GPRS和ZigBee技術用于供水管網監控系統研究

朱樹先 曹 沖 朱學莉

(蘇州科技學院，江蘇 蘇州 215009)

GPRS和ZigBee技術用于供水管網監控系統研究

朱樹先 曹 沖 朱學莉

(蘇州科技學院，江蘇 蘇州 215009)

當今供水管網檢漏系統領域內產品和技術普遍存在檢測手段單一、檢測過程繁瑣、定位困難、沒有實現網絡化管理、人力資源浪費大、檢測準確度低等缺陷。針對上述缺點和不足，在總結前人工作的基礎上，將一種新型的無線通信模式技術應用于供水管網檢漏監控系統。該系統是一種集實時監控和網絡管理于一體的新測控方法，它將無線傳感網與GPRS無線通信技術相結合，以市政供水管網為監控對象，對其進行實時監控和網絡化管理，大大提高了設備的智能化、網絡化程度。通過試驗及理論分析可知，該監控系統能達到最大限度節水的目的。

無線傳感網 無線通信 供水管網 管網檢漏 ZigBee

0 引言

在城市供水系統中，普遍存在管網漏水的現象，如果不能及時發現滲漏點，不但會導致水資源的大量浪費，而且會給供水系統留下隱患。因此，國內外的許多供水公司，尤其是發達國家，很早就開始漏失檢測技術及設備的研究、開發工作，并成立了相關學術研究機構,來提高供水管網的檢漏水平。

在這樣的應用背景下，設計了一種基于無線傳感網與GPRS技術相結合的管網檢漏監控系統，用于對城市供水管網的漏水情況進行實時監測和準確定位。該系統的通信部分可分為近距離無線通信的無線傳感傳網和遠距離無線通信的GPRS遠程通信模塊。通過無線傳感網實現對現場設備的監控和節點間的數據通信。通過遠程通信模塊，可實現監控中心對現場設備的遠程監控及網絡化管理。

1 當前該領域的主要方法概述

在過去的幾十年間，大量的學者、研究人員、工程技術人員在供水管網檢漏方面做了大量的工作，開發了許多行之有效的檢漏方法，本文現將其中主要的方法介紹如下。薛曉虎提出了被動檢漏法、音聽檢漏法、水平衡探測法、收集式檢漏法等[1]。王繼華等提出了大地濕度檢測法、區域流量測定法、紅外線照相法、示蹤氣體探測法[2]。楊春紅等提出了相關檢漏法、漏水聲自動記錄監測法等[3]。袁榮華等提出了基于負壓波結構模式識別方法的供水管網檢漏與定位技術。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都存在相當大的缺點和不足。首先，前面所提的各種方法所采取的技術手段過于單一。而管網漏水是一個相對復雜的問題，例如，在哪些點處容易發生滲漏，受外部環境的影響，漏水現象的表現形式也各不相同，很難用一種方法進行判別。其次，有些方法采用的檢測器件不夠先進，還有的完全靠人工檢測，很難做到檢測的準確性。最后，在當今信息化、網絡化的時代，沒有利用這些優勢對全市供水管網進行統一的管理、監控，使得監控中心無法從整體上對管網漏水情況獲得全面了解，也不能對事故點進行準確的定位，會造成巨大的人力、物力資源的浪費。

2 本文所做的改進工作

為了克服該目前領域產品和技術存在的明顯缺陷和不足，本文從兩大方面對上述方法做出了重大改進，主要表現在技術手段方面的改進和設計思路方面的完善。

① 在技術手段方面，緊跟當前產品和技術發展的最新趨勢，將當今先進的無線傳感網技術和GPRS遠程通信技術應用到城市供水管網檢漏領域當中。采用最新式的傳感器和測量儀器，對管網滲漏現象可做出更加準確的判斷，減少了誤判率，提高了系統的智能化水平[5-7]。

② 在設計思路方面，改變了單一方式的檢測方法，結合無線傳感網測控技術的特點，將單一的檢測模式變為多種檢測手段的結合。在較易進行濕度判斷的場地安裝濕度傳感器，將濕度信號傳至無線傳感網的測量終端節點。此外，還可以對區域流量測定法進行改進，采用分時段檢測法，檢測管網壓力；當處于基本沒有用水需求的時間段，例如凌晨2點到4點，對于非恒壓供水管網，檢測其壓力是否過高；對于恒壓變頻供水，則檢測變頻器的工作頻率，以判斷管道是否出現異常[8-11]。經過改進后，該檢測方法更加全面、完善，可提高檢測的準確率。

3 基于無線通信模式管網檢漏系統

3.1 系統的組成

本文開發的基于無線通信模式管網檢漏系統由監控中心上位PC機、無線傳感網測控系統、GPRS遠程通信模塊等組成。其中，無線傳感網測控系統由一個網絡協調器、若干路由器和大量終端設備節點組成。由網絡協調器發起并組建一個網絡，路由器加入網絡，并負責發現把附近的終端設備節點引入網絡。無線傳感網由終端設備節點、路由器和協調器按照一定的網絡拓撲結構組成，其網絡拓撲結構如圖1所示。其中終端節點負責對現場設備進行實時監控，按照“就近加入”的原則，既可通過附近的協調器自行加入網絡，也可以通過附近的路由器來加入網絡。協調器所起的作用除了組網，收集終端設備節點傳遞的數據外，還與GPRS遠程通信模塊通信，由GPRS遠程通信模塊負責實現無線傳感網測控系統與監控中心的上位PC機之間的遠程無線通信。GPRS遠程通信模塊將終端設備節點中的數據傳送至監控中心上位PC機，并將監控中心上位PC機的指令信息傳送至無線傳感模塊。以實現監控中心對監控各節點的網絡化管理。系統組成結構如圖2所示[12]。

圖1 無線傳感網拓撲結構圖

圖2 系統結構總圖

3.2 系統的軟硬件開發

為了實現系統要完成的實時監控和遠程通信的功能，現將系統分為以下幾個功能模塊分別進行設計與開發：無線傳感網測控系統開發、GPRS遠程通信模塊開發和監控中心的PC機軟件開發。下面分別對這幾部分的具體實現方法進行說明。

3.2.1 無線傳感網測控系統開發

① 系統的硬件開發

系統在硬件方面采用成都無線龍公司開發的ZigBee通信模塊作為核心部件。根據具體需要，配以不同的外設，即可開發出協調器、路由器和終端設備節點。ZigBee通信模塊以TI公司的CC2530芯片為主控芯片，既可配置成協調器模式，也可以配置成路由器或終端設備模式。具體做法是在軟件集成開發環境中，對ZigBee協議棧(Zstack)進行不同配置來實現的。關于這部分內容將在軟件開發中詳細介紹。這里需要強調的是，在無線傳感網系統中，對現場設備起到實時監控作用的是終端設備。將ZigBee通信模塊配置成終端設備，利用無線傳感網絡節點所具有的集測、控于一身的優勢，通過與其連接的不同類型傳感器來采集外部信息，傳遞給協調器；也可以對采集到的信息進行運算、分析、處理，輸出相應的控制信號，對供水設備進行實時控制。

② ZigBee模塊的軟件開發

在無線傳感網測控系統軟件開發方面，采用TI公司的IAR集成開發環境進行ZigBee節點開發。在系統安裝了ZigBee協議棧后，IAR開發環境可加載ZigBee協議棧，在此基礎上進行ZigBee模塊配置和應用程序開發，所用協議棧為ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0。在IAR開發環境下，通過對不同的模塊配以不同的協議棧配置文件，即可將ZigBee模塊分別配置成協調器、路由器和終端設備節點。以協調器和路由器的配置為例，簡要介紹在IAR集成開發環境下是如何配置協調器和路由器。

因為在這兩個設備上都使用ZigBee協議棧自帶的代碼，開發環境必須要對它們進行不同的配置，才能生成不同的執行代碼，下載到ZigBee模塊即可分別作為協調器、路由器使用。當選擇不同的設備類型編譯時，下面加載的配置文件是不一樣的。例如，欲將ZigBee模塊配置成協調器，則選擇f8wCoord.cfg協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協議棧配置文件。系統的終端設備節點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，終端設備節點置于要監控的設備之上，它的本質是一個自帶電源的ZigBee通信模塊。該模塊以51單片機為內核，集成有無線收發單元，其I/O口可接傳感器，負責對需要的數據進行測量。

在軟件編程方面，只需在協議棧的應用層(APP)上編寫數據采集、輸出控制應用程序即可對設備進行實時的檢測與控制。應用協議棧自帶的API函數中的數據發送、接收函數，實現同一網絡中各個節點之間的通信。而不需要對復雜的協議棧本身有過多的了解。極大地方便了應用程序的開發[13-14]。

3.2.2 無線遠程通信模塊的開發

考慮到監控中心有可能離測量地點較遠，為了對現場供水管網進行有效監控，需要進行遠距離的無線通信，因此必須克服ZigBee技術傳輸距離近的缺點。為此，本文特地設計了無線遠距離傳輸模塊，用于現場各監控節點與監控中心上位PC機之間的無線數據傳輸。無線遠程通信模塊從電路上分為ZigBee模塊和GPRS模塊兩個部分。兩者采用串口通信的方式進行數據交換，同時，這個ZigBee模塊也是無線傳感網的協調器，起著發起和創建網絡的作用。

3.2.3 監控中心上位PC機監控軟件開發

采用計算機高級語言C#，在Visual Studio集成開發環境下開發上位PC機監控軟件，控制上位PC機采用GPRS無線通信方式與無線遠程通信模塊進行數據通信，通過無線遠程通信模塊對執行現場監控的無線傳感模塊進行監督管理。

綜上所述，通過無線傳感網技術與GPRS無線通信技術相結合的無線通信模式，既可實現無線傳感模塊對現場設備的實時監控和故障檢測，也可實現監控中心對現場設備進行有效監測、管理，從而提高了城市供水系統的智能化、網絡化程度。

4 試驗與仿真

為了驗證本文方法的有效性，本文做了一些試驗來模擬實際系統的運行情況。首先，采用12個ZigBee通信模塊，其中1個配置成協調器，用來組網，負責建立無線傳感網監控系統；吸收路由器和網絡終端設備節點加入網絡，用來獲取網絡終端設備節點傳來的數據，并與GPRS遠程通信模塊進行通信。2個ZigBee通信模塊配置成路由器，負責吸收附近的終端設備節點加入網絡。9個配置成終端設備節點，在CC2530引出的I/O引腳處外接傳感器和其他檢測、輸出設備，負責對被監控點進行監控，并將信息傳遞給協調器。12個通信模塊組成樹狀網絡拓撲結構，用來模擬對供水管網的監控。

在具體的實施方案上，假設將9個終端設備節點固定于管網之上，通過節點連接的濕度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器配以定時模塊，檢測管網的濕度變化，檢測在用水低峰期管網內的壓力、流量是否出現異常。綜合考慮各個參數的變化，判斷有無滲漏現象發生。如果出現漏水現象，則關閉對管道的供水。同時向協調器發出異常報警，由協調器通過GPRS模塊發送給監控中心的PC機。監控中心根據終端設備的編號，很容易確定管道的滲漏位置。

5 結束語

按照如前所述方法，既能夠組成無線傳感網，實現對相關數據的檢測和輸出信號控制；又能夠將信息及時傳遞給監控中心，由監控中心對無線傳感網測控系統的遠程監控。相比于傳統的人工檢漏方法，采用無線通信模式的多數據檢測、分析方法可更加快速、準確地實現管網滲漏檢測及滲漏點定位，極大地節省了人力物力資源。試驗結果證明，該系統采用的研究方法是先進的、行之有效的。

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[3] 楊春紅.供水管網檢漏的幾種常見方法[J].煤炭技術,2007,26(6):138-140.

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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

江蘇省住房和城鄉建設廳基金資助項目(編號：2013ZD47)；

住建部研究開發基金資助項目(編號：2011-K1-19)；

蘇州科技學院研究生創新計劃基金資助項目(編號：091320022)。

朱樹先(1970-)，男，2008年畢業于上海理工大學光學工程專業，獲博士學位，副教授；主要從事自動控制、建筑節能方向的研究。

TP393

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505014

修改稿收到日期：2014-11-04。