基于遠(yuǎn)程無線技術(shù)的高效智能水網(wǎng)

　　[摘要]陳舊的配水基礎(chǔ)設(shè)施需要實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理水壓和流量，以及準(zhǔn)確的泄漏檢測和定位技術(shù)。無線傳感器的智能水網(wǎng)在這一領(lǐng)域具有巨大的潛力，但其部署和維護(hù)往往成本高昂、勞動(dòng)密集。而基于遠(yuǎn)程無線技術(shù)的高效智能水網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Adige，提高了服務(wù)員配送系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。利用Lora無線電收發(fā)機(jī)的傳感器節(jié)點(diǎn)原型，進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，展示Adige方法的優(yōu)點(diǎn)。評估結(jié)果表明，與以前的方法相比，使用遠(yuǎn)程無線技術(shù)可以顯著降低能耗，同時(shí)覆蓋室內(nèi)、室外和地下的大面積區(qū)域。

　　[關(guān)鍵詞]遠(yuǎn)程無線技術(shù);物聯(lián)網(wǎng);智能水網(wǎng)絡(luò)

　　1概述

　　確保配水系統(tǒng)(WDS)的有效運(yùn)行和維護(hù)是一項(xiàng)極為重要的社會任務(wù)，隨著人口增長和城市化進(jìn)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(jì)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(dǎo)致許多人遭受斷續(xù)供水和水質(zhì)差的痛苦。為了解決基礎(chǔ)設(shè)施老化造成的問題，供水服務(wù)商需要準(zhǔn)確的泄漏檢測和定位技術(shù)，以便快速修復(fù)管道系統(tǒng)，并盡量減少流出的水量。同時(shí)，為了滿足客戶的需求和期望，需要能夠?qū)崟r(shí)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(luò)和經(jīng)校準(zhǔn)的EPANET水力模型來增強(qiáng)配水系統(tǒng)具有巨大的潛力，并有助于解決上述問題。事實(shí)上，這些基于模型的技術(shù)允許在有限的附加基礎(chǔ)設(shè)施條件下顯著優(yōu)化配水和檢測泄漏[3]。

　　計(jì)算機(jī)工程評職知識：遠(yuǎn)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(luò)(SWN)的部署和維護(hù)通常是昂貴的、不靈活的和勞動(dòng)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(gè)傳感器的成本可達(dá)數(shù)百歐元。傳感器的高成本限制了可以部署在WDS上的設(shè)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(gè)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(shè)備需要配備大電池并經(jīng)常維護(hù)。為了解決這些問題，本文提出Adige:一種基于遠(yuǎn)程無線技術(shù)的高效SWN。Adige優(yōu)先考慮低成本和連接性，而不是準(zhǔn)確性，以提高WDS的可擴(kuò)展性和實(shí)用性。

　　2系統(tǒng)架構(gòu)

　　在SWN中，連接、可擴(kuò)展性以及靈活而廉價(jià)的安裝和管理與精度和性能一樣重要。例如，對于及時(shí)的泄漏檢測，更重要的是從許多低精度傳感器獲取實(shí)時(shí)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(xì)介紹Adige的模塊化架構(gòu)。

　　2.1傳感、控制和收集

　　Adige的核心是一個(gè)無線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，具有以下一個(gè)或多個(gè)角色:傳感器、執(zhí)行器和網(wǎng)關(guān)。傳感器配有實(shí)時(shí)時(shí)鐘、通用傳感器接口、電源管理電路和SD卡接口。在不同點(diǎn)收集有關(guān)水壓和流量的信息，感測到的信息由最近的網(wǎng)關(guān)收集，網(wǎng)關(guān)將該信息轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)管理和顯示層。最后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)允許在發(fā)生泄漏時(shí)重新配置SWN(如通過關(guān)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(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊提供的時(shí)間一起記錄。Adige驅(qū)動(dòng)器是一種無線設(shè)備，具有控制啟動(dòng)閥的能力。在管道破裂的情況下，Adige能夠通過控制每個(gè)閥門位置來調(diào)整壓力和流量水平，目的是在保持用戶需求的同時(shí)盡量減少泄漏量。Adige網(wǎng)關(guān)是配備有Lora收發(fā)器和一個(gè)或多個(gè)附加接口(如Wi-Fi或4G)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，用于將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)管理和顯示層。網(wǎng)關(guān)不需要形成星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也不需要配備更強(qiáng)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(luò)，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(gè)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(gè)經(jīng)過校準(zhǔn)的EPANET模型。該穩(wěn)態(tài)模型能夠預(yù)測任意時(shí)刻的壓力和流量。2)泄漏檢測。泄漏檢測機(jī)制使用時(shí)間序列分析技術(shù)，不斷地將水力模型預(yù)測的壓力和流量值與傳感數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)傳感器的技術(shù)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(biāo)是找到泄漏在波分復(fù)用器中的位置。泄漏定位是一個(gè)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(jī)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(shí)保持消費(fèi)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(jìn)行手動(dòng)干預(yù)之前將水損失降至最低。此外，該模塊還可以在維護(hù)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(shí)間序列數(shù)據(jù)庫中，該數(shù)據(jù)庫能夠有效地處理按時(shí)間索引的數(shù)字?jǐn)?shù)組。在本文的原型實(shí)現(xiàn)中，本文使用一個(gè)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(shí)間序列數(shù)據(jù)。同時(shí)，利用GIS數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)中各個(gè)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(yùn)行檢測定位機(jī)制。為了可視化傳感器讀數(shù)和泄漏，本文使用Grafana，一個(gè)開源的通用儀表板和圖形編輯器，它作為一個(gè)Web應(yīng)用程序運(yùn)行。

　　3可行性研究

　　為了顯示Adige的優(yōu)點(diǎn)，本文進(jìn)行兩個(gè)不同的試驗(yàn)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(kuò)充現(xiàn)有的WDS設(shè)備。WDS實(shí)驗(yàn)裝置配備有線和高精度傳感器，占地面積21m2，由9個(gè)閥門、14個(gè)壓力傳感器、19個(gè)低壓傳感器和14個(gè)電磁閥組成，能夠準(zhǔn)確模擬用戶需求。其次，在一個(gè)單獨(dú)的試驗(yàn)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(qiáng)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(yàn)臺上安裝12個(gè)可視化傳感器;針對時(shí)間序列進(jìn)行優(yōu)化，查詢的響應(yīng)比基于SQL的解決方案快得多，這大大提高了界面的可用性。可以看到實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的屏幕截圖。在未來，計(jì)劃用一個(gè)插件擴(kuò)展Grafana的接口，這個(gè)插件能夠可視化地管理參考數(shù)據(jù)。

　　4結(jié)論

　　本文提出一種基于遠(yuǎn)程無線技術(shù)的有效SWN體系結(jié)構(gòu)Adige，并給出初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shè)施的一個(gè)理想特性，其目的是降低部署和維護(hù)成本，同時(shí)仍然能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測用戶需求。這種部署將使本文能夠準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)的能耗，并對其可靠性進(jìn)行壓力測試。此外，本文的目的是更好地了解不同時(shí)空分辨率的數(shù)據(jù)如何影響泄漏檢測和定位任務(wù)。

　　[參考文獻(xiàn)]

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

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

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

　　作者：鄭麗

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