??? 在城市建設中最重要的就是水電氣工程，其中給水工程的建設尤為重要。然而自來水管線在使用過程中的監測和維護一直是令水務部門頭痛的問題。這是因為自來水管網錯綜復雜，而且通常鋪設在地下，所以時常有工程施工破壞輸水管道的事故發生，或者是因水管老化不堪重壓而破裂。對于這些可能出現的事故，水務部門既無法提前預警，也無法事后及時發現，造成了巨大的浪費，甚至影響交通，造成惡劣影響。
?? ?基于現實中的迫切需求，本期介紹一套城市自來水管網實時監測系統。
1 監控原理
?? ?在理論分析和采集大量的現場數據后我們發現，自來水管網在輸送正常時，管內的水壓是一個比較平穩的值。在水管破裂后，水壓會迅速下降，下降程度和破裂口的出水量有關。所以可以通過實時監測管道水壓，并設定一個水壓下限報警和水壓變化率報警來及時發現管網的異常。
2 通信方式
?? ?因為自來水管網分布非常廣泛，如果用傳統的有線通信方式來傳送現場數據，則需耗費極大的人力物力來施工和維護。所以應該選擇無線通信方式，而傳統的數傳電臺存在功耗大、選址困難、不易組網、成本高等缺點。
??? 綜合考慮后我們選擇了以GPRS為主要通信渠道，同時以短信作補充的無線通信方案，它同時具有組網方便、建設和維護成本低、通信可靠迅速等優點，是本系統的理想通信方式。
3 系統組成
?? ?本系統由水壓傳感器、現場監控及無線通信設備、監控中心服務器和數據庫軟件等部分組成，如圖1所示。
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圖1 自來水輸送管網監控系統組成示意圖
3.1 水壓傳感器
?? ?水壓傳感器可以使用常見的壓力變送器。變送器是將物理信號或普通電信號轉換為標準電信號輸出或能夠以通信協議方式輸出的設備，如圖2所示。在該應用中我們可以選擇輸出形式為0~5 V電壓或4~20 mA電流的變送器。變送器的工作電壓通常有5 V、12 V、24 V等數種。
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3.2 現場監控及無線通信終端
?? ?現場終端要求能夠完成從變送器讀取采樣結果，并把采樣結果通知監控中心服務器。
?? ?由于終端系統位于管線的各個監測點上，通常都沒有市電供應，所以需要使用電池供電。本系統的實現難點就在于現場終端系統的功耗問題。綜合考慮后，用戶可以接受和認可的終端工作流程是終端平時處于低功耗休眠狀態，采用定時喚醒的方式采樣當前水壓值。如果水壓正常，則按預先設定的時間間隔上線通報數據。如果水壓超限，則立即啟動無線通信，將警情信息通知用戶。在上傳完采樣數據后，設備恢復低功耗的正常工作狀態。
????廣州致遠電子有限公司生產的低功耗GPRS無線數據采集設備ZWG-5221L能夠同時滿足低功耗運行、高精度模擬信號采集、數據智能處理以及靈活的數據上傳機制。該產品外形如圖3所示。
?? ?(1)產品主要特性
?? ?· 兩路電流/電壓測量(0～20 mA或0～40 mA/0～5 V或0～10 V)；
?? ?· 可緩存300條歷史采樣記錄供服務器調用；
?? ?· 一路電壓輸出（5 V 200 mA或12 V 50 mA或24 V 20 mA）；
?? ?· 低功耗設計（休眠狀態<1 mA）；
?? ?· 內置備用電源（在主電力失效時使用備用電池通知用戶，并保證設備正常工作2 h）；
?? ?· 具有電源冗余管理功能，主電源和備用電源之間自動切換并通知用戶；
?? ?· 具有設備工作溫度測量功能；
?? ?· 具有實時時鐘功能，對采集的數據增加時間戳，方便數據庫管理和分析；
?? ?· 支持采樣值上下限和變化率報警；
?? ?· 支持永遠在線或正常定時上線和報警即時上線；
?? ?· 支持數據中心動態域名或IP地址訪問；
?? ?· 支持短信報警和短信配置；
?? ?· 支持本地串口配置和遠程配置；
?? ?· 單5 ～7 V供電(適合6 V蓄電池或7 V以下鋰電池供電)；
?? ?· 多重軟硬件可靠設計，使設備安全運行。
?? ?(2)低功耗運行
?? ?ZWG-5221L工作狀態和電流的關系如圖4所示。從圖中可以看到設備在采樣間歇的休眠狀態下僅有600 μA的工作電流，在采樣狀態時僅有15 mA的工作電流(通常3～5 s完成一次采樣)，而這兩個狀態占據著終端運行時間的95%以上，所以整個終端系統可以依靠電池工作很長的時間（具體參數和計算方法請參閱產品說明書）。
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??? 同時該產品具有電壓定時輸出功能，可以用于外部變送器的電源供給，并可以與數據采集靈活配合。實現采集數據前輸出電壓，使變送器預熱，在采集結束后切斷輸出，使變送器掉電，以節約能源。
?? ?(3)高精度模擬量采集
?? ?ZWG-5221L具有電流（0～20 mA/40 mA）和電壓（0～5 V/10 V）的測量功能，均為12 bit精度。設備內置硬件濾波器（可提供濾波效果更好的外置濾波模塊選件），還具有用戶可控制濾波強度的軟件濾波算法，軟硬件組合處理可以讓采集的數據更加真實穩定。所以該設備特別適合駁接各種變送器，包括本系統需要的壓力變送器。
?? ?采集結果可以按用戶的要求進行上下限判斷以及變化率判斷，如果超過用戶預設的指標，將會觸發報警事件。
?? ?(4)靈活的數據通信機制
?? ?ZWG-5221L采集到的結果如果屬于正常范圍，它將按照用戶預先設定的時間，通過GPRS周期性地連接遠程數據中心服務器，并將數據上傳。
?? ?采集結果如果屬于超限值，將會觸發報警事件，報警信息通過GPRS通知監控中心服務器。如果用戶使能了短信報警功能，則同時發送報警短信至相關負責人員的手機，方便管理人員第一時間了解到事故狀況和位置。
?? ?另外，為了數據的安全可靠，用戶還可以選擇短信傳數功能。這樣如果因為網絡或服務器故障而導致GPRS通信失敗，ZWG-5221L將啟動短信功能把最新的一條數據送達指定號碼。
3.3 監控中心及服務器軟件
?? ?監控中心的作用是接收現場終端上傳的數據，并具有數據庫功能，可以將各個終端的數據保存起來供以后分析使用。同時監控中心軟件還應具有警情提醒的功能，當終端設備出現警情時，要能提醒工作人員緊急處理。
?? ?ZWG-5221L作為TCP客戶端會主動訪問位于監控中心的TCP服務器，服務器有多種架設方案，比較經濟和可靠的方案是采用固定IP上網的方式，終端設備訪問該固定IP即可連接上服務器。
?? ?ZWG-5221L設備還提供了上位機驅動庫函數和眾多開發平臺的示例程序，用戶可以基于這些資源輕松編寫出具有自己特色的監控中心軟件。
4 終端安裝要點
?? ?終端通常是在戶外無人值守的環境下工作，而且因為要靠近輸送管線安裝，所以通常是安裝在維護井中。維護井環境比較惡劣，建議用戶將ZWG-5221L、電池和壓力變送器集中安裝在防水箱中，再將防水箱安裝在現場，如圖5所示。
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圖5 終端設備現場安裝示意圖
??? 該系統在多個城市投入使用后，經過長時間的運行，系統穩定可靠，取得了滿意的效果。該系統方案同樣適用于其他管網監控領域，如污水管道、石油管道、天然氣管道等。
?? ?通過選擇不同類型的變送器，該系統幾乎可以勝任各種低功耗遠程無線智能監控領域的要求。
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