兼容性RTU在水利信息化中的應用

摘要：目前市面上的遠程測控終端（RTU）產品種類眾多，通用性差，可靠性有待提高，急需一款專門針對水利應用兼容度高的RTU產品。通過分析水利信息化系統功能特點，以及應用場景的特殊性，提出了一種支持各種水文傳感器，兼容多種無線回傳方式（如：LoRa，NB-IoT，4G，5G），且具有功耗和傾倒自檢的水利RTU設計方案。此方案簡化了智慧水利RTU的選型過程，符合未來無線傳輸發展趨勢，延長了產品壽命，且能在早期發現故障，避免更大的損失。

關鍵詞：智慧水利; RTU; 5G; 功耗及傾倒檢測

中圖法分類號： TP391 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.S1.021

文章編號：1006 - 0081（2022）S1 - 0071 - 03

0 引 言

中國一直面臨著水資源匱乏問題，供需矛盾突出。人均水資源量1 700 m3，已達國際公認警戒線，且利用率較低，發達國家的水利灌溉利用率達到70%以上，而中國僅為40%～50% [1]。除了水資源的危機，中國龐大的水路系統網同樣給水利管理帶來了巨大挑戰。一方面是工業和農業用水需要大量的人力去巡檢、維護;另一面是高級水利管理人才的稀缺，在全部水利人員中的占比不足5%。高級水利人才缺口也成為制約中國水利發展的重要因素[2-3]。

智慧水利通過互聯網、數據采集系統、水質監測系統等實時監測設備，監控管網供水系統的運行狀態，并通過數字技術將數字信號轉化為可視化圖形[4-5]。智慧水利系統能夠大量節省人力成本，實現管理自動化。目前國外已經實現智慧水利管理系統，中國也正在緊跟國際步伐，逐步推廣水利管理智能化。

遠程測控終端（RTU）是一種基于微處理器（MCU）的智能控制裝置，將指揮中心與像管網一樣深埋地下的各種傳感器（如水壓傳感器、液位傳感器、流量計、電動閥門等）聯系在一起。RTU與傳感器之間常見的接口有4～20 mA模擬信號、數字IO信號、0～5 V電平信號以及各種通信協議;目前回傳數據的方式有GPRS，3G，4G，NB-IoT以及LoRa等[6-8]。眾多的接口形式和通信方式，使得RTU廣泛應用于油氣、采礦、水利、電網和工廠等眾多領域。這也造成當有專門的水利方面需求時，需要與設備供應商重新溝通，根據需求在已有成熟產品的基礎上剪裁和增補，增加了項目的時間成本。在無線回傳方面，GPRS容易受到干擾[9]，且面臨退網;相較于4G，3G，2G移動通信技術以及其他市面上的無線回傳方式，5G具有明顯優勢，必將成為未來的發展趨勢，所以新一代的RTU產品應該兼容5G通信。同時在水利應用的另一個特殊之處在于RTU往往部署在農村或其他人跡罕至的位置，環境因素復雜且維護不易。一旦發生故障或損壞，即刻都將造成損失。所以市場上急需一種能夠克服上述困難的RTU產品。

1 RTU設計思路

水利RTU應具備如下功能：① 支持M Bus，Mod Bus，HART協議解析;② 具有RS485通信接口;③ 檢測4～20 mA信號;④ 小范圍LoRa協議自組局域網;⑤ 4G，5G或NB-IoT回傳遠端服務器;⑥ 氣壓檢測功能;⑦ 蓄電池負載異常檢測功能等。其典型應用場景及架構如圖1所示。

從圖1中可以看出，RTU主要采集各種水利傳感器的數據，無線回傳方式以4G，5G和NB-IoT為主，當應用范圍較小時，也可以使用LoRa自組網，減少對公網環境的依賴，降低維護成本。根據目標功能，設計的RTU大致可分為電源及MCU、傳感器、無線回傳以及保護機制4個功能區。結構框圖如圖2所示。

2 功能設計

2.1 電源及MCU

RTU采用目前市面上最常見的24 V電池供電方案，并配有太陽能充電板。使用STM32L475作為MCU，其功耗極低，最低功耗僅100 uA，配合RT-Thread系統非常適合水利RTU這種野外應用場景[10]。

2.2 傳感器接口

在水利應用中，主要涉及的傳感器有：① 液壓計，數據接口4～20 mA，0～5 V或者485通信;② 水位計，數據接口4～20 mA，0～5 V或者0～10 V;③ 流量計，4～20 mA，0～5 V，485通信或HART接口等等。參考圖1并經過綜合考量，以一個泵站的接口需求為藍本，RTU預留8路ADC接口，2路TTL電平接口，2路RS485接口，1路HART協議接口以及1路M Bus協議接口。這種配置完全滿足智慧水利各種關鍵點位的傳感器種類和數量需求，且當RTU被配置在水表井或其他戶外水井對傳感器接口需求減少時，可直接空貼對應模塊，無需其他硬件或軟件調整，大大簡化了不同項目中的選型難度，降低了溝通成本和時間成本。

以HART接口為例進行說明。HART協議接口是美國Rosemount公司于1985年推出的一種用于現場智能儀表和控制室設備之間雙向通信的協議規程。它是在4～20 mA的模擬信號上疊加FSK+（Frequency Shift Keying，頻移鍵控）數字信號，可以兼容模擬和數字兩種信號的半雙工通信協議[11]。由于FSK并不影響直流分量，所以在進行HART通信時并不會對測量結果造成影響。其調制和解調需要用到專門的芯片AD5700，電路如圖3所示。R7為承載電阻，將4～20 mA電流信號轉換為0.8～4.0 V電壓信號;R8和C7組成低通濾波器，將信號送入ADC采樣。從圖3中可以看出“HART_INPUT”信號是經過交流耦合進入AD5700的，所以當不需要使用HART功能時，只需空貼U7即可，既不影響正常的信號采樣，又節省了成本。

2.3 無線回傳接口

如上文所述，RTU常用的無線通信方式為LoRa，NB-IoT，GPRS等，其中NB-IoT已普遍用于智能抄表等物聯網應用[12]，但在水利場景下不排除個別地區沒有NB-IoT網絡覆蓋，所以兼容型的RTU應該具備多種通信方式。LoRa技術具有通信距離遠、運行可靠、低功耗、低成本等特點，在郊區最大傳輸距離可達15 km，非常適合小范圍組網[13]。相較于4G，3G，2G移動通信技術，5G通信不僅在帶寬、時延、功耗上有較大優勢，還具有安全、高效、方便、快捷等特征，5G+物聯網模式正在以極快的速度發展[14]，尤其是現在越來越多的水利站點配合視頻監控使用，RTU的5G信道完全可以涵蓋龐大視頻流的需求。綜上所述，本設計兼容NB-IoT通信、LoRa組網以及三大運營商的3G，4G，5G通信。多樣性的設計使RTU可應用于水利工程的各種場景：① 當施工場地無線環境良好時，使用NB-IoT傳輸，成本低，功耗小;② 當施工場地沒有NB-IoT覆蓋時，使用3G，4G或5G通信;③ 當施工地點極其偏僻，沒有任何無線覆蓋時，使用LoRa組網，將數據匯總到有無線覆蓋的位置，再統一回傳。此外多種無線通信通過射頻開關進行切換，只引出一個天線即可滿足不同無線網絡的時分復用。同樣，當某些功能不需要使用時，空貼即可。

2.4 保護機制

縱觀現代工業的各種電子產品，其穩定性極為重要，同時也是最難克服的困難。本設計同樣有穩定性方面的考量。例如所有對外接口需要以R+C+D的形式進行保護，即電阻限流、電容緩沖、齊納二極管限幅;內部各模塊電路之間，多點接地;模擬數字地之間用磁珠隔離;射頻鏈路走線兩側增加地孔，減小輻射干擾等。本設計提出功率檢測和傾倒檢測兩種自檢方案。

（1） 功率檢測。即檢測蓄電池輸出端釋放的功率。當蓄電池所帶負載發生異常時，往往會造成能耗變化，例如RS485通信時，若端接電阻因焊接不良或腐蝕等原因脫落，理論上就會造成約20 mA量級的功率變化，而如果傳感器受損時，波動只會更大。由于RTU是輪詢傳感器工作的，所以當檢測到功率異常時，就可初步判斷是此傳感器或其通信鏈路故障，便可通知指揮中心，有目的性地攜帶備件維修，避免多次往返。同時，本設計不僅可以檢測正功率，還能檢測到太陽能電池板向蓄電池充電的功率，當此功率異常時，同樣可判斷出太陽能充電鏈路損壞。

（2） 傾倒檢測。寧夏的水利項目，由于黃土高原地質松軟，且易流失，所以當多次大雨沖刷后，RTU所在的安裝立桿發生了傾斜甚至倒塌，但是由于傳感器安裝于水井中，所以回傳數據并沒有發現異常，直到維護人員巡檢時才發現由于傾倒時間較久，太陽能充電量極少，縮短了蓄電池使用壽命，且線纜接口有拉扯應力，隨時可能斷路，另外由于天線傾斜，無線信號時好時壞。針對以上情況，本設計加入了傾倒檢測，其原理是檢測RTU所在位置的氣壓變化。本設計采用BMP180作為氣壓檢測芯片，低功耗模式下僅5 uA，測量范圍300～1 100 hPa，采樣精度19 bits，分辨力0.21 Pa，誤差2 Pa，當海拔高度變化1 m時，一般會引起10 Pa左右的氣壓變化，所以當RTU安裝立桿發生傾倒時，RTU可以敏銳的檢測到氣壓變化的異常，并及時上報維護，避免隱患。

3 結 語

RTU是智慧水利的重要組成部分，傳感器的準確性和RTU的穩定性，在一定程度上影響著水利決策的正確性。本設計在上述方面做出了一些努力，但仍有進步空間。可以預見的是視頻流和控制/數據流結合。目前很多泵站配有視頻監控，由于視頻流量大，往往單獨部署有線網絡或者4G回傳，在資源上存在浪費。此外另一個發展方向是本地視頻識別和決策，其本質是在重要地區部署攝像頭，視頻流接入具有圖像計算能力的RTU，當發生異常時，運用算法分析問題，并進行判斷和決策。以泵站為例，當水泵間的水泵因為某些原因在抽水時發生小規模泄露時，水壓和流量傳感器很難捕捉到這種細小的變化，長此以往后果不堪設想。但是當安裝在水泵間頂端的攝像頭將圖像接入RTU，并通過智能分析視頻圖像，研判有水泵發生泄漏，便可直接關閉水閘，向指揮中心發出報警及時維修，避免更大的損失。

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（編輯：李 晗）