GPRS和Zig Bee技术用于供水管网监控系统分析

2023-01-19杨旻

科学与信息化 2022年8期

杨旻

太原市市政公用事业管理中心山西太原 030009

引言

针对供水管网泄露情况，国内外一直都在不断加强对供水管网检漏方法的研究和分析，事实上，供水管网漏水是一个错综复杂的问题，不仅需要对容易发生管网渗漏的位置进行分析，还需要对影响因素和管网漏水表现形式进行研究，很难用一种统一化的方式完成管网漏水情况的判断，当前阶段有关供水管网监控系统的研究还十分有限，今后应该不断加强技术研究，紧抓技术优势，实现全面化、系统化的管网漏水情况的监控，切实提高管网漏水监控的准确性和可靠性。

1 供水管网常见的漏损检测方法

面对供水管网老旧失修造成的管网渗漏问题，需要着力加强新设备、新技术、新系统的研究，从而全面提高城市供水管网渗漏检测的应用效率。声学方法则是一种较为常见的渗漏检测方法，较为传统的研究方式则是通过听音棒的作用，直接将听音棒放置到消火栓等位置，直接对出水口位置声信号进行识别和判断，相应对供水管道渗漏点进行判断，这种方法较为古老，对工作人员也提出了较高的要求。噪声记录仪则是对传统声学方法的优化升级，将噪声记录仪放置到阀门、消火栓等位置，完成数据信息的检测，还可以相应进行夜间检测，通过定时启动，完成夜间管道漏水情况的过程检测，还可以对损漏管道位置进行判断。智能球法则是通过带有噪音传感器的智能球，完成管道噪声信号的识别和分析，基于传感器收集信息进行脉冲信号的转换。此外，还有示踪气体法、探地雷达法等多种研究方法。

2 城市供水管网监控系统的特点

随着社会经济水平的提高，城市供水系统也处于不断调整和优化过程中，但是当前城市供水系统漏水情况还是十分明显，难以全面进行防控，一旦出现管网漏水且未能及时发现，则会造成大量水资源的浪费情况，甚至会影响到供水系统的正常使用。针对供水管网漏水等问题，我国多家供水公司都开始加强对成城市供水管网监控系统的研究和分析，旨在全面提高供水管网检漏效果，将供水管网漏水发生的可能性降到最低，将供水管网漏水对社会环境造成的不良影响降到最低。当前阶段，在城市供水管网监控系统设计过程中，还存在一些局限性，需要从设计和技术等多方面展开研究。本文在研究中则将多种技术手段整合到一起，相应设计形成管网检漏监控系统，充分整合GPRS和Zig Bee技术，实现GPRS和Zig Bee技术的优势互补，完成城市供水管网的全过程监控和分析，还可以对城市供水管网漏水情况进行智能监测，一旦监测发现供水管网出现漏水情况，也能够快速确定管网漏水位置[1]。

供水管网监控系统通常可以划分为两个功能模块，第一个功能模块则为近距离无线通信的无线传感网，第二个功能模块则为远距离无线通信的GPRS远程通信模块，无论是在功能设计还是技术应用方面，都能够突破以往监测方式中的不足，极大地提高城市供水管网系统检漏信息的准确性和可靠性。对于城市供水管网检漏系统的设计规划，则充分利用无线传感网测控技术的应用优势，将多种检测手段整合到一起，不同于以往单一化的检测方式，实现尽可能全面的数据信息监测。具体而言，在那些温度判断较为方便的区域，则可以相应安装湿度传感器，借助湿度传感器的作用，完成湿度信号的全过程传输，湿度信号可以直接传送到无线传感网测量终端节点，工作人员也可以直接对测量情况进行研究和分析。将区域流量测定法和分时段检测法整合到一起，完成管网压力的检测作用，基于管网压力测定结果，便可以直接判断管道状况，一旦检测发现管道出现异常状况，则可以相应做出判断。对于城市供水管网检漏系统的技术应用，沿用当前较为流行的GPRS远程通信技术、无线传感网技术，两个技术手段各具优势，在城市供水管网检漏研究中，则可以通过技术手段的应用，提高管网检漏效果的稳定性和可靠性，也能够推进城市供水管网检漏系统的智能化发展。城市供水管网系统正是凭借无线传感网的作用，实现节点数据信息的全过程监控和分析，正是凭借远程通信模块的作用，打破时间和空间的限制，工作人员能够在监控室内便可以借助现场设备进行远程监控和远程管理[2]。

3 基于无线通信模式管网检漏系统

3.1 系统组成

对于城市供水管网检漏系统，充分整合了GPRS远程通信模块、无线传感网测控系统等多个设备。对于无线传感网测控系统，则可以在网络协调器的作用下，实现多个供水管网检漏网络环境的智能监测，系统中若干路由器一同整合其中，还可以充分利用互联网的作用，完成大量终端设备节点的引入与连接。无线传感网则是按照特定的网络拓扑结构，将若干路由器、协调器，以及终端设备节点共同连接在一起，形成城市供水管网的全过程监控。特别是无线传感网中的终端设备节点，秉持着“就近加入”的原则，完成现场设备的智能监控和系统分析，相应带动协调器加入到网络系统中，路由器也是在这个过程中，一同加入到网络环境中。协调器不仅可以实现数据收集的智能，同时还可以和GPRS远程通信模块相联系，GPRS远程通信模块充分发挥中介的作用，一方面，负责实现无线传感网测控系统的远程无线通信，另一方面，完成监控中心的上位PC机的远程无线通信。终端节点设备中获取得到的各种数据信息，将会在GPRS远程通信模块的作用下完成数据传递，相应到达监控中心上位PC机，在监控中心上位PC机的协同作用下，实现指令信息的传输和协作。

3.2 系统开发

3.2.1 无线传感网测控系统。对于城市供水管网检漏系统，为了充分发挥GPRS和Zig Bee的技术优势，在进行系统开发和研究时，则可以从GPRS和Zig Bee的技术应用特点出发，相应展开具体的系统软硬件开发。其中，无线传感网测控系统作为检测数据信息的重点模块，也是系统开发中的重点内容，在系统研发过程中，需要先后就系统硬件和系统软件进行设计和开发。

一方面，对于无线传感网测控系统硬件开发方面，则以Zig Bee通信模块为研究重点，基于不同地区供水管网系统设计要求，相应对路由器、协调器、终端设备节点展开设计工作。在对Zig Bee通信模块进行配置时，则结合具体的应用特点，相应配置形成路由器模式、协调器模式、终端节点设备模式。相关技术人员在软件集成开发环境中，精细化配置Zig Bee协议栈（Zstack），特别需要注意终端设备节点设计与开发，充分运用无线传感网络节点的应用优势，完成传感器、协调器的协同效用，也可以借助采集数据信息，实现控制信号的输出和处理，实现智能化的供水设备间监控与处理，提高城市供水管网系统的智能化水平[3]。

另一方面，对于无线传感网测控系统软件开发方面，则需要将重点放在Zig Bee模块，软件设计所用协议栈则为ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0，相应完成各个功能模块和应用程序的开发工作。在无线传感网测控系统软件开发过程中，处于IAR开发环境，相应进行Zig Bee协议栈配置文件、Zig Bee功能模块的一一配置，使得Zig Bee模块能够相应被划分为多个部分，也就是城市供水管网监测系统所要应用到的各个软件设备，如路由器、协调器。路由器和协调器自身带有Zig Bee协议栈，也正是由于Zig Bee协议栈带有的多种代码，在对开发环境进行设计时，则需要采用更加精细化的设计方式，灵活配置开发环境，使得各个设备模块都能够更好地发挥自身效用。需要明确的是，对于不同的应用设备，在软件编程时的配置文件也是存在明显差别的，当对协调器进行编译时，Zig Bee模块则需要相应进行调配，配置文件则为f8wCoord.cfg协议。当对路由器进行编译时，Zig Bee模块则需要相应进行调配，配置文件则为f8w Routorcfg协议栈配置文件。除了路由器和协调器，还需要将Zig Bee模块相应配置成终端设备节点，虽然终端设备节点和路由器、协调器还是存在明显差别，本身并不带有Zig Bee协议栈自带代码，终端设备节点的应用需要依附于相应的终端设备才能够完成，但是终端设备节点自身的节点配置方式大体相同，均是通过Zig Bee模块和软件编程配置文件的协调发展构建形成。

当城市供水管网检漏系统内进行软件设计时，关注重点在于城市供水管网的智能监控和数据采集，特别是在对应用层进行设计时，更需要加强软件性能试验。

3.2.2 无线远程通信模块。为了实现远距离的城市供水管网检漏系统的检测效用，还需要就无线远程通信模块进行研究和分析。事实上，安装城市供水管网检漏系统还需要对监控中心的具体位置进行考量，但是Zig Bee技术在距离方面有一些局限性，远距离传输也较为困难，这就需要着重探讨远距离无线通信的研究方法，切实提高技术传输效果和优势。本文在研究时，则从远程监控中心无线数据传输方面，通过GPRS和Zig Bee技术的应用，分别设计GPRS模块和Zig Bee模块，采用串口通信完成GPRS模块和Zig Bee模块的协同作用和数据信息的实时传递。

3.2.3 监控中心上位PC机监控软件。设计和研发基于GPRS和Zig Bee技术的供水管网监控系统，能够显著提高工作人员的监测效率，工作人员可以直接借助监控系统进行全过程监控，实现城市供水系统的智能监测和管理，相应带动城市供水系统的高效率建设和发展。在对监控中心上位PC机监控软件进行开发时，则可以在Visual Studio集成开发环境完成软件开发，将无线远程通信模块、无线通信方式整合到一起，相应完成上位PC机的数据采集和数据传输[4]。

4 仿真分析

基于上述分析，相应展开模拟试验，探求将GPRS和Zig Bee技术整合到一起的应用效果，在具体设计时，一共运用Zig Bee通信模块12个，其中，配置成为路由器、协调器、终端设备节点的数量分别为2、1、9，在Zig Bee通信模块的协同作用下组建形成树状网络拓扑结构，达成系统监控效果。对于供水管网监控系统中的路由器，则充分整合2个Zig Bee通信模块的效用，和附近终端设备节点相应产生联系，使得终端设备节点能够相应加入到网络中。对于供水管网监控系统中的协调器，只需要配置1个Zig Bee通信模块，完成无线传感网监控系统的设计和搭建，还可以和其他功能模块形成数据共享和分析。对于供水管网监控系统中的终端设备节点，将会应用到9个Zig Bee通信模块，能够实现城市供水管网监控的作用效果，在Zig Bee通信模块主控芯片I/O引脚处，完成各个监控点的全过程监控效用，还可以相应进行信息传递，直接在协调器进行信息处理。在后续研究中发现，12个Zig Bee通信模块的设置，能够在一定程度上完成城市供水管网湿度、压力、流量等基本数据信息的监测，工作人员也可以就监测数据变化情况，对管网渗漏情况展开研究，一旦管网出现漏水情况，则可以相应关闭管网供水、发出警报、定位管道渗漏。