低功耗物聯(lián)化智能液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

李 鐘，黃軍輝

（1.廣州市威控機(jī)器人有限公司，廣東 廣州 510000；2.廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510000）

1 我國(guó)城市內(nèi)澇與排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近3年來(lái)我國(guó)平均每年有180座城市發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)澇。國(guó)家和政府多次批示，要求研究和解決城市內(nèi)澇問(wèn)題。住建部制定印發(fā)了《城市排水防澇設(shè)施普查數(shù)據(jù)采集與管理技術(shù)導(dǎo)則》，指導(dǎo)各地在全面普查摸清現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，科學(xué)編制城市排水防澇專項(xiàng)規(guī)劃，建立數(shù)字化管控平臺(tái)，明確規(guī)劃目標(biāo)和任務(wù)，落實(shí)各項(xiàng)保障措施。因此，監(jiān)測(cè)與檢測(cè)城市水資源成為需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。城市排水防澇設(shè)施普查數(shù)據(jù)采集與管理技術(shù)導(dǎo)則中，對(duì)監(jiān)測(cè)和檢測(cè)提出了要求。一方面監(jiān)測(cè)易澇點(diǎn)、排放口、典型下墊面出口、主干管檢查井、泵站上游節(jié)點(diǎn)以及調(diào)蓄設(shè)施上游節(jié)點(diǎn)等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在旱季和雨季的流量和水質(zhì)，另一方面對(duì)有條件的地區(qū)實(shí)施在線監(jiān)測(cè)，建立動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)更新機(jī)制。本文通過(guò)研究應(yīng)用于城市井下水位監(jiān)測(cè)的低功耗物聯(lián)化智能液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以期為城市的水務(wù)系統(tǒng)特別是排水管網(wǎng)部分提供有效的監(jiān)測(cè)和預(yù)警手段。

2 新一代智能液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)要求

液位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)論是在科學(xué)研究、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)還是生產(chǎn)生活都應(yīng)用廣泛，所以對(duì)液位的監(jiān)控和對(duì)工作環(huán)境的安全判定等具有重要意義[1]。隨著液位監(jiān)測(cè)技術(shù)的推廣，新一代智能液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)提出了更高的要求。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最基本的要求是測(cè)量和控制必須準(zhǔn)確，考慮如何在噪音大、振動(dòng)強(qiáng)、干擾多、較偏遠(yuǎn)以及較落后等相對(duì)惡劣的環(huán)境中進(jìn)行既實(shí)時(shí)可靠又穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信。現(xiàn)場(chǎng)安裝的工程量大，各監(jiān)測(cè)單元位置呈分布式，遠(yuǎn)距離通信需有線連接，因此要采取合理措施降低安裝難度和物料成本。此外，液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要具有易擴(kuò)展性，保證系統(tǒng)的通信協(xié)議在硬件和軟件下能得到較好、較簡(jiǎn)易的支持。

液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)有多個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)有多個(gè)監(jiān)測(cè)周期和多組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，要求能快速、大量并簡(jiǎn)易地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，方便讀取和顯示[2]。自動(dòng)化系統(tǒng)始終服務(wù)于人，以人為本。傳統(tǒng)的下位機(jī)界面采用LED數(shù)碼管或LCD液晶顯示屏作為輸出模塊，采用獨(dú)立按鍵或矩陣鍵盤作為輸入模塊。另外，可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今時(shí)代的主題，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行消耗極大，需要開(kāi)發(fā)低功耗技術(shù)，有效降低能源功耗和經(jīng)濟(jì)支出，實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展。

3 低功耗物聯(lián)化智能液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及服務(wù)流程

需積極研究排水管網(wǎng)的低功耗監(jiān)測(cè)技術(shù)和物聯(lián)化等關(guān)鍵技術(shù)。低功耗物聯(lián)化智能液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括液位監(jiān)測(cè)主機(jī)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接中繼器以及監(jiān)測(cè)服務(wù)中心3個(gè)部分，涉及到傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[3]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

液位監(jiān)測(cè)主機(jī)通過(guò)壓力傳感器或超聲波傳感器采集液位數(shù)據(jù)，按策略將采集的數(shù)據(jù)同步上傳給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接中繼器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接中繼器再將傳感器采集的液位數(shù)據(jù)傳到監(jiān)測(cè)服務(wù)中心。中繼器的設(shè)計(jì)可解決因液位監(jiān)測(cè)主機(jī)安裝處通信信號(hào)不好導(dǎo)致無(wú)法上傳數(shù)據(jù)的問(wèn)題[4]。監(jiān)測(cè)服務(wù)中心將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線反饋，使使用者能及時(shí)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)管理和處理防澇預(yù)警等，對(duì)市政規(guī)劃、雨污水處理、智能信息化管理以及在線預(yù)警系統(tǒng)的推廣具有極大的促進(jìn)作用。

液位監(jiān)測(cè)的服務(wù)流程。首先，調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)安裝情況，匯總水流水力情況以及管道和井的檢查結(jié)果，保證符合安裝條件。其次，現(xiàn)場(chǎng)滿足安裝條件后，需結(jié)合監(jiān)測(cè)要求在管道內(nèi)安裝傳感器，分別裝配主機(jī)和傳感器固定支架，將傳感器安裝在固定支架上，在檢查井內(nèi)安裝固定支架，并沿管道和檢查井壁固定傳感器線纜。最后，將傳感器連接至主機(jī)，激活并安裝中繼器。

完成整個(gè)安裝后，需要在監(jiān)測(cè)服務(wù)中心配置相關(guān)設(shè)備參數(shù)，與監(jiān)測(cè)平臺(tái)建立通信。尤其是要合理設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)位信息并配置設(shè)備安裝參數(shù)，設(shè)置通信參數(shù)，創(chuàng)建安裝信息表格。完成設(shè)置后進(jìn)行初步的運(yùn)行診斷并執(zhí)行確認(rèn)，診斷合格后，將監(jiān)測(cè)主機(jī)在檢查井內(nèi)安裝固定好。

4 低功耗物聯(lián)化智能液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的低功耗策略與功能實(shí)現(xiàn)

為滿足液位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，并降低設(shè)備功耗減輕運(yùn)維工作量，該系統(tǒng)進(jìn)行低功耗策略的考究和具體的功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[5]。

4.1 系統(tǒng)的低功耗策略

主機(jī)和中繼器的主控制器都選用低功耗微控制器（MCU），其他電子元件選用低功耗器件，提升設(shè)備續(xù)航時(shí)間。主機(jī)設(shè)有睡眠模式和工作模式。睡眠模式時(shí)，MCU處在低功耗狀態(tài)（只進(jìn)行時(shí)鐘計(jì)數(shù)）。激活后，主機(jī)進(jìn)入工作模式，此時(shí)才進(jìn)行每分鐘的液位數(shù)據(jù)采集、電量數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)上傳工作。主機(jī)液位每分鐘內(nèi)只有3 s可開(kāi)啟傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，其他時(shí)間傳感器電路不工作，不產(chǎn)生功耗，MCU處于低功耗狀態(tài)。

主機(jī)和中繼器采集電量數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)50%＜電量≤100%時(shí)，電路數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為30 min；當(dāng)20%＜電量≤50%時(shí)，電路數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為15 min；當(dāng)5%＜電量≤20%時(shí)，電路數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為5 min；當(dāng)0%＜電量≤5%時(shí)，電路數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為1 min。主機(jī)采集到的液位數(shù)據(jù)在每分鐘只有1.5 s開(kāi)啟無(wú)線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，其他時(shí)間無(wú)線模塊不工作，不產(chǎn)生功耗，MCU處于低功耗狀態(tài)。中繼器接收數(shù)據(jù)，當(dāng)液位低于預(yù)警值時(shí)，每15 min發(fā)送一次數(shù)據(jù)。晚上7:00至早晨7:00，中繼器進(jìn)入休眠狀態(tài)，接收數(shù)據(jù)但不發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)液位高于預(yù)警值時(shí)，每5 min發(fā)送一次數(shù)據(jù)；當(dāng)液位高于報(bào)警值時(shí)，每1 min發(fā)送一次數(shù)據(jù)。

4.2 功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

主機(jī)設(shè)置有自檢功能、設(shè)置功能、數(shù)據(jù)采集與保存功能、數(shù)據(jù)上傳功能以及指示燈顯示功能[6]，功能圖如圖2所示。

其中，自檢功能包含檢測(cè)電源電壓是否正常的電池電壓自檢功能、檢測(cè)傳感器電壓是否正常的傳感器電壓自檢功能以及檢測(cè)傳感器是否連接上的傳感器連接自檢功能。設(shè)置功能包含復(fù)位設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)校時(shí)功能以及傳感器間距設(shè)置功能。

數(shù)據(jù)的采集與保存功能中，液位數(shù)據(jù)和電量數(shù)據(jù)在每分鐘內(nèi)有3個(gè)階段，每階段連續(xù)采集2次數(shù)據(jù)，最后取6次的平均值作為最終數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)保存300天的液位數(shù)據(jù)，靜態(tài)保存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和參數(shù)。數(shù)據(jù)上傳功能在激活階段，上傳設(shè)備信息給中繼器，在網(wǎng)絡(luò)OK的情況下，每隔5 min上傳液位數(shù)據(jù)給中繼器，斷網(wǎng)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)后，分批發(fā)送液位數(shù)據(jù)給中繼器，每30 min內(nèi)電量變化超2%時(shí)上傳電量數(shù)據(jù)。指示燈顯示功能主要包括自檢狀態(tài)顯示、復(fù)位狀態(tài)顯示、主機(jī)電量發(fā)送接收顯示、網(wǎng)絡(luò)校時(shí)狀態(tài)顯示、傳感器間距設(shè)置狀態(tài)顯示、心跳顯示、數(shù)據(jù)發(fā)送顯示以及中繼器應(yīng)答正確顯示等。中繼器功能圖如圖3所示。

圖2 主機(jī)功能圖

圖3 中繼器功能點(diǎn)圖

其中，自檢功能包含檢測(cè)電源電壓是否正常的電池電壓自檢功能和檢測(cè)大陽(yáng)能面板充電是否正常的充電自檢功能；設(shè)置功能包含復(fù)位設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)校時(shí)功能以及傳感器間距設(shè)置功能。電量數(shù)據(jù)每分鐘分3個(gè)階段，每階段連續(xù)采集2次數(shù)據(jù),最后取6次的平均值作為最終數(shù)據(jù)。靜態(tài)保存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和參數(shù)。激活階段上傳設(shè)備信息給中繼器監(jiān)測(cè)服務(wù)中心，在網(wǎng)絡(luò)OK情況下，每隔15 min上傳液位數(shù)據(jù)給監(jiān)測(cè)服務(wù)中心，斷網(wǎng)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)后，分批發(fā)送液位數(shù)據(jù)給監(jiān)測(cè)服務(wù)中心，每30 min內(nèi)電量變化超5%時(shí)上傳電量數(shù)據(jù)。指示燈的顯示功能主要包括電源指示燈、上電初始化指示燈、自檢指示燈以及數(shù)據(jù)交互指示燈等。

5 結(jié) 論

新一代低功耗物聯(lián)化智能液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)城市易澇點(diǎn)、排放口以及檢查井等實(shí)施在線液位監(jiān)測(cè)并更新動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。隨著監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用的WEB服務(wù)和微信等移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸完善，將進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和有效性。