基于GIS 的低功耗供水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李 越，楊 虎，袁 衛(wèi)，王 峰

（渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，陜西渭南 714099）

水是人類生產(chǎn)生活中必不可少的物質(zhì)資源，近幾年來，隨著自來水管網(wǎng)鋪設(shè)覆蓋率的提升，管網(wǎng)發(fā)生的安全事故日漸增多，在供水管網(wǎng)的日常維護中，需要對故障點進(jìn)行精確定位，倘若僅靠人工檢測會造成大量的人力物力資源消耗。為此，提出了基于GIS 的低功耗供水管網(wǎng)檢測系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了對供水管網(wǎng)實時運行數(shù)據(jù)的高精度采集，極大地降低了供水管網(wǎng)日常維護難度和維護成本，提高了工作環(huán)境的安全等級，能有效保障工人的人身安全。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)由PC 上位機、ThingJS 平臺以及無線通信網(wǎng)絡(luò)三部分組成，其中ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備以MSP430F149 單片機作為數(shù)據(jù)處理芯片，外圍電路分別搭載了高精度傳感器（YF-S201 流量傳感器、流通式余氯傳感器、IIC 輸出壓力變送壓力傳感器、霍爾傳感器）、藍(lán)牙模塊和存儲芯片（AT24C02），以實現(xiàn)對供水管網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的高精度采集與存儲。單片機負(fù)責(zé)處理傳感器檢測到的環(huán)境參數(shù)，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)以多跳的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器結(jié)點，結(jié)點通過串口與GPRS 模塊建立通信，最終通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC 上位機[1]。

使用CampusBuilder 軟件導(dǎo)出監(jiān)測區(qū)域的3D 模型數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳至ThingJS 在線開發(fā)平臺，平臺通過JavaScript 請求服務(wù)器建立WebSocket 連接，用于實時接收GPRS 回傳的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過3D 視圖將供水管網(wǎng)運行數(shù)據(jù)顯示在屏幕上[2-4]。系統(tǒng)的硬件搭建框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件電路搭建框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 流量檢測

系統(tǒng)采用YF-S201 流量傳感器檢測管道水體流速，當(dāng)水流帶動傳感器磁性轉(zhuǎn)子做不規(guī)律轉(zhuǎn)動時，霍爾傳感器對應(yīng)輸出不同頻率的脈沖信號，使用單片機檢測脈沖頻率即可計算出該區(qū)域管道水體流速，進(jìn)而得出流量，通過分析得出某一區(qū)域管網(wǎng)進(jìn)出水總量的差值，從而判斷該區(qū)域是否存在滲漏點[5-6]。傳感器輸出波形示意圖如圖2 所示，流量與脈沖對應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

圖2 YF-S201流量傳感器

表1 流量脈沖特性參照表

2.2 余氯檢測

水中氨和氯組成的化合物（NH2Cl、NHCl2、NHCl3）稱為化合性余氯，而水中的OCl+、HOCl、Cl2等離子稱為游離性余氯[7]。

系統(tǒng)使用流通式余氯傳感器檢測水體中余氯濃度（0.00～20.00 mg/L），余氯濃度對應(yīng)4～20 mV 電信號輸出，輸出信號線連接PCF8591 芯片完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機通過經(jīng)IIC總線獲取數(shù)據(jù)，配合燒錄的軟件程序進(jìn)行高精度實時檢測（1.2% or±10 ppb HOCL），且具有動態(tài)溫度補償，進(jìn)一步提高了檢測精度，當(dāng)檢測到的數(shù)據(jù)接近預(yù)設(shè)警戒線時，系統(tǒng)發(fā)出警報。

2.3 壓力檢測

為滿足監(jiān)測系統(tǒng)的高精度與低功耗設(shè)計要求，系統(tǒng)使用IIC 輸出壓力變送器，使用1.6～3.6 V DC 供電，其工作狀態(tài)功耗不高于1.2 mA，睡眠狀態(tài)功耗不高于30 nA（@1.6 V），輸出精度為1～2.0%FSO，標(biāo)準(zhǔn)IIC總線最高傳輸速率可達(dá)400 kbps，采集速率50 次/s，24 位輸出數(shù)據(jù)，可同時輸出壓力和溫度數(shù)據(jù)。

上電后，單片機首先發(fā)送指令（0xAA）執(zhí)行壓力數(shù)據(jù)讀取操作，在設(shè)備回應(yīng)對指令后，通過串口寄存器發(fā)回數(shù)據(jù)，在這個過程中單片機內(nèi)部產(chǎn)生串行時鐘、確認(rèn)信號以及停止條件。將讀取到的數(shù)據(jù)幀按字節(jié)進(jìn)行解析（第1 個字節(jié)為狀態(tài)字節(jié)；第2-4 字節(jié)為24 位無符號壓力數(shù)據(jù)，高字節(jié)在前，低字節(jié)在后；第5-7 字節(jié)為24 位無符號溫度數(shù)據(jù)，高字節(jié)在前，低字節(jié)在后），將解析過的數(shù)據(jù)信息通過IIC 協(xié)議傳遞給MSP430 單片機[8]，完成壓力數(shù)據(jù)的高精度檢測。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 IIC總線

在IIC 通信協(xié)議里，需要用到數(shù)據(jù)線SDA 及時鐘線SCL，通過軟件模擬將MSP430F149 單片機P1^2 口（SCL）和P1^3口（SDA）端口設(shè)置為IIC通信端口，空閑狀態(tài)將P1^2 口和P1^3 口上拉到電源電壓（VDDA）；起始條件將P1^2 口置高而P1^3 口由高電平下跳到低電平（GND）；停止條件將P1^2 口置高而P1^3 口由低電平上跳到高電平；有效數(shù)據(jù)出現(xiàn)在有效的開始條件后，若P1^2 口置于高電位，并且P1^3 口處于一個穩(wěn)定的電壓水平，則傳輸數(shù)據(jù)有效。當(dāng)P1^2 口處于低電位時，P1^3 口的電壓才能改變[9-11]。其通信協(xié)議規(guī)則如圖3 所示。

圖3 IIC通信協(xié)議規(guī)則

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)在ZigBee 樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上搭建了拓?fù)渚W(wǎng)格[12]，使用的ZigBee 設(shè)備工作在2.4 GHz 頻段的第9 信道以最高250 kbps 的速率傳遞數(shù)據(jù)。通過查閱資料可知，在一個獨立的ZigBee 拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中，最多可容納65 536 個設(shè)備[13]，其優(yōu)秀的自組網(wǎng)能力使得網(wǎng)絡(luò)搭建更加靈活便捷，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 ZigBee拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.3 GPRS網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)ZigBee 協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至GPRS模塊后，基站（BSS）將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)結(jié)點（SGSN），并通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳遞到GPRS 網(wǎng)關(guān)支持結(jié)點，并最終通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至PC 上位機[14-15]。GPRS 與Internet 連接原理如圖5 所示。

圖5 PRS與Internet連接原理圖

GPRS只有在有數(shù)據(jù)傳輸時進(jìn)行收費，單臺GPRS終端通信月費用可控制在20 元以內(nèi)，而GSM 采用的是包月的方式，且最低每月基礎(chǔ)套餐價格為15 元，另外在實時通信方面，GPRS 可以更好地完成數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)娜蝿?wù)。單臺終端設(shè)備的GSM 與GPRS 通信月費比較如表2 所示。

表2 單臺終端設(shè)備的GSM與GPRS通信月費比較

3.4 ThingJS數(shù)據(jù)可視化處理

首先使用CampusBuilder 搭建環(huán)境的3D 地圖，并將地圖數(shù)據(jù)導(dǎo)出上傳至ThingJS 在線開發(fā)平臺；然后使用JavaScript 語言通過WebSocket 協(xié)議獲取GPRS 網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)境數(shù)據(jù)；最后將獲取到的環(huán)境數(shù)據(jù)與模型建立聯(lián)系，并搭建數(shù)據(jù)庫用于存儲分析監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)，最終將管網(wǎng)運行狀態(tài)實時顯示在PC上位機屏幕上。

系統(tǒng)通過IP 地址（源IP 與目標(biāo)IP）、端口號（源端口與目標(biāo)端口）、協(xié)議號三部分來識別一個通信。IP 地址在系統(tǒng)搭建時確定，終端設(shè)備端口號可以根據(jù)需求靈活更改（在1 024～49 151 之間），由操作系統(tǒng)對PC 機端口號進(jìn)行動態(tài)分配（在49 152～65 535之間）。TCP 協(xié)議數(shù)據(jù)格式如圖6 所示。

圖6 TCP協(xié)議數(shù)據(jù)格式

目前大部分瀏覽器支持WebSocket()接口，使用JavaScript 請求服務(wù)器建立WebSocket 連接，使用var Socket=new WebSocket(url,[Protocol])；這 一AIP 創(chuàng) 建WebSocket對象。為了繞過防火墻限制，默認(rèn)使用80端口[16-17]。PC機與服務(wù)器三次握手的流程圖如圖7所示。

圖7 PC機與服務(wù)器進(jìn)行三次握手流程圖

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

供水管網(wǎng)監(jiān)測點電路采用自動溫度補償設(shè)計，滿足系統(tǒng)對運行高穩(wěn)定性的要求，經(jīng)實測，系統(tǒng)可在-40～+85 ℃環(huán)境中長期穩(wěn)定工作，且單個檢測點的設(shè)備正常工作時采樣電流小于3 mA，非采樣電流小于20 μA，最大運行功耗小于10 mW。檢測點每隔5 s 進(jìn)行一次采樣，每隔5 min 進(jìn)行一次數(shù)據(jù)存儲（可在5～60 min 內(nèi)自行設(shè)置），每隔1 h 進(jìn)行一次數(shù)據(jù)上報（可在30 min～12 h 內(nèi)自行設(shè)置）。

供水管網(wǎng)檢測系統(tǒng)正常運行時，ThingJS 平臺可將各監(jiān)測點數(shù)據(jù)實時顯示在PC 機界面，管理人員可根據(jù)3D 地圖數(shù)據(jù)判斷供水管網(wǎng)是否穩(wěn)定運行。當(dāng)有異常數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，系統(tǒng)及時發(fā)出警報，并指引維護人員到故障點進(jìn)行檢修。系統(tǒng)正常運行數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 系統(tǒng)運行參數(shù)

5 結(jié)論

該文供水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計可實現(xiàn)對某一區(qū)域供水管網(wǎng)運行狀態(tài)的高精度實時監(jiān)測，可將監(jiān)測點數(shù)據(jù)直觀地顯示在PC 上位機3D 地圖界面。通過對大數(shù)據(jù)的記錄分析以及突發(fā)異常數(shù)據(jù)的實時報警，可以極大地提高供水管網(wǎng)運行的安全等級。系統(tǒng)設(shè)計滿足管網(wǎng)檢測對數(shù)據(jù)精度、運行功耗、設(shè)備安全等各方面的要求，有效解決了管網(wǎng)維護中存在的滲漏檢測難度大、供水水壓不穩(wěn)定、水質(zhì)檢測成本高等問題。