是橫向輸入端信號(hào)x(n)、理想輸出信號(hào)d(n)。兩個(gè)輸出端是橫向?yàn)V波器實(shí)際輸出端信號(hào)y(n)、反饋信號(hào)e(n),濾波器的加權(quán)系數(shù)為wi(n)(i=0,1,…,M-1),算法數(shù)學(xué)表達(dá)如式(1)~式(3)所示。
(1)
e(n)=d(n)-y(n)
(2)
wi(n+1)=wi(n)+2μe(n)x(x-i),
i=0,1,…,M-1
(3)
式中:μ——收斂因子。
由于本設(shè)計(jì)采集電路板對(duì)每次濾波的迭代速度要求較高,而對(duì)精度的要求不高,因此最小均方自適應(yīng)濾波算法適合應(yīng)用本系統(tǒng),算法結(jié)構(gòu)如圖9所示。
圖9 最小均方自適應(yīng)濾波算法結(jié)構(gòu)圖
考慮開(kāi)發(fā)成本、可靠性、安全性及便捷性等因素,系統(tǒng)采用基于Modbus RTU協(xié)議的私有云服務(wù)平臺(tái),Modbus協(xié)議包括RTU和TCP,RTU模式采用16位CRC校驗(yàn),TCP無(wú)CRC校驗(yàn)設(shè)置,增加6個(gè)起始字符組,用于定義TCP/IP協(xié)議所需系數(shù)。
云平臺(tái)應(yīng)用管理軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)查詢、警告和數(shù)據(jù)匯總分析等功能,為用戶應(yīng)用與管理提供較好的人機(jī)交互入口。系統(tǒng)應(yīng)用Java軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,存儲(chǔ)與管理數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL。系統(tǒng)功能模塊包括傳感器數(shù)據(jù)采集、傳感器設(shè)備分組管理、數(shù)據(jù)分組查詢、報(bào)警設(shè)置、固件升級(jí)、綜合分析等,系統(tǒng)功能模塊如圖10所示。
圖10 云平臺(tái)應(yīng)用管理軟件功能結(jié)構(gòu)圖
傳感器數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)振動(dòng)噪聲、流量和壓力信號(hào)實(shí)時(shí)獲取功能,其采集頁(yè)面如圖11所示。
傳感器設(shè)備分組管理實(shí)現(xiàn)設(shè)備編碼識(shí)別設(shè)置;數(shù)據(jù)分組查詢用于查看某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)或曲線圖;報(bào)警設(shè)置模塊實(shí)現(xiàn)傳感器報(bào)警閾值設(shè)置功能;固件升級(jí)實(shí)現(xiàn)采集控制管理軟件版本升級(jí)管理;綜合分析依據(jù)相關(guān)分析法判斷管網(wǎng)是否漏損。
圖11 云端應(yīng)用管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集頁(yè)面
系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)采集灌溉管網(wǎng)中傳感器的水壓、流量與振動(dòng)噪聲等數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)自適應(yīng)濾波后,實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、傳輸、分析和處理的功能。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與軟件開(kāi)發(fā)完成后,為驗(yàn)證系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?,開(kāi)展試驗(yàn)。
在灌溉管網(wǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部署完成后,通過(guò)探頭設(shè)定通訊小程序,采集傳感器的振動(dòng)噪聲、流量和壓力數(shù)據(jù),以串口異步通訊模式進(jìn)行通信,采集數(shù)據(jù)如圖12所示。此時(shí)管網(wǎng)處于非灌溉時(shí)間,為提高監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用100次積分累加方式,監(jiān)測(cè)的振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)范圍為1~8 dB,流量為0,管網(wǎng)壓力約為40 MPa。
圖12 探頭設(shè)定通訊小程序數(shù)據(jù)采集
同時(shí),通過(guò)設(shè)計(jì)的云端應(yīng)用管理軟件系統(tǒng)采集相同傳感器的振動(dòng)噪聲、流量和壓力數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)通過(guò)4G無(wú)線通信模塊進(jìn)行傳輸,云端應(yīng)用管理軟件系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與通過(guò)探頭設(shè)定通訊小程序采集的一致,試驗(yàn)結(jié)果表明傳感器數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定高效,經(jīng)過(guò)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)處理后,未出現(xiàn)信號(hào)損失現(xiàn)象。同時(shí)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行20次查詢?cè)囼?yàn),數(shù)據(jù)查詢響應(yīng)時(shí)間平均小于1.2 s。
預(yù)判管網(wǎng)泄漏和閥門漏水時(shí),由于在灌溉時(shí)段內(nèi)水流噪聲過(guò)大影響預(yù)判結(jié)果,因而在非灌溉時(shí)段內(nèi),測(cè)試時(shí)間為0時(shí)至4時(shí),噪聲閾值通常設(shè)置為80 dB,當(dāng)噪聲數(shù)據(jù)大于此值時(shí),系統(tǒng)預(yù)判出現(xiàn)管網(wǎng)泄漏或者閥門漏水。預(yù)判管網(wǎng)爆管時(shí),通過(guò)相鄰的兩個(gè)壓力傳感器采集數(shù)據(jù)100次,累加差值大于5 MPa;或者相鄰的兩個(gè)流量傳感器數(shù)據(jù)累加差值出現(xiàn)較大偏差;或者振動(dòng)傳感器采集的噪聲數(shù)據(jù)顯著大于泄露時(shí)的閾值80 dB,一般可以達(dá)到幾百分貝。
首先,試驗(yàn)在非灌溉時(shí)間內(nèi),管網(wǎng)出現(xiàn)泄漏條件下進(jìn)行,現(xiàn)場(chǎng)部署1個(gè)振動(dòng)傳感器、兩個(gè)壓力傳感器及1個(gè)流量傳感器,每隔3 min采樣一次噪聲、壓力和流量數(shù)據(jù),總計(jì)采集12組數(shù)據(jù)(表2)。由于漏水流量相對(duì)較少,相鄰兩個(gè)壓力傳感器數(shù)值差較小或近似相等。由于非灌溉時(shí)間,流量近似為零。因此,主要通過(guò)噪聲進(jìn)行預(yù)判,采集的振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)警值80 dB,狀態(tài)標(biāo)識(shí)為1,顯示報(bào)警。
表2 管網(wǎng)漏損條件下傳感器采集數(shù)據(jù)Tab. 2 Data acquisition by sensors under the condition of pipeline leakage
其次,在管網(wǎng)處于非灌溉時(shí)段內(nèi),采集正常非漏損條件下四組數(shù)據(jù)(圖13)。噪聲數(shù)據(jù)累加值最大為12 dB,小于預(yù)警值80 dB,狀態(tài)顯示正常。
圖13 管網(wǎng)正常情況下傳感器噪聲數(shù)據(jù)
為測(cè)試傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)4G無(wú)線通信模塊傳輸?shù)慕研?,測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)送(Send_data)、接收(Rece_data)、丟包率(Lose_data)及其延時(shí)響應(yīng)時(shí)間(Delay_time),采用實(shí)時(shí)多次數(shù)據(jù)傳輸方法,獲取六組測(cè)試數(shù)據(jù)(表3)。
表3 傳感器數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收數(shù)據(jù)Tab. 3 Sensor data packet sending and receiving
試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明發(fā)送(Send_data)與接收(Rece_data)數(shù)據(jù)包數(shù)量一致,數(shù)據(jù)傳輸完整,未出現(xiàn)損失現(xiàn)象,數(shù)據(jù)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)难訒r(shí)響應(yīng)時(shí)間小于1.8 s,驗(yàn)證了傳輸控制協(xié)議面向連接并且可靠,說(shuō)明傳感器數(shù)據(jù)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中傳輸具有較好的健壯性。
1) 通過(guò)傳感器、嵌入式開(kāi)發(fā)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田灌溉管網(wǎng)漏損智能無(wú)線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng),以STM32F407核心處理器為硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ),通過(guò)4G無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端應(yīng)用管理服務(wù)器,同時(shí)開(kāi)發(fā)了上位機(jī)數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用分析系統(tǒng)。
2) 開(kāi)展了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn),結(jié)果表明傳感器可有效采集農(nóng)田灌溉管網(wǎng)的振動(dòng)噪聲、流量和壓力信號(hào)數(shù)據(jù),在非灌溉時(shí)間測(cè)試管網(wǎng)漏損狀態(tài),采集的噪聲數(shù)值超過(guò)預(yù)警值80 dB并進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)可靠性較好,傳感器數(shù)據(jù)在4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中傳輸完整,無(wú)數(shù)據(jù)丟包,平均延時(shí)響應(yīng)時(shí)間小于1.8 s。應(yīng)用管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢響應(yīng)時(shí)間小于1.2 s。
3) 云端應(yīng)用管理系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)灌溉管網(wǎng)的振動(dòng)噪聲、流量和壓力等傳感器數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)報(bào)警設(shè)置與監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)查詢、固件升級(jí)、數(shù)據(jù)分析等功能。系統(tǒng)部署簡(jiǎn)單快捷,可廣泛應(yīng)用于農(nóng)田灌溉管網(wǎng)監(jiān)測(cè),具有較好的應(yīng)用前景。