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'GPRS和ZigBee技术用于供水管网监控系统研究朱树先,等GPRS和ZigBee技术用于供水管网监控系统研究ResearchingtheMonitoringSystemforWaterSupplyPipelineNetworkbyUsingGPRSandZigBeeTechnologies朱树先曹冲朱学莉(苏州科技学院,江苏苏州215009)摘要: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。关键词:无线传感网无线通信供水管网管网检漏ZigBee中图分类号:TP393文献标志码:ADOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505014Abstract:Atpresent,theproductsandtechnologiesappliedinthefieldofleakagedetectionforwatersupplypipelinenetworkarefeaturingvariousdefects,suchasunitarydetectionmeans,tediousdetectionprocess,difficultyofpositioning,networkmanagementhasnotbeenmaterialize,largewasteofhumanresources,andlowdetectionaccuracy,etc.Inaccordancewithaboveshortcomingsanddeficiencies,andonthebasisofsummarizingpreviousworks,thenovelwirelesscommunicationtechnologyisusedinleakagemonitoringsystemforwatersupplynetwork.Thesystemintegratesrealtimemonitoringandnetworkmanagement,thewirelesssensingnetworkiscombinedwithGPRSwirelesscommunicationtechnology,withthemunicipalwatersupplynetworkastheobject,realtimemonitoringandnetworkmanagementareachieved,andgreatlyimprovestheintellectualizationandnetworkinglevelofthedevices.Throughtestsandtheoreticalanalysis,itisfoundthatthismonitoringsystemmaximizestheobjectofwaterconservation.Keywords:WirelesssensornetworkWirelesscommunicationWatersupplynetworkPipelineleakageZigBee无线传感网实现对现场设备的监控和节点间的数据通0引言信。通过远程通信模块,可实现监控中心对现场设备在城市供水系统中,普遍存在管网漏水的现象,如的远程监控及网络化管理。果不能及时发现渗漏点,不但会导致水资源的大量浪1当前该领域的主要方法概述费,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在过去的几十年间,大量的学者、研究人员、工程及设备的研究、开发工作,并成立了相关学术研究机技术人员在供水管网检漏方面做了大量的工作,开发构,来提高供水管网的检漏水平。了许多行之有效的检漏方法,本文现将其中主要的方在这样的应用背景下,设计了一种基于无线传感法介绍如下。薛晓虎提出了被动检漏法、音听检漏法、[1]网与GPRS技术相结合的管网检漏监控系统,用于对水平衡探测法、收集式检漏法等。王继华等提出了城市供水管网的漏水情况进行实时监测和准确定位。大地湿度检测法、区域流量测定法、红外线照相法、示[2]该系统的通信部分可分为近距离无线通信的无线传感踪气体探测法。杨春红等提出了相关检漏法、漏水[3]传网和远距离无线通信的GPRS远程通信模块。通过声自动记录监测法等。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[4]外,还有一些方法,限于篇幅,这里不再逐一介绍。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);上述众多的检漏方法和技术都存在相当大的缺点苏州科技学院研究生创新计划基金资助项目(编号:091320022)。和不足。首先,前面所提的各种方法所采取的技术手修改稿收到日期:2014-11-04。段过于单一。而管网漏水是一个相对复杂的问题,例第一作者朱树先(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。如,在哪些点处容易发生渗漏,受外部环境的影响,漏《自动化仪表》第36卷第5期2015年5月57 GPRS和ZigBee技术用于供水管网监控系统研究朱树先,等水现象的表现形式也各不相同,很难用一种方法进行也可以通过附近的路由器来加入网络。协调器所起的判别。其次,有些方法采用的检测器件不够先进,还有作用除了组网,收集终端设备节点传递的数据外,还与的完全靠人工检测,很难做到检测的准确性。最后,在GPRS远程通信模块通信,由GPRS远程通信模块负责当今信息化、网络化的时代,没有利用这些优势对全市实现无线传感网测控系统与监控中心的上位PC机之供水管网进行统一的管理、监控,使得监控中心无法从间的远程无线通信。GPRS远程通信模块将终端设备整体上对管网漏水情况获得全面了解,也不能对事故节点中的数据传送至监控中心上位PC机,并将监控点进行准确的定位,会造成巨大的人力、物力资源的中心上位PC机的指令信息传送至无线传感模块。以浪费。实现监控中心对监控各节点的网络化管理。系统组成[12]结构如图2所示。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。采用图1无线传感网拓扑结构图最新式的传感器和测量仪器,对管网渗漏现象可做出Fig.1Topologicalstructureofthewirelesssensornetwork更加准确的判断,减少了误判率,提高了系统的智能化[5-7]水平。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,对于非图2系统结构总图恒压供水管网,检测其压力是否过高;对于恒压变频供Fig.2Theoverallsystemstructure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3.2系统的软硬件开发提高检测的准确率。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3基于无线通信模式管网检漏系统开发:无线传感网测控系统开发、GPRS远程通信模块3.1系统的组成开发和监控中心的PC机软件开发。下面分别对这几本文开发的基于无线通信模式管网检漏系统由监部分的具体实现方法进行说明。控中心上位PC机、无线传感网测控系统、GPRS远程3.2.1无线传感网测控系统开发通信模块等组成。其中,无线传感网测控系统由一个①系统的硬件开发网络协调器、若干路由器和大量终端设备节点组成。系统在硬件方面采用成都无线龙公司开发的由网络协调器发起并组建一个网络,路由器加入网络,ZigBee通信模块作为核心部件。根据具体需要,配以并负责发现把附近的终端设备节点引入网络。无线传不同的外设,即可开发出协调器、路由器和终端设备节感网由终端设备节点、路由器和协调器按照一定的网点。ZigBee通信模块以TI公司的CC2530芯片为主控络拓扑结构组成,其网络拓扑结构如图1所示。其中芯片,既可配置成协调器模式,也可以配置成路由器或终端节点负责对现场设备进行实时监控,按照“就近终端设备模式。具体做法是在软件集成开发环境中,加入”的原则,既可通过附近的协调器自行加入网络,对ZigBee协议栈(Zstack)进行不同配置来实现的。关58PROCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATIONVol.36No.5May2015 GPRS和ZigBee技术用于供水管网监控系统研究朱树先,等于这部分内容将在软件开发中详细介绍。这里需要强各监控节点与监控中心上位PC机之间的无线数据传调的是,在无线传感网系统中,对现场设备起到实时监输。无线远程通信模块从电路上分为ZigBee模块和控作用的是终端设备。将ZigBee通信模块配置成终GPRS模块两个部分。两者采用串口通信的方式进行端设备,利用无线传感网络节点所具有的集测、控于一数据交换,同时,这个ZigBee模块也是无线传感网的身的优势,通过与其连接的不同类型传感器来采集外协调器,起着发起和创建网络的作用。部信息,传递给协调器;也可以对采集到的信息进行运3.2.3监控中心上位PC机监控软件开发算、分析、处理,输出相应的控制信号,对供水设备进行采用计算机高级语言C#,在VisualStudio集成开实时控制。发环境下开发上位PC机监控软件,控制上位PC机采②ZigBee模块的软件开发用GPRS无线通信方式与无线远程通信模块进行数据在无线传感网测控系统软件开发方面,采用TI公通信,通过无线远程通信模块对执行现场监控的无线司的IAR集成开发环境进行ZigBee节点开发。在系传感模块进行监督管理。统安装了ZigBee协议栈后,IAR开发环境可加载综上所述,通过无线传感网技术与GPRS无线通ZigBee协议栈,在此基础上进行ZigBee模块配置和应信技术相结合的无线通信模式,既可实现无线传感模用程序开发,所用协议栈为ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0。块对现场设备的实时监控和故障检测,也可实现监控在IAR开发环境下,通过对不同的模块配以不同的协中心对现场设备进行有效监测、管理,从而提高了城市议栈配置文件,即可将ZigBee模块分别配置成协调供水系统的智能化、网络化程度。器、路由器和终端设备节点。以协调器和路由器的配4试验与仿真置为例,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。为了验证本文方法的有效性,本文做了一些试验因为在这两个设备上都使用ZigBee协议栈自带来模拟实际系统的运行情况。首先,采用12个ZigBee的代码,开发环境必须要对它们进行不同的配置,才能通信模块,其中1个配置成协调器,用来组网,负责建生成不同的执行代码,下载到ZigBee模块即可分别作立无线传感网监控系统;吸收路由器和网络终端设备为协调器、路由器使用。当选择不同的设备类型编译节点加入网络,用来获取网络终端设备节点传来的数时,下面加载的配置文件是不一样的。例如,欲将据,并与GPRS远程通信模块进行通信。2个ZigBeeZigBee模块配置成协调器,则选择f8wCoord.cfg协议通信模块配置成路由器,负责吸收附近的终端设备节栈配置文件参与源代码编译。如果需要ZigBee模块点加入网络。9个配置成终端设备节点,在CC2530引配置成路由器,则采用f8wRoutorcfg协议栈配置文件。出的I/O引脚处外接传感器和其他检测、输出设备,负系统的终端设备节点的配置与上面所述相似,这里不责对被监控点进行监控,并将信息传递给协调器。过多介绍。需要特别说明的是,终端设备节点置于要12个通信模块组成树状网络拓扑结构,用来模拟对供监控的设备之上,它的本质是一个自带电源的ZigBee水管网的监控。通信模块。该模块以51单片机为内核,集成有无线收在具体的实施方案上,假设将9个终端设备节点发单元,其I/O口可接传感器,负责对需要的数据进行固定于管网之上,通过节点连接的湿度传感器、压力传测量。感器、流量传感器配以定时模块,检测管网的湿度变在软件编程方面,只需在协议栈的应用层(APP)化,检测在用水低峰期管网内的压力、流量是否出现异上编写数据采集、输出控制应用程序即可对设备进行常。综合考虑各个参数的变化,判断有无渗漏现象发实时的检测与控制。应用协议栈自带的API函数中的生。如果出现漏水现象,则关闭对管道的供水。同时数据发送、接收函数,实现同一网络中各个节点之间的向协调器发出异常报警,由协调器通过GPRS模块发通信。而不需要对复杂的协议栈本身有过多的了解。送给监控中心的PC机。监控中心根据终端设备的编[13-14]极大地方便了应用程序的开发。号,很容易确定管道的渗漏位置。3.2.2无线远程通信模块的开发5结束语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按照如前所述方法,既能够组成无线传感网,实现通信,因此必须克服ZigBee技术传输距离近的缺点。对相关数据的检测和输出信号控制;又能够将信息及为此,本文特地设计了无线远距离传输模块,用于现场(下转第63页)《自动化仪表》第36卷第5期2015年5月59 熵权法和云模型下的物联网鲁棒性评估方法任敏,等2ω性能的一个重要的研究对象,利用云模型的方法对物nHe+…+He(9)2222nω1+ω2+…ωn联网鲁棒性进行评估,在指标的处理中应用熵权法计通过以上公式的运算,得出校正后的期望、熵、超算各指标的相对权重,解决了指标权重求解过程中难熵分别是Ex=53.93、En=3.58、He=0.26,其覆盖范围以客观的问题。同时实现了系统性能指标数值向评语是(Ex-3En,Ex+3En)=(43.19,64.67)。根据鲁棒性的不确定映射,更直观地表示了综合评估的结果,在物等级的划分,鲁棒性等级对比图如图2所示,图2中虚联网系统评估方面是一个有效的探索和尝试。线表示的是物联网系统的鲁棒性。从图2可以发现,参考文献其主要部分落在“中”和“较好”的区域内,但是其中的[1]陈柳钦.物联网:国内外发展动态及亟待解决的关键问题[J].大部分更接近“中”。当频段、丢包率、时延3个指标决策咨询通讯,2010(5):15-25.[2]接婧.国际学术界对鲁棒性的研究[J].系统工程学报,2005,20(2):影响下的物联网的鲁棒性能是“中”。从上述对物联154-159.网鲁棒性的研究,我们可以得出物联网系统的性能比[3]罗赟骞,夏靖波,陈天平.基于云模型和熵权的网络性能综合评估模较稳定。型[J].重庆邮电大学学报:自然科学版,2009,21(6):771-775.[4]闫斌,周小佳,王厚军,等.无线传感器网络路由鲁棒性研究[J].计算机应用研究,2009,26(6):2184-2186.[5]王汉斌,方守林.熵权法和云模型下的煤矿中层管理人员绩效评价[J].山东工商学院学报,2011,25(6):51-54.[6]柳炳祥,李海林.一种基于云模型的综合评判方法[J].微计算机信息(嵌入式与SOC),2007,23(11-2):262-263.[7]王旭辉,杨华,陈远.基于云模型效能评估的Matlab实现[J].微图2鲁棒性等级对比图型机与应用,2012,31(8):71-73.Fig.2Comparisonoftherobustnesslevels[8]王健,肖文杰,王树文,等.一种改进的基于云模型的效能评估方法[J].火力与指挥控制,2010,35(7):140-142.[9]郭戎潇,夏靖波,董淑福,等.一种基于多维云模型的多属性综4结束语合评判方法[J].计算机科学,2010,37(11):75-77.本文将鲁棒性首次引入物联网系统中,并据此提[10]张莹,代劲,安世全.基于云模型的定性评价及在学评教中的应出物联网的鲁棒性的概念。将鲁棒性作为物联网系统用[J].计算机工程与应用,2012,48(31):210-215.(上接第59页)器仪表学报,2006,27(6):366-367.时传递给监控中心,由监控中心对无线传感网测控系[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.统的远程监控。相比于传统的人工检漏方法,采用无[7]王金安.智能节电器在建筑节能中的应用[J].电力需求侧管线通信模式的多数据检测、分析方法可更加快速、准确理,2008,10(6):46-47.地实现管网渗漏检测及渗漏点定位,极大地节省了人[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,力物力资源。试验结果证明,该系统采用的研究方法2008(2):46-48.是先进的、行之有效的。[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参考文献统中的应用研究[J].电气传动自动化,2003,25(6):16-17.[1]薛晓虎.供水管网检漏技术研究进展[J].山西建筑,2008,34(28):[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200-201.电工程技术,2011,40(3):48-50.[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[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].林工学院学报,2004,24(4):456-459.西南给排水,2011,33(2):48-50.[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):[12]李丽莉.基于ZigBee技术的无线传感器网络节点的设计[J].电138-140.子元器件应用,2011(4):13-14.[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[13]王小强,欧阳,黄淋宁.ZigBee无线传感器网络的设计与实现[M].网检漏与定位技术的研究[J].广西大学学报:自然科学版,北京:化学工业出版社,2013.2003,23(3):202-205.[14]高守玮,吴灿阳.ZigBee技术实战教程[M].北京:北京航天航[5]杜冬梅,张志,何青,等.无线传感器网络节能技术分析[J].仪空大学出版社,2009:247-288.《自动化仪表》第36卷第5期2015年5月63'