GPRS和ZigBee技术用于供水管网监控系统研究

朱树先 曹 冲 朱学莉

(苏州科技学院，江苏 苏州 215009)

GPRS和ZigBee技术用于供水管网监控系统研究

朱树先 曹 冲 朱学莉

(苏州科技学院，江苏 苏州 215009)

当今供水管网检漏系统领域内产品和技术普遍存在检测手段单一、检测过程繁琐、定位困难、没有实现网络化管理、人力资源浪费大、检测准确度低等缺陷。针对上述缺点和不足，在总结前人工作的基础上，将一种新型的无线通信模式技术应用于供水管网检漏监控系统。该系统是一种集实时监控和网络管理于一体的新测控方法，它将无线传感网与GPRS无线通信技术相结合，以市政供水管网为监控对象，对其进行实时监控和网络化管理，大大提高了设备的智能化、网络化程度。通过试验及理论分析可知，该监控系统能达到最大限度节水的目的。

无线传感网 无线通信 供水管网 管网检漏 ZigBee

0 引言

在城市供水系统中，普遍存在管网漏水的现象，如果不能及时发现渗漏点，不但会导致水资源的大量浪费，而且会给供水系统留下隐患。因此，国内外的许多供水公司，尤其是发达国家，很早就开始漏失检测技术及设备的研究、开发工作，并成立了相关学术研究机构,来提高供水管网的检漏水平。

在这样的应用背景下，设计了一种基于无线传感网与GPRS技术相结合的管网检漏监控系统，用于对城市供水管网的漏水情况进行实时监测和准确定位。该系统的通信部分可分为近距离无线通信的无线传感传网和远距离无线通信的GPRS远程通信模块。通过无线传感网实现对现场设备的监控和节点间的数据通信。通过远程通信模块，可实现监控中心对现场设备的远程监控及网络化管理。

1 当前该领域的主要方法概述

在过去的几十年间，大量的学者、研究人员、工程技术人员在供水管网检漏方面做了大量的工作，开发了许多行之有效的检漏方法，本文现将其中主要的方法介绍如下。薛晓虎提出了被动检漏法、音听检漏法、水平衡探测法、收集式检漏法等[1]。王继华等提出了大地湿度检测法、区域流量测定法、红外线照相法、示踪气体探测法[2]。杨春红等提出了相关检漏法、漏水声自动记录监测法等[3]。袁荣华等提出了基于负压波结构模式识别方法的供水管网检漏与定位技术。此外[4]，还有一些方法，限于篇幅，这里不再逐一介绍。

上述众多的检漏方法和技术都存在相当大的缺点和不足。首先，前面所提的各种方法所采取的技术手段过于单一。而管网漏水是一个相对复杂的问题，例如，在哪些点处容易发生渗漏，受外部环境的影响，漏水现象的表现形式也各不相同，很难用一种方法进行判别。其次，有些方法采用的检测器件不够先进，还有的完全靠人工检测，很难做到检测的准确性。最后，在当今信息化、网络化的时代，没有利用这些优势对全市供水管网进行统一的管理、监控，使得监控中心无法从整体上对管网漏水情况获得全面了解，也不能对事故点进行准确的定位，会造成巨大的人力、物力资源的浪费。

2 本文所做的改进工作

为了克服该目前领域产品和技术存在的明显缺陷和不足，本文从两大方面对上述方法做出了重大改进，主要表现在技术手段方面的改进和设计思路方面的完善。

① 在技术手段方面，紧跟当前产品和技术发展的最新趋势，将当今先进的无线传感网技术和GPRS远程通信技术应用到城市供水管网检漏领域当中。采用最新式的传感器和测量仪器，对管网渗漏现象可做出更加准确的判断，减少了误判率，提高了系统的智能化水平[5-7]。

② 在设计思路方面，改变了单一方式的检测方法，结合无线传感网测控技术的特点，将单一的检测模式变为多种检测手段的结合。在较易进行湿度判断的场地安装湿度传感器，将湿度信号传至无线传感网的测量终端节点。此外，还可以对区域流量测定法进行改进，采用分时段检测法，检测管网压力；当处于基本没有用水需求的时间段，例如凌晨2点到4点，对于非恒压供水管网，检测其压力是否过高；对于恒压变频供水，则检测变频器的工作频率，以判断管道是否出现异常[8-11]。经过改进后，该检测方法更加全面、完善，可提高检测的准确率。

3 基于无线通信模式管网检漏系统

3.1 系统的组成

本文开发的基于无线通信模式管网检漏系统由监控中心上位PC机、无线传感网测控系统、GPRS远程通信模块等组成。其中，无线传感网测控系统由一个网络协调器、若干路由器和大量终端设备节点组成。由网络协调器发起并组建一个网络，路由器加入网络，并负责发现把附近的终端设备节点引入网络。无线传感网由终端设备节点、路由器和协调器按照一定的网络拓扑结构组成，其网络拓扑结构如图1所示。其中终端节点负责对现场设备进行实时监控，按照“就近加入”的原则，既可通过附近的协调器自行加入网络，也可以通过附近的路由器来加入网络。协调器所起的作用除了组网，收集终端设备节点传递的数据外，还与GPRS远程通信模块通信，由GPRS远程通信模块负责实现无线传感网测控系统与监控中心的上位PC机之间的远程无线通信。GPRS远程通信模块将终端设备节点中的数据传送至监控中心上位PC机，并将监控中心上位PC机的指令信息传送至无线传感模块。以实现监控中心对监控各节点的网络化管理。系统组成结构如图2所示[12]。

图1 无线传感网拓扑结构图

图2 系统结构总图

3.2 系统的软硬件开发

为了实现系统要完成的实时监控和远程通信的功能，现将系统分为以下几个功能模块分别进行设计与开发：无线传感网测控系统开发、GPRS远程通信模块开发和监控中心的PC机软件开发。下面分别对这几部分的具体实现方法进行说明。

3.2.1 无线传感网测控系统开发

① 系统的硬件开发

系统在硬件方面采用成都无线龙公司开发的ZigBee通信模块作为核心部件。根据具体需要，配以不同的外设，即可开发出协调器、路由器和终端设备节点。ZigBee通信模块以TI公司的CC2530芯片为主控芯片，既可配置成协调器模式，也可以配置成路由器或终端设备模式。具体做法是在软件集成开发环境中，对ZigBee协议栈(Zstack)进行不同配置来实现的。关于这部分内容将在软件开发中详细介绍。这里需要强调的是，在无线传感网系统中，对现场设备起到实时监控作用的是终端设备。将ZigBee通信模块配置成终端设备，利用无线传感网络节点所具有的集测、控于一身的优势，通过与其连接的不同类型传感器来采集外部信息，传递给协调器；也可以对采集到的信息进行运算、分析、处理，输出相应的控制信号，对供水设备进行实时控制。

② ZigBee模块的软件开发

在无线传感网测控系统软件开发方面，采用TI公司的IAR集成开发环境进行ZigBee节点开发。在系统安装了ZigBee协议栈后，IAR开发环境可加载ZigBee协议栈，在此基础上进行ZigBee模块配置和应用程序开发，所用协议栈为ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0。在IAR开发环境下，通过对不同的模块配以不同的协议栈配置文件，即可将ZigBee模块分别配置成协调器、路由器和终端设备节点。以协调器和路由器的配置为例，简要介绍在IAR集成开发环境下是如何配置协调器和路由器。

因为在这两个设备上都使用ZigBee协议栈自带的代码，开发环境必须要对它们进行不同的配置，才能生成不同的执行代码，下载到ZigBee模块即可分别作为协调器、路由器使用。当选择不同的设备类型编译时，下面加载的配置文件是不一样的。例如，欲将ZigBee模块配置成协调器，则选择f8wCoord.cfg协议栈配置文件参与源代码编译。如果需要ZigBee模块配置成路由器，则采用f8wRoutorcfg协议栈配置文件。系统的终端设备节点的配置与上面所述相似，这里不过多介绍。需要特别说明的是，终端设备节点置于要监控的设备之上，它的本质是一个自带电源的ZigBee通信模块。该模块以51单片机为内核，集成有无线收发单元，其I/O口可接传感器，负责对需要的数据进行测量。

在软件编程方面，只需在协议栈的应用层(APP)上编写数据采集、输出控制应用程序即可对设备进行实时的检测与控制。应用协议栈自带的API函数中的数据发送、接收函数，实现同一网络中各个节点之间的通信。而不需要对复杂的协议栈本身有过多的了解。极大地方便了应用程序的开发[13-14]。

3.2.2 无线远程通信模块的开发

考虑到监控中心有可能离测量地点较远，为了对现场供水管网进行有效监控，需要进行远距离的无线通信，因此必须克服ZigBee技术传输距离近的缺点。为此，本文特地设计了无线远距离传输模块，用于现场各监控节点与监控中心上位PC机之间的无线数据传输。无线远程通信模块从电路上分为ZigBee模块和GPRS模块两个部分。两者采用串口通信的方式进行数据交换，同时，这个ZigBee模块也是无线传感网的协调器，起着发起和创建网络的作用。

3.2.3 监控中心上位PC机监控软件开发

采用计算机高级语言C#，在Visual Studio集成开发环境下开发上位PC机监控软件，控制上位PC机采用GPRS无线通信方式与无线远程通信模块进行数据通信，通过无线远程通信模块对执行现场监控的无线传感模块进行监督管理。

综上所述，通过无线传感网技术与GPRS无线通信技术相结合的无线通信模式，既可实现无线传感模块对现场设备的实时监控和故障检测，也可实现监控中心对现场设备进行有效监测、管理，从而提高了城市供水系统的智能化、网络化程度。

4 试验与仿真

为了验证本文方法的有效性，本文做了一些试验来模拟实际系统的运行情况。首先，采用12个ZigBee通信模块，其中1个配置成协调器，用来组网，负责建立无线传感网监控系统；吸收路由器和网络终端设备节点加入网络，用来获取网络终端设备节点传来的数据，并与GPRS远程通信模块进行通信。2个ZigBee通信模块配置成路由器，负责吸收附近的终端设备节点加入网络。9个配置成终端设备节点，在CC2530引出的I/O引脚处外接传感器和其他检测、输出设备，负责对被监控点进行监控，并将信息传递给协调器。12个通信模块组成树状网络拓扑结构，用来模拟对供水管网的监控。

在具体的实施方案上，假设将9个终端设备节点固定于管网之上，通过节点连接的湿度传感器、压力传感器、流量传感器配以定时模块，检测管网的湿度变化，检测在用水低峰期管网内的压力、流量是否出现异常。综合考虑各个参数的变化，判断有无渗漏现象发生。如果出现漏水现象，则关闭对管道的供水。同时向协调器发出异常报警，由协调器通过GPRS模块发送给监控中心的PC机。监控中心根据终端设备的编号，很容易确定管道的渗漏位置。

5 结束语

按照如前所述方法，既能够组成无线传感网，实现对相关数据的检测和输出信号控制；又能够将信息及时传递给监控中心，由监控中心对无线传感网测控系统的远程监控。相比于传统的人工检漏方法，采用无线通信模式的多数据检测、分析方法可更加快速、准确地实现管网渗漏检测及渗漏点定位，极大地节省了人力物力资源。试验结果证明，该系统采用的研究方法是先进的、行之有效的。

[1] 薛晓虎.供水管网检漏技术研究进展[J].山西建筑,2008,34(28):200-201.

[2] 王继华,彭振斌,关镶锋.供水管网检漏技术现状及发展趋势[J].桂林工学院学报,2004,24(4):456-459.

[3] 杨春红.供水管网检漏的几种常见方法[J].煤炭技术,2007,26(6):138-140.

[4] 袁荣华,王毅,陈春刚.基于负压波结构模式识别方法的供水管网检漏与定位技术的研究[J].广西大学学报：自然科学版,2003,23(3):202-205.

[5] 杜冬梅,张志,何青，等.无线传感器网络节能技术分析[J].仪器仪表学报,2006,27(6):366-367.

[6] 谢陈磊，方潜生，汪小龙，等.空调压缩机数据无线采集系统的研究[J].电子测量与仪器学报,2010,24(2):195-199.

[7] 王金安.智能节电器在建筑节能中的应用[J].电力需求侧管理，2008,10(6):46-47.

[8] 文永起.基于的变频恒压供水系统研究[J].化学工程与装备,2008(2):46-48.

[9] 赵宝永,付兴武,赵宝东.模糊控制技术在变频调速恒压供水系统中的应用研究[J].电气传动自动化，2003,25(6):16-17.

[10]李海波.基于PLC的智能变频恒压供水监控系统的设计[J].机电工程技术,2011,40(3):48-50.

[11]孙中颖,宋玉龙.浅谈基于PLC的新型变频调速恒压供水系统[J].西南给排水,2011,33(2):48-50.

[12]李丽莉.基于ZigBee技术的无线传感器网络节点的设计[J].电子元器件应用,2011(4):13-14.

[13]王小强,欧阳,黄淋宁.ZigBee无线传感器网络的设计与实现[M].北京:化学工业出版社，2013.

[14]高守玮，吴灿阳.ZigBee技术实战教程[M].北京:北京航天航空大学出版社,2009：247-288.

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

江苏省住房和城乡建设厅基金资助项目(编号：2013ZD47)；

住建部研究开发基金资助项目(编号：2011-K1-19)；

苏州科技学院研究生创新计划基金资助项目(编号：091320022)。

朱树先(1970-)，男，2008年毕业于上海理工大学光学工程专业，获博士学位，副教授；主要从事自动控制、建筑节能方向的研究。

TP393

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505014

修改稿收到日期：2014-11-04。