基于遠程無線技術的高效智能水網(wǎng)

　　[摘要]陳舊的配水基礎設施需要實時監(jiān)測和管理水壓和流量，以及準確的泄漏檢測和定位技術。無線傳感器的智能水網(wǎng)在這一領域具有巨大的潛力，但其部署和維護往往成本高昂、勞動密集。而基于遠程無線技術的高效智能水網(wǎng)絡體系結構Adige，提高了服務員配送系統(tǒng)的可擴展性。利用Lora無線電收發(fā)機的傳感器節(jié)點原型，進行一系列實驗，展示Adige方法的優(yōu)點。評估結果表明，與以前的方法相比，使用遠程無線技術可以顯著降低能耗，同時覆蓋室內(nèi)、室外和地下的大面積區(qū)域。

　　[關鍵詞]遠程無線技術;物聯(lián)網(wǎng);智能水網(wǎng)絡

　　1概述

　　確保配水系統(tǒng)(WDS)的有效運行和維護是一項極為重要的社會任務，隨著人口增長和城市化進程的加快，配水系統(tǒng)的重要性也隨之提高。特別是在發(fā)展中國家和增長中的經(jīng)濟體，由于供水管網(wǎng)不斷惡化，每天損失數(shù)百萬立方米的水，導致許多人遭受斷續(xù)供水和水質差的痛苦。為了解決基礎設施老化造成的問題，供水服務商需要準確的泄漏檢測和定位技術，以便快速修復管道系統(tǒng)，并盡量減少流出的水量。同時，為了滿足客戶的需求和期望，需要能夠實時監(jiān)測和管理水壓和水流的解決方案[1-2]。通過高精度傳感器網(wǎng)絡和經(jīng)校準的EPANET水力模型來增強配水系統(tǒng)具有巨大的潛力，并有助于解決上述問題。事實上，這些基于模型的技術允許在有限的附加基礎設施條件下顯著優(yōu)化配水和檢測泄漏[3]。

　　計算機工程評職知識：遠程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)論文發(fā)表英文期刊

　　然而，這些智能水網(wǎng)絡(SWN)的部署和維護通常是昂貴的、不靈活的和勞動密集型的。傳統(tǒng)的雨水管理系統(tǒng)采用精確的流量和壓力傳感器，每個傳感器的成本可達數(shù)百歐元。傳感器的高成本限制了可以部署在WDS上的設備數(shù)量，從而限制了數(shù)據(jù)的空間分辨率。此外，它需要一個最佳的傳感器位置，這往往是很難做到的。精密傳感器和GSM無線電模塊消耗大量能量。由于很少有與電網(wǎng)的連接，傳感器設備需要配備大電池并經(jīng)常維護。為了解決這些問題，本文提出Adige:一種基于遠程無線技術的高效SWN。Adige優(yōu)先考慮低成本和連接性，而不是準確性，以提高WDS的可擴展性和實用性。

　　2系統(tǒng)架構

　　在SWN中，連接、可擴展性以及靈活而廉價的安裝和管理與精度和性能一樣重要。例如，對于及時的泄漏檢測，更重要的是從許多低精度傳感器獲取實時信息，而不是從較少的位置接收零星的高精度數(shù)據(jù)。本文將詳細介紹Adige的模塊化架構。

　　2.1傳感、控制和收集

　　Adige的核心是一個無線設備網(wǎng)絡，具有以下一個或多個角色:傳感器、執(zhí)行器和網(wǎng)關。傳感器配有實時時鐘、通用傳感器接口、電源管理電路和SD卡接口。在不同點收集有關水壓和流量的信息，感測到的信息由最近的網(wǎng)關收集，網(wǎng)關將該信息轉發(fā)給數(shù)據(jù)管理和顯示層。最后，執(zhí)行機構允許在發(fā)生泄漏時重新配置SWN(如通過關閉閥門)，并保證對用戶的最小水壓。

　　Adige的傳感器配備微控制器和工作頻率為868MHz的收發(fā)器。傳感器由3.7V鋰離子電池供電，電池容量為3.4Ah，可通過專用電路充電。對于持久性存儲，SD卡將收集的數(shù)據(jù)與實時時鐘模塊提供的時間一起記錄。Adige驅動器是一種無線設備，具有控制啟動閥的能力。在管道破裂的情況下，Adige能夠通過控制每個閥門位置來調整壓力和流量水平，目的是在保持用戶需求的同時盡量減少泄漏量。Adige網(wǎng)關是配備有Lora收發(fā)器和一個或多個附加接口(如Wi-Fi或4G)的網(wǎng)絡設備，用于將傳感器數(shù)據(jù)轉發(fā)到數(shù)據(jù)管理和顯示層。網(wǎng)關不需要形成星形拓撲結構，也不需要配備更強大的硬件，就可允許根據(jù)不同的需求和情況重新配置網(wǎng)絡，提高靈活性。

　　2.2數(shù)據(jù)融合與分析

　　在Adige中，數(shù)據(jù)融合和分析層由下面描述的4個不同模塊組成。1)液壓模型。對于基于模型的泄漏檢測和定位，使用一個經(jīng)過校準的EPANET模型。該穩(wěn)態(tài)模型能夠預測任意時刻的壓力和流量。2)泄漏檢測。泄漏檢測機制使用時間序列分析技術，不斷地將水力模型預測的壓力和流量值與傳感數(shù)據(jù)進行比較。如果模型和觀測值不匹配，則檢測到泄漏。與基于聲/振動傳感器的技術相比，該模型對帶寬的要求要低得多。

　　3)泄漏定位。在檢測到泄漏后，基于模型定位算法的目標是找到泄漏在波分復用器中的位置。泄漏定位是一個反問題，其中測量值和水力模型模擬值之間的差異最小化，以獲得近似泄漏位置。4)泄漏緩解。這種機制允許重新配置WDS中的閥門，以使系統(tǒng)壓力最小化(尤其是在受損區(qū)域)，同時保持消費者所需的最小壓力。這樣可以減少泄漏造成的損壞，并在可能進行手動干預之前將水損失降至最低。此外，該模塊還可以在維護期間完全隔離損壞的水管，以便于維修。

　　2.3數(shù)據(jù)管理與顯示

　　Adige傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)被持久地存儲在時間序列數(shù)據(jù)庫中，該數(shù)據(jù)庫能夠有效地處理按時間索引的數(shù)字數(shù)組。在本文的原型實現(xiàn)中，本文使用一個開源數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫經(jīng)過優(yōu)化，能夠快速、高可用地存儲和檢索時間序列數(shù)據(jù)。同時，利用GIS數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)中各個傳感器、管道、閥門和泵站的位置和特性。數(shù)據(jù)融合分析層利用組合數(shù)據(jù)建立水力模型，運行檢測定位機制。為了可視化傳感器讀數(shù)和泄漏，本文使用Grafana，一個開源的通用儀表板和圖形編輯器，它作為一個Web應用程序運行。

　　3可行性研究

　　為了顯示Adige的優(yōu)點，本文進行兩個不同的試驗臺。首先，使用Adige的數(shù)據(jù)融合和分析層以及數(shù)據(jù)管理和顯示層來擴充現(xiàn)有的WDS設備。WDS實驗裝置配備有線和高精度傳感器，占地面積21m2，由9個閥門、14個壓力傳感器、19個低壓傳感器和14個電磁閥組成，能夠準確模擬用戶需求。其次，在一個單獨的試驗臺上，本文評估了前文提出的基于Lora的傳感器的可靠 性和能量效率。

　　3.1數(shù)據(jù)融合、分析、管理和顯示

　　Grafana允許本文使用強大的功能(如縮放、聚合和范圍選擇)來探索Adige傳感器數(shù)據(jù)。在試驗臺上安裝12個可視化傳感器;針對時間序列進行優(yōu)化，查詢的響應比基于SQL的解決方案快得多，這大大提高了界面的可用性�？梢钥吹綄崿F(xiàn)的系統(tǒng)的屏幕截圖。在未來，計劃用一個插件擴展Grafana的接口，這個插件能夠可視化地管理參考數(shù)據(jù)。

　　4結論

　　本文提出一種基于遠程無線技術的有效SWN體系結構Adige，并給出初步的實驗結果，證明該方法的可行性。基于Lora的傳感器原型所顯示的高可靠性、能源效率和覆蓋范圍是水利設施的一個理想特性，其目的是降低部署和維護成本，同時仍然能夠實時監(jiān)測用戶需求。這種部署將使本文能夠準確地描述系統(tǒng)的能耗，并對其可靠性進行壓力測試。此外，本文的目的是更好地了解不同時空分辨率的數(shù)據(jù)如何影響泄漏檢測和定位任務。

　　[參考文獻]

　　[1]吳展林.無線流媒體技術在水利監(jiān)控的應用[J].建材與裝飾，2019(21):295-296.

　　[2]戴建泉.無線通訊技術在偏遠地區(qū)水利工程管理中的應用[J].電子技術與軟件工程，2017(12):26-27.

　　[3]王楓.TD-LTE無線通信技術在水利工程中的應用[J].水利建設與管理，2019(1):17-23.

　　作者：鄭麗

轉載請注明來自發(fā)表學術論文網(wǎng)：http:///jjlw/25991.html