分體式管網(wǎng)壓力監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)用案例

一、前言

管網(wǎng)壓力是自來水公司保障供水和預(yù)防爆管事故的重要數(shù)據(jù)。各自來水公司已充分認(rèn)識到管網(wǎng)壓力監(jiān)測的重要意義，并采取了多樣的信息化手段來加以實(shí)現(xiàn)。目前，自來水公司普遍采用GPRS無線設(shè)備對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，監(jiān)測設(shè)備的安裝方式通常為以下兩種：

【方式一】監(jiān)測井內(nèi)安裝壓力變送器，監(jiān)測井附近立桿安裝GPRS設(shè)備、太陽能或市電供電裝置。壓力變送器的信號線引到地面上的GPRS設(shè)備中以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，設(shè)備的工作電源由太陽能或市電供電裝置提供。

此種方式可實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，但需要破路、挖溝和鋪設(shè)線纜，施工難度大、建設(shè)成本高。尤其當(dāng)監(jiān)測井在馬路上時(shí)，該方式難以實(shí)現(xiàn)。

【方式二】在監(jiān)測井內(nèi)安裝GPRS設(shè)備、壓力變送器和蓄電池，GPRS設(shè)備采集壓力變送器的輸出信號后直接遠(yuǎn)傳給監(jiān)控中心，設(shè)備的工作電源由蓄電池提供。

此種方式為延長蓄電池的更換周期，只能采取定時(shí)采集、定時(shí)上報(bào)的工作模式，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。該監(jiān)測方式存在以下幾個(gè)問題：

1、部分監(jiān)測井內(nèi)GPRS信號弱或沒有信號，壓力數(shù)據(jù)不能按時(shí)上報(bào)或根本無法上報(bào)。

2、需頻繁為蓄電池充電，維護(hù)成本高，且耗時(shí)費(fèi)力。

3、監(jiān)測井內(nèi)環(huán)境潮濕、易被水淹，影響設(shè)備的穩(wěn)定性。

基于上述難題，我們將低功耗技術(shù)、433MHz和GPRS無線通信技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了分體式供水管網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備。該設(shè)備由無線壓力變送器和433M/GPRS雙模無線網(wǎng)關(guān)兩部分構(gòu)成。

二、產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1、工作方式

監(jiān)測井內(nèi)安裝無線壓力變送器（由低功耗壓力變送器 和 433M數(shù)據(jù)采集通信終端兩部分組成），監(jiān)測井附近的樓頂、路燈桿或?qū)Ｓ冒惭b桿上安裝433M/GPRS雙模無線網(wǎng)關(guān)和太陽能供電設(shè)備，供水管網(wǎng)監(jiān)測中心安裝服務(wù)器和管網(wǎng)壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)軟件，如下圖所示。

無線壓力變送器采集供水管網(wǎng)的壓力數(shù)據(jù)后通過433MHz向表井外發(fā)送，表井外的433M/GPRS雙模無線網(wǎng)關(guān)接收到壓力數(shù)據(jù)后再轉(zhuǎn)由GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳給監(jiān)控中心。井內(nèi)、井外設(shè)備穿透金屬井蓋的有效通信距離可達(dá)150米，使得433M/GPRS雙模無線網(wǎng)關(guān)的安裝位置十分靈活，大大降低了施工難度。

2、關(guān)鍵技術(shù)

2.1、 433MHz和GPRS接力傳輸，解決信號難題。

433MHz通信技術(shù)使用的是433MHz免費(fèi)頻段，無需申請和付費(fèi)，其顯著優(yōu)勢是無線信號的穿透能力和繞射能力強(qiáng)，特別是在地下監(jiān)測井內(nèi)，優(yōu)勢更加明顯。但因433MHz屬于超短波，其傳輸距離受限，而自來水公司的管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)分布在幾十甚至幾百公里的范圍內(nèi)，所以采用433MHz和GPRS接力傳輸?shù)姆绞郊冉鉀Q了表井內(nèi)GPRS信號弱的難題又滿足了遠(yuǎn)程監(jiān)測的需要。

2.2、電池供電低功耗設(shè)計(jì)，解決井內(nèi)電源問題。

針對井內(nèi)設(shè)備的供電問題， 無線壓力變送器中的433M數(shù)據(jù)采集通信終端特別選用了低功耗的電源、CPU和通信芯片，將工作功耗降到了最低，并配置了20AH的高能量鋰電池組。433M數(shù)據(jù)采集通信終端不僅給自己供電，還為低功耗壓力變送器提供工作電源。

低功耗壓力變送器工作電源為DC 5V，信號輸出為DC 0.25~2.25V，工作電流僅為微安級，真正了實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行。

為進(jìn)一步降低功耗，433M數(shù)據(jù)采集通信終端在采集壓力數(shù)據(jù)時(shí)瞬間為低功耗壓力變送器供電，數(shù)據(jù)采集完畢后隨即停止供電，直至下一個(gè)抄表周期（抄表周期可任意設(shè)置）。按3分鐘一次抄表周期計(jì)算，433M數(shù)據(jù)采集通信終端的電池壽命可達(dá)2.5年。

通訊時(shí)序及功耗圖：

433M數(shù)據(jù)采集通信終端的電池壽命很容易計(jì)算。

首先，計(jì)算平均電流，公式如下：

Iaverage=［It*Tt+Ir*Tr+Is*（T-Tt-Tr）］/T （公式1）

其中，Iaverage：平均電流；

It：發(fā)射電流； Tt：發(fā)射時(shí)間；

Ir：接收電流； Tr：接收時(shí)間；

Is：休眠電流； T：抄表周期。

如上圖中所示：

It = 75mA； Tt =2s；

Ir = 10mA； Tr =1s；

Is = 0.004mA； T = 180s。

帶入公式1計(jì)算：

Iaverage = （150+10+0.708）/180 = 0.893mA

其次，計(jì)算電池使用壽命，公式如下：

Tlife=C/Iaverage （公式2）

其中，Tlife：電池使用壽命；

C：電池容量；Iaverage：平均電流。

將C=20Ah，則帶入公式2計(jì)算：

Tlife = 20000/0.893 = 22396（h）≈ 2.5（年）

2.3、采用全防水設(shè)計(jì)，解決井內(nèi)潮濕、易水淹的難題。

433M數(shù)據(jù)采集通信終端的外殼采用優(yōu)質(zhì)的透明工程塑料，具有出色的耐熱、耐寒和耐腐蝕特性；具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電絕緣性以及重量輕、強(qiáng)度高、抗壓、耐磨等優(yōu)點(diǎn)。

433M數(shù)據(jù)采集通信終端采用全方位防水設(shè)計(jì)：

◆ 殼體兩側(cè)端蓋采用螺紋壓緊方式，安裝方便。

◆ 為防止安裝時(shí)密封墊擠壓變形，采用內(nèi)壓蓋直接按壓方式進(jìn)行密封。

◆ 殼體內(nèi)置4個(gè)固定卡扣，端蓋旋轉(zhuǎn)時(shí)能夠防止內(nèi)壓蓋轉(zhuǎn)動。

◆ 密封墊采用優(yōu)質(zhì)硅膠材料，表面采用雙弧形設(shè)計(jì)，工作時(shí)能形成上、下兩個(gè)真空室，形成真空隔離。

◆ 內(nèi)壓蓋上開有直徑為16mm的出線孔（用于連接433M防水天線和低功耗壓力變送器的信號線）并配置進(jìn)口防水接線頭，確保潮氣、水無法進(jìn)入。

◆ 產(chǎn)品防水試壓實(shí)驗(yàn)達(dá)到0.8MPa，打壓72小時(shí)后產(chǎn)品沒有發(fā)生漏水、變形等情況；經(jīng)過長期的表井內(nèi)安裝檢驗(yàn)，完美達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

低功耗壓力變送器也特別采用了絕壓型的設(shè)計(jì)，無需外置導(dǎo)氣管，從根本上杜絕了濕氣、水進(jìn)入設(shè)備的可能性。

由上述兩部分組成的無線壓力變送器整體防水等級達(dá)到IP68，完全適應(yīng)了井下的安裝環(huán)境。

三、結(jié)語

分體式管網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備克服了當(dāng)前管網(wǎng)壓力監(jiān)測設(shè)備中普遍存在的施工難、信號差、功耗高、防水效果不理想等諸多難題，在反復(fù)實(shí)驗(yàn)及在河北、山東、吉林等地的現(xiàn)場應(yīng)用中取得了良好的效果。該產(chǎn)品為自來水公司的供水管網(wǎng)壓力監(jiān)測提供了一種可靠、穩(wěn)定、節(jié)能的產(chǎn)品解決方案。