GPRS和Zig Bee技術用于供水管網監控系統分析

楊旻

太原市市政公用事業管理中心 山西 太原 030009

引言

針對供水管網泄露情況，國內外一直都在不斷加強對供水管網檢漏方法的研究和分析，事實上，供水管網漏水是一個錯綜復雜的問題，不僅需要對容易發生管網滲漏的位置進行分析，還需要對影響因素和管網漏水表現形式進行研究，很難用一種統一化的方式完成管網漏水情況的判斷，當前階段有關供水管網監控系統的研究還十分有限，今后應該不斷加強技術研究，緊抓技術優勢，實現全面化、系統化的管網漏水情況的監控，切實提高管網漏水監控的準確性和可靠性。

1 供水管網常見的漏損檢測方法

面對供水管網老舊失修造成的管網滲漏問題，需要著力加強新設備、新技術、新系統的研究，從而全面提高城市供水管網滲漏檢測的應用效率。聲學方法則是一種較為常見的滲漏檢測方法，較為傳統的研究方式則是通過聽音棒的作用，直接將聽音棒放置到消火栓等位置，直接對出水口位置聲信號進行識別和判斷，相應對供水管道滲漏點進行判斷，這種方法較為古老，對工作人員也提出了較高的要求。噪聲記錄儀則是對傳統聲學方法的優化升級，將噪聲記錄儀放置到閥門、消火栓等位置，完成數據信息的檢測，還可以相應進行夜間檢測，通過定時啟動，完成夜間管道漏水情況的過程檢測，還可以對損漏管道位置進行判斷。智能球法則是通過帶有噪音傳感器的智能球，完成管道噪聲信號的識別和分析，基于傳感器收集信息進行脈沖信號的轉換。此外，還有示蹤氣體法、探地雷達法等多種研究方法。

2 城市供水管網監控系統的特點

隨著社會經濟水平的提高，城市供水系統也處于不斷調整和優化過程中，但是當前城市供水系統漏水情況還是十分明顯，難以全面進行防控，一旦出現管網漏水且未能及時發現，則會造成大量水資源的浪費情況，甚至會影響到供水系統的正常使用。針對供水管網漏水等問題，我國多家供水公司都開始加強對成城市供水管網監控系統的研究和分析，旨在全面提高供水管網檢漏效果，將供水管網漏水發生的可能性降到最低，將供水管網漏水對社會環境造成的不良影響降到最低。當前階段，在城市供水管網監控系統設計過程中，還存在一些局限性，需要從設計和技術等多方面展開研究。本文在研究中則將多種技術手段整合到一起，相應設計形成管網檢漏監控系統，充分整合GPRS和Zig Bee技術，實現GPRS和Zig Bee技術的優勢互補，完成城市供水管網的全過程監控和分析，還可以對城市供水管網漏水情況進行智能監測，一旦監測發現供水管網出現漏水情況，也能夠快速確定管網漏水位置[1]。

供水管網監控系統通常可以劃分為兩個功能模塊，第一個功能模塊則為近距離無線通信的無線傳感網，第二個功能模塊則為遠距離無線通信的GPRS遠程通信模塊，無論是在功能設計還是技術應用方面，都能夠突破以往監測方式中的不足，極大地提高城市供水管網系統檢漏信息的準確性和可靠性。對于城市供水管網檢漏系統的設計規劃，則充分利用無線傳感網測控技術的應用優勢，將多種檢測手段整合到一起，不同于以往單一化的檢測方式，實現盡可能全面的數據信息監測。具體而言，在那些溫度判斷較為方便的區域，則可以相應安裝濕度傳感器，借助濕度傳感器的作用，完成濕度信號的全過程傳輸，濕度信號可以直接傳送到無線傳感網測量終端節點，工作人員也可以直接對測量情況進行研究和分析。將區域流量測定法和分時段檢測法整合到一起，完成管網壓力的檢測作用，基于管網壓力測定結果，便可以直接判斷管道狀況，一旦檢測發現管道出現異常狀況，則可以相應做出判斷。對于城市供水管網檢漏系統的技術應用，沿用當前較為流行的GPRS遠程通信技術、無線傳感網技術，兩個技術手段各具優勢，在城市供水管網檢漏研究中，則可以通過技術手段的應用，提高管網檢漏效果的穩定性和可靠性，也能夠推進城市供水管網檢漏系統的智能化發展。城市供水管網系統正是憑借無線傳感網的作用，實現節點數據信息的全過程監控和分析，正是憑借遠程通信模塊的作用，打破時間和空間的限制，工作人員能夠在監控室內便可以借助現場設備進行遠程監控和遠程管理[2]。

3 基于無線通信模式管網檢漏系統

3.1 系統組成

對于城市供水管網檢漏系統，充分整合了GPRS遠程通信模塊、無線傳感網測控系統等多個設備。對于無線傳感網測控系統，則可以在網絡協調器的作用下，實現多個供水管網檢漏網絡環境的智能監測，系統中若干路由器一同整合其中，還可以充分利用互聯網的作用，完成大量終端設備節點的引入與連接。無線傳感網則是按照特定的網絡拓撲結構，將若干路由器、協調器，以及終端設備節點共同連接在一起，形成城市供水管網的全過程監控。特別是無線傳感網中的終端設備節點，秉持著“就近加入”的原則，完成現場設備的智能監控和系統分析，相應帶動協調器加入到網絡系統中，路由器也是在這個過程中，一同加入到網絡環境中。協調器不僅可以實現數據收集的智能，同時還可以和GPRS遠程通信模塊相聯系，GPRS遠程通信模塊充分發揮中介的作用，一方面，負責實現無線傳感網測控系統的遠程無線通信，另一方面，完成監控中心的上位PC機的遠程無線通信。終端節點設備中獲取得到的各種數據信息，將會在GPRS遠程通信模塊的作用下完成數據傳遞，相應到達監控中心上位PC機，在監控中心上位PC機的協同作用下，實現指令信息的傳輸和協作。

3.2 系統開發

3.2.1 無線傳感網測控系統。對于城市供水管網檢漏系統，為了充分發揮GPRS和Zig Bee的技術優勢，在進行系統開發和研究時，則可以從GPRS和Zig Bee的技術應用特點出發，相應展開具體的系統軟硬件開發。其中，無線傳感網測控系統作為檢測數據信息的重點模塊，也是系統開發中的重點內容，在系統研發過程中，需要先后就系統硬件和系統軟件進行設計和開發。

一方面，對于無線傳感網測控系統硬件開發方面，則以Zig Bee通信模塊為研究重點，基于不同地區供水管網系統設計要求，相應對路由器、協調器、終端設備節點展開設計工作。在對Zig Bee通信模塊進行配置時，則結合具體的應用特點，相應配置形成路由器模式、協調器模式、終端節點設備模式。相關技術人員在軟件集成開發環境中，精細化配置Zig Bee協議棧（Zstack），特別需要注意終端設備節點設計與開發，充分運用無線傳感網絡節點的應用優勢，完成傳感器、協調器的協同效用，也可以借助采集數據信息，實現控制信號的輸出和處理，實現智能化的供水設備間監控與處理，提高城市供水管網系統的智能化水平[3]。

另一方面，對于無線傳感網測控系統軟件開發方面，則需要將重點放在Zig Bee模塊，軟件設計所用協議棧則為ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0，相應完成各個功能模塊和應用程序的開發工作。在無線傳感網測控系統軟件開發過程中，處于IAR開發環境，相應進行Zig Bee協議棧配置文件、Zig Bee功能模塊的一一配置，使得Zig Bee模塊能夠相應被劃分為多個部分，也就是城市供水管網監測系統所要應用到的各個軟件設備，如路由器、協調器。路由器和協調器自身帶有Zig Bee協議棧，也正是由于Zig Bee協議棧帶有的多種代碼，在對開發環境進行設計時，則需要采用更加精細化的設計方式，靈活配置開發環境，使得各個設備模塊都能夠更好地發揮自身效用。需要明確的是，對于不同的應用設備，在軟件編程時的配置文件也是存在明顯差別的，當對協調器進行編譯時，Zig Bee模塊則需要相應進行調配，配置文件則為f8wCoord.cfg協議。當對路由器進行編譯時，Zig Bee模塊則需要相應進行調配，配置文件則為f8w Routorcfg協議棧配置文件。除了路由器和協調器，還需要將Zig Bee模塊相應配置成終端設備節點，雖然終端設備節點和路由器、協調器還是存在明顯差別，本身并不帶有Zig Bee協議棧自帶代碼，終端設備節點的應用需要依附于相應的終端設備才能夠完成，但是終端設備節點自身的節點配置方式大體相同，均是通過Zig Bee模塊和軟件編程配置文件的協調發展構建形成。

當城市供水管網檢漏系統內進行軟件設計時，關注重點在于城市供水管網的智能監控和數據采集，特別是在對應用層進行設計時，更需要加強軟件性能試驗。

3.2.2 無線遠程通信模塊。為了實現遠距離的城市供水管網檢漏系統的檢測效用，還需要就無線遠程通信模塊進行研究和分析。事實上，安裝城市供水管網檢漏系統還需要對監控中心的具體位置進行考量，但是Zig Bee技術在距離方面有一些局限性，遠距離傳輸也較為困難，這就需要著重探討遠距離無線通信的研究方法，切實提高技術傳輸效果和優勢。本文在研究時，則從遠程監控中心無線數據傳輸方面，通過GPRS和Zig Bee技術的應用，分別設計GPRS模塊和Zig Bee模塊，采用串口通信完成GPRS模塊和Zig Bee模塊的協同作用和數據信息的實時傳遞。

3.2.3 監控中心上位PC機監控軟件。設計和研發基于GPRS和Zig Bee技術的供水管網監控系統，能夠顯著提高工作人員的監測效率，工作人員可以直接借助監控系統進行全過程監控，實現城市供水系統的智能監測和管理，相應帶動城市供水系統的高效率建設和發展。在對監控中心上位PC機監控軟件進行開發時，則可以在Visual Studio集成開發環境完成軟件開發，將無線遠程通信模塊、無線通信方式整合到一起，相應完成上位PC機的數據采集和數據傳輸[4]。

4 仿真分析

基于上述分析，相應展開模擬試驗，探求將GPRS和Zig Bee技術整合到一起的應用效果，在具體設計時，一共運用Zig Bee通信模塊12個，其中，配置成為路由器、協調器、終端設備節點的數量分別為2、1、9，在Zig Bee通信模塊的協同作用下組建形成樹狀網絡拓撲結構，達成系統監控效果。對于供水管網監控系統中的路由器，則充分整合2個Zig Bee通信模塊的效用，和附近終端設備節點相應產生聯系，使得終端設備節點能夠相應加入到網絡中。對于供水管網監控系統中的協調器，只需要配置1個Zig Bee通信模塊，完成無線傳感網監控系統的設計和搭建，還可以和其他功能模塊形成數據共享和分析。對于供水管網監控系統中的終端設備節點，將會應用到9個Zig Bee通信模塊，能夠實現城市供水管網監控的作用效果，在Zig Bee通信模塊主控芯片I/O引腳處，完成各個監控點的全過程監控效用，還可以相應進行信息傳遞，直接在協調器進行信息處理。在后續研究中發現，12個Zig Bee通信模塊的設置，能夠在一定程度上完成城市供水管網濕度、壓力、流量等基本數據信息的監測，工作人員也可以就監測數據變化情況，對管網滲漏情況展開研究，一旦管網出現漏水情況，則可以相應關閉管網供水、發出警報、定位管道滲漏。

5 結束語

綜上所述，對GPRS和Zig Bee技術用于供水管網監控系統展開分析具有至關重要的意義。將技術手段應用于城市供水管網系統監控系統中，能夠有效突破傳統人工檢漏方法中的不足，提高檢漏效率和檢漏效果，實現快速定位和智能分析，切實帶動城市供水管網監控工作的建設和發展。