基于ZigBee的潛體式給水管網故障監測系統設想

文/梁婷 王瑛琳 強皓凡 袁星宇

基于ZigBee的潛體式給水管網故障監測系統設想

文/梁婷 王瑛琳 強皓凡 袁星宇

本設想是擬設計出一種小型的潛體式順水移動定期檢查裝置，采用ZigBee信號傳感技術，通過監測該水管段流速的變化并與實際應有流速作比較來反映水管的狀況；安裝有最新型ZigBee系統長度覆蓋可達1000米，覆蓋面積近方圓一公里，實現“準確及時顯示，節約人力物力”。且基于以上理念設計的模型，其數據通過編程能夠實現在移動終端（PC）上的反映與控制。

ZigBee 給水管網 監測 定位

1 研究背景

1.1 研究的目的及意義

城市給水管網系統是城市生活的命脈，管網系統正常運行十分重要。但在日常生活中給水管爆裂事件時有發生，由于不能精確定位與監督的不利，造成搶修時間較長，以至影響了居民的正常日常生活。現有的關于監測給水管網爆裂的系統大致分為兩種：一為派人工做定期檢查，但城市給水管分布常常錯綜復雜且達方圓幾百公里，這樣檢查既費時費力又費財；第二種方法為定距監測，指在一定距離內的水管上安裝監測裝置監視這一段水管的狀況，但同樣需要大量的該裝置覆蓋整個管網系統，且現如今兩個裝置間間隔可達數公里，造成裝置不能精確反映爆裂位置。靠工人尋找費時，且水資源浪費嚴重。我們的研究方向是設計一款裝置使其能精確的反映出水管爆裂的位置，且能將檢測的整個過程，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，做到實時監控，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技術較藍牙、WiFi技術的優越性，其距離長、耗能小的優勢已經被越來越多的用于定位系統中，如井下無線定位系統（用于清楚的反映每一位礦工的位置）、井下管道泄漏監測系統、建筑排水系統立管壓力的監測等等。

在眾多無線通信技術的應用中，由于系統復雜、運營費用高、功耗高、單位成本大或電池壽命短等原因，很難在低數據率且監控網點多的工礦業應用中推廣，而ZigBee技術以其獨特的價值將擁有廣闊的發展前景。

2 設計原理

2.1 設計思路

一種基于ZigBee的潛體式給水管網故障監測系統的基本思路是：本裝置是一種微型的潛體式順水移動定期檢查裝置，通過監測該水管段流速的變化與實際應有流速作比較來反映水管的狀況；安裝有最新型ZigBee系統長度覆蓋可達1000米，覆蓋面積近方圓一公里。

2.2 結構設計

本模型外觀為微小的圓球型隨水流一同運動，核心部件為ZigBee盲節點。

2.2.1 模型整體的潛體式設計

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的過程中與管壁接觸而產生磨損，模型的整體設計采用潛體式，使模型能和水流一同運動且不會因磨損損壞。

2.2.2 ZigBee系統

ZigBee無線定位系統由ZigBee節點組網，節點內置ZigBee協議棧，分為參考節點和盲節點。參考節點是將坐標設置成已知的一類靜態節點，盲節點是一類可移動的節點，在參考節點圍成的網絡范圍內移動。盲節點向參考節點發送請求信號，參考節點將自身坐標和在這個距離上測得的RSSI的值發送給盲節點，盲節點在接收到定位區域內所有參考節點的RSSI值和位置信息后，經過定位算法來計算其坐標位置，測得的位置信息不停的刷新，可視化地顯示在上位機監控軟件上。其優點主要有：

（1）功耗低。采用了多個低功耗技術。其節點電池工作時間可以達1年。

（2）網絡時延短。通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延為30ms，休眠激活的時延是15ms，活動設備信道接入的時延為15ms。與之相比，藍牙需要3s～10s而Wi-Fi需要3s。

（3）數據傳輸可靠。ZigBee主要應用于工業傳感器網絡系統。且在對井下工人的定位中已經有了應用，其MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，若傳輸過程中出現問題可以重新發送。

（4）網絡容量大。網絡可以容納254個盲節點設備和1個已知節點設備，組網方式靈活。

（5）成本低。ZigBee協議免專利費用，且已經在市場上批量生產。

我們的裝置采用最新型ZigBee系統中的Wbee系統，在增加發射功率后信號傳遞已經可以達到數公里，且使用ZigBee的信號傳感系統是目前最為省電節能的信號傳遞系統，這樣，區別于固定式監測系統，由于信號為方圓覆蓋模式，所以可以大大減少信號塔的數量。

圖1：測流速原理示意圖

3 管網監測原理

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

在ZigBee傳輸信號的路程上，它將每隔△t時間傳送信號到終端上，通過設備在這一段△t內走過的距離，我們可以得出這一段水管的實際速度是多少，把根據設備得到的數據與已知定管數據對比，就可以推算出該管段是否發生爆裂。

4 結語

該給水管網故障監測系統，利用潛體的物理特征，在ZigBee的基礎上進行創新設計，可應用于城市給水系統的故障診斷排查，減少給水管網管道爆裂事故的發生，有效保障城市用水的安全穩定。同時，該系統有效地克服了以前給水管網缺乏有效的故障診斷方法、突發事故時難以及時找出故障的具體位置、信號采集困難、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行推廣。

[1]王靜,張會清.基于ZigBee的無線網絡定位技術的研究與實現[J].傳感器與微系統,2010,29(02)：13-25.

[2]王立波,陳慈發.CC2431的室內定位系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用,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[J].煤礦機械,2013-9-34(09)：269-271.

作者單位 四川大學水利水電學院 四川省成都市610065