一種城市給水管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及給水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，更具體地說，涉及一種城市給水管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國城鎮(zhèn)化步伐的加快，城市給水管網(wǎng)規(guī)模日漸擴(kuò)大，由于監(jiān)測與管理的手段相對滯后，我國城市管網(wǎng)面臨的種種問題日漸突出:首先，管網(wǎng)漏損嚴(yán)重，根據(jù)《2010年城市供水統(tǒng)計(jì)年鑒》，我國600余座城市的給水管網(wǎng)水量凈漏失率達(dá)16.23%，遠(yuǎn)超過國家要求的12%的漏損控制標(biāo)準(zhǔn)；其次，缺少優(yōu)化調(diào)度，管網(wǎng)供水電耗巨大，不考慮中間加壓，每噸水的一次供水電耗在0.2-0.3度，以深圳市為例，2010年供水量是18.97億m3，估計(jì)一次提升的電耗是4-6億度。要解決上述問題第一步就是建立適應(yīng)于城市給水管網(wǎng)特性的監(jiān)測系統(tǒng)，全面了解管網(wǎng)運(yùn)行情況，從而能夠提出科學(xué)定量的管理措施。
[0003]城市給水管網(wǎng)規(guī)模巨大，又埋于地下，對其開展在線監(jiān)測一直是全球監(jiān)測領(lǐng)域的難點(diǎn)。目前國內(nèi)只有少數(shù)地區(qū)開展了小區(qū)域的管網(wǎng)監(jiān)測，這種監(jiān)測系統(tǒng)主要依靠商業(yè)化的在線監(jiān)測儀表來構(gòu)建，這種監(jiān)測系統(tǒng)多采用有線或獨(dú)立的遠(yuǎn)程通訊設(shè)備來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，使得單個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)成本較高，電耗較大，不適合城市自來水管網(wǎng)大規(guī)模、低成本的監(jiān)測要求。近些年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日漸成熟，一些科研機(jī)構(gòu)紛紛開展了管網(wǎng)監(jiān)測與管理方面的研宄。Ivan Stoianov et al.(2007)提出PipeNet系統(tǒng)，利用單跳的無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)進(jìn)行管網(wǎng)監(jiān)測，但僅用于實(shí)驗(yàn)室的管網(wǎng)探漏研宄，未提出遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸方案。Min Lin etal.(2008)開展WSN地下管網(wǎng)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，建立了 2.4GHz ZigBee井下通訊模型，但由于監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)在地下，無線傳輸效果大打折扣。Michael Allen et al.(2013)開發(fā)WaterWiseOSG智能管網(wǎng)系統(tǒng)，利用公共通訊網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)對實(shí)際給水管網(wǎng)進(jìn)行在線監(jiān)測，但該系統(tǒng)每一個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)都需要配備一個(gè)獨(dú)立的GPRS模塊，成本高、功耗高。AS Almazyad et al.(2014)提出隨管道水流流動(dòng)的基于無線傳感網(wǎng)與RFID技術(shù)的移動(dòng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，并取得了良好的模擬效果，但由于屏蔽效應(yīng)該方案不適用金屬管材。
[0004]發(fā)明人(2014)提出了基于壓力監(jiān)測的節(jié)點(diǎn)流量反演理論(DRD)，并得到了良好驗(yàn)證，僅對于管網(wǎng)進(jìn)行水壓監(jiān)測就能解決漏損探測、故障分析、調(diào)度優(yōu)化等多種問題。而消火栓是給水管網(wǎng)系統(tǒng)最為常見的地上設(shè)施，對于消火栓進(jìn)行水壓監(jiān)測可將監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的布設(shè)從地下引到地面以上，既為管理維護(hù)帶來便利，也為監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線射頻傳輸掃去了屏障。正是基于DRD理論的提出，進(jìn)而發(fā)明了本申請的新型的、建立在消火栓上的城市給水管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對當(dāng)前城市給水管網(wǎng)規(guī)模龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，管網(wǎng)普遍埋于地下，監(jiān)測困難的現(xiàn)狀，提供一種新型的低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)化的城市給水管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)，以適應(yīng)管網(wǎng)大規(guī)模監(jiān)測的需求。
[0006]本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下:
[0007]一種城市給水管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)中心以及若干無線監(jiān)測裝置，其中，所述若干無線監(jiān)測裝置對應(yīng)設(shè)置于所述給水管網(wǎng)的若干消火栓上，無線監(jiān)測裝置的傳感器與其所在消火栓內(nèi)的水體耦合以監(jiān)測消火栓內(nèi)水體的相應(yīng)參數(shù)，所述若干無線監(jiān)測裝置中至少一個(gè)無線監(jiān)測裝置為遠(yuǎn)距離無線監(jiān)測裝置，其余無線監(jiān)測裝置為短距離無線監(jiān)測裝置，相鄰的兩個(gè)無線監(jiān)測裝置通信連接，監(jiān)測數(shù)據(jù)以多跳、接力傳遞的方式無線傳送給所述遠(yuǎn)距離無線監(jiān)測裝置，進(jìn)而通過所述遠(yuǎn)距離無線監(jiān)測裝置遠(yuǎn)傳至所述數(shù)據(jù)中心。
[0008]在上述的城市給水管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述若干無線監(jiān)測裝置中包括兩個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)距離無線監(jiān)測裝置，每兩個(gè)遠(yuǎn)距離無線監(jiān)測裝置之間設(shè)置多個(gè)所述短距離無線監(jiān)測裝置；監(jiān)測數(shù)據(jù)的接力傳遞方式為等數(shù)據(jù)量雙向交替的數(shù)據(jù)傳遞形式，包括:當(dāng)已傳遞的數(shù)據(jù)量達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，接力傳遞的方向反轉(zhuǎn)，如此重復(fù)，使監(jiān)測數(shù)據(jù)接力傳遞方向雙向交替變換。
[0009]在上述的城市給水管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述預(yù)設(shè)值與監(jiān)測頻率、功耗、接力節(jié)點(diǎn)數(shù)相關(guān)。
[0010]在上述的城市給水管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述接力傳遞的方式包括當(dāng)傳遞上游監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)時(shí)，加入自身采集的數(shù)據(jù)一并上傳。
[0011]在上述的城市給水管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述傳感器為水壓傳感器、水質(zhì)傳感器、聲波傳感器和加速度傳感器中的至少一種。
[0012]在上述的城市給水管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述消火栓設(shè)置傳感器接口，所述無線監(jiān)測裝置的傳感器安裝于所述傳感器接口。
[0013]在上述的城市給水管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述短距離無線監(jiān)測裝置包括傳感器、第一數(shù)傳模塊和第一電源，所述第一數(shù)傳模塊具有數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、及短距離無線通信的功能；所述遠(yuǎn)距離無線監(jiān)測裝置包括傳感器、第二數(shù)傳模塊和第二電源，所述第二數(shù)傳模塊具有數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、短距離無線通信、及遠(yuǎn)距離無線通信的功能。
[0014]在上述的城市給水管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述短距離無線監(jiān)測裝置由電池供電。
[0015]在上述的城市給水管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)中，優(yōu)選地，在傳送過程中，所述監(jiān)測數(shù)據(jù)的格式為以測點(diǎn)編號、采集時(shí)間、數(shù)值為行向量的矩陣。
[0016]在上述的城市給水管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述若干無線監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)采集時(shí)間一致，數(shù)據(jù)采集頻率是固定的或變化的。
[0017]本發(fā)明具有以下有益技術(shù)效果:
[0018]該監(jiān)測系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化的架構(gòu)，適合城市給水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)較多、覆蓋范圍廣的監(jiān)測需求。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)之間通過低功耗、近距離的無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)多跳、接力傳遞，擺脫了以往在每個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)都需設(shè)置遠(yuǎn)傳模塊這種高能耗、高硬件成本的方式，使得監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件成本大大降低，并且僅用電池即可為節(jié)點(diǎn)長期供電，為安裝布設(shè)提供了便利。
[0019]通過采用消火栓監(jiān)測的方式，將監(jiān)測系統(tǒng)引到了地面以上，便于安裝運(yùn)行、維護(hù)及調(diào)試。
[0020]此外，當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)采用“等數(shù)據(jù)量雙向交替”的數(shù)據(jù)傳遞形式時(shí)，使得各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的短距離無線監(jiān)測裝置(路由消火栓)的電耗相等，消除了電耗不均勻這項(xiàng)“瓶頸”因素，延長了網(wǎng)絡(luò)的生存期，可同時(shí)更換電池，方便了維護(hù)管理。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明城市給水管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)的一些實(shí)施例的原理框圖；
[0022]圖2為本發(fā)明城市給水管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明城市給水管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)的另一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。這些更詳細(xì)的描述旨在幫助理解本發(fā)明，而不應(yīng)被用于限制本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，可以不需要一些或者所有這些特定細(xì)節(jié)即可實(shí)施本發(fā)明。而在其它情況下，為了避免將發(fā)明創(chuàng)造淡化，未詳細(xì)描述眾所周知的內(nèi)容。
[0025]如圖1所示，一些實(shí)施例的城市給水管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)包括:數(shù)據(jù)中心1，若干無線監(jiān)測裝置21、22、......、2n-l、2n。圖1中3為城市給水管網(wǎng)，31、32、......、3n_l、3n為城市給水管網(wǎng)的若干消火栓。所述若干無線監(jiān)測裝置21、22、……、2n-l、2n對應(yīng)設(shè)置于所述給水管網(wǎng)3的若干消火栓31、32、……、3n-l、3n上，無線監(jiān)測裝置的傳感器與其所在消火栓內(nèi)的水體耦合以監(jiān)測消火栓內(nèi)水體的相應(yīng)參數(shù)，具體的，以無線監(jiān)測裝置21為例，其傳感器211與其所在消火栓31內(nèi)的水體耦合以監(jiān)測消火栓31內(nèi)水體的相應(yīng)參數(shù)。所述若干無線監(jiān)測裝置21、22、……、2n-l、2n中兩個(gè)無線監(jiān)測裝置21、2n為遠(yuǎn)距離無線監(jiān)測裝置，其余無線監(jiān)測裝置為短距離無線監(jiān)測裝置，相鄰的兩個(gè)無線監(jiān)測裝置通信連接，監(jiān)測數(shù)據(jù)以多跳、接力傳遞的方式無線傳送給所述遠(yuǎn)距離無線監(jiān)測裝置21或2n，進(jìn)而通過所述遠(yuǎn)距離無線監(jiān)測裝置21或2n遠(yuǎn)傳至所述數(shù)據(jù)中心I。
[0026]由上述及附圖1可以看出，該監(jiān)測系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化的架構(gòu)，適合城市給水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)較多、覆蓋范圍廣的監(jiān)測需求。而且，由于監(jiān)測節(jié)點(diǎn)之間通過低功耗、近距離的無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)多跳、接力傳遞，擺脫了以往在每個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)都需設(shè)置遠(yuǎn)傳模塊這種高能耗、高硬件成本的方式，使得監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件成本大大降低，并且僅用電池即可為節(jié)點(diǎn)長期供電，為安裝布設(shè)提供了便利。同時(shí)，通過采用消火栓監(jiān)測的方式，將監(jiān)測系統(tǒng)引到了地面以上，便于安裝運(yùn)行、維護(hù)及調(diào)試。
[0027]在圖1中，示出了若干無線監(jiān)測裝置21、22、......、2n_l、2n中有兩個(gè)為遠(yuǎn)距離無線監(jiān)測裝置，其余的為短距離無線監(jiān)測裝置，所述其余的短距離無線監(jiān)測裝置設(shè)置于兩個(gè)遠(yuǎn)距離無線監(jiān)測裝置之間的實(shí)施例。需要指出，本發(fā)明并不限于此方式，所述若干無線監(jiān)測裝置中也可以包括多個(gè)遠(yuǎn)距離無線監(jiān)測裝置(例如在圖3中示出了四個(gè)遠(yuǎn)距離無線監(jiān)測裝置)，且每兩個(gè)遠(yuǎn)距離無線監(jiān)測裝置之間設(shè)置多個(gè)所述短距離無線監(jiān)測裝置；此外，所述若干無線監(jiān)測裝置中還可以包括一個(gè)遠(yuǎn)距離無線監(jiān)測裝置(此方式下，不能采用雙向交替的數(shù)據(jù)傳遞形式)。
[0028]為了達(dá)到不同監(jiān)測節(jié)點(diǎn)電耗均勻，延長網(wǎng)絡(luò)的生存期的目的，監(jiān)測數(shù)據(jù)的接力傳遞方式為等數(shù)據(jù)量雙向交替的數(shù)據(jù)傳遞形式，包括:當(dāng)已傳遞的數(shù)據(jù)量達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，接力傳遞的方向反轉(zhuǎn)，如此重復(fù)，可使監(jiān)測數(shù)據(jù)接力傳遞方向雙向交替變換，從而使每個(gè)短距離無線監(jiān)測裝置傳遞的數(shù)據(jù)量相等，從而使得電耗相等。所述預(yù)設(shè)值優(yōu)選根據(jù)監(jiān)測頻率、功耗、接力節(jié)點(diǎn)數(shù)等確定。在圖1中用空心箭頭表示了一個(gè)接力傳遞方向，用實(shí)心箭頭表示了另一個(gè)接力傳遞方向。
[0029]在上述實(shí)施例中，所述接力傳遞的方式包括當(dāng)傳遞上游監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)時(shí)，加入自身采集的數(shù)據(jù)一并上傳，因此沿傳輸方向越往后數(shù)據(jù)量越大。圖1中用箭頭的寬度示意性表示了數(shù)據(jù)量的大小。
[0030]無線監(jiān)測裝置的傳感器一般采用水壓傳感器。但并不限于此，也可根據(jù)實(shí)際監(jiān)測需要采用水質(zhì)(如余氯)傳感器、聲波傳感