CN207528273U - 基于ZigBee与WiFi的供水管道远程监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及供水管道远程监测领域，具体涉及基于ZigBee与WiFi的供水管道远程监测系统，其特征在于，所述远程监测系统包括供水管道监测网络、云服务器端和可调用云服务器端数据的所述数据处理中心；所述供水管道监测网络包括多个供水管道监测终端节点、一个协调器节点、至少一个路由器节点和网关单元，每个所述路由器节点与多个所述供水管道监测终端节点相连，所述协调器节点与所述网关单元相连；所述供水管道监测终端节点与所述路由器节点通过协调器节点与所述网关单元相连；所述云服务器端与所述网关单元通过无线传输数据。

Description

基于ZigBee与WiFi的供水管道远程监测系统

技术领域

本实用新型涉及供水管道监测领域，具体为基于ZigBee与WiFi的供水管道远程监测系统。

背景技术

随着世界人口和经济的迅猛发展，水资源已成为社会经济发展的主要制约因素。由于全球性环境污染的加剧，水资源的紧张局势还在不断恶化。水源地与城市以及城市供水与用水单位之间的自来水管道由于老化腐蚀和人为破坏等原因造成的泄漏，又会形成巨大的水资源浪费。供水管网漏水是我国供水行业普遍存在的问题。据资料显示我国城市供水管网漏损率在10％‐30％之间，平均达到15％，远远高于12％的国家考核标准，而发达国家由于经济实力、重视程度和技术水平等方面的优势，管网漏损率远远低于我们国家，如美国的漏损率为8％。

传统的供水管道检测方法侧重于硬件方法，主要是通过外部观察或将检测设备放入管道内再拉出的方法检测泄漏，这些方法都需要花费人工操作和大量的时间，其基本理论虽没问题，但在如今科技日益发展的时代，技术已大大落后。在国内，管道实时监控系统的研究方兴未艾。理论研究比较成熟，毛汉领等人提出了管道泄漏定位的两种方法，分别是互相关分析法和人工神经网络法，相关分析法是在管道上部署两个以上的声波传感器，将不同传感器侦测到信号作互相关，求得不同信号到达泄漏点的时间差，再由传感器之间的距离和在管道中声音传播的速度，即可求得泄漏点位置，这种算法简单易于实现。人工神经网络监测方法使用BP神经网络，只使用一个传感器就可以实现泄漏的检测、定位，但算法复杂，不利于使用无线传感器网络实现。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供基于ZigBee与WiFi的供水管道远程监测系统，将无线传感器技术、WiFi技术等技术应用于供水管道监测，通过上位机，可以达到远程监测供水管道信号的目的。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

基于ZigBee与WiFi的供水管道远程监测系统，所述远程监测系统包括供水管道监测网络、云服务器端和可调用云服务器端数据的所述数据处理中心；

所述供水管道监测网络包括多个供水管道监测终端节点、一个协调器节点、至少一个路由器节点和网关单元，每个所述路由器节点与多个所述供水管道监测终端节点相连，所述协调器节点与所述网关单元相连；所述供水管道监测终端节点与所述路由器节点通过协调器节点与所述网关单元相连；

所述云服务器端与所述网关单元通过无线传输数据；

所述协调器节点为ZigBee协调器。

进一步地，所述供水管道监测终端节点和所述路由器节点均包括水压传感器、声音传感器、压力信号采集单元、声音信号采集单元、控制和数据处理单元、时间同步单元、ZigBee通信单元；

供水管道的两端各设置至少一个所述水压传感器，供水管道上至少设置两个所述声音传感器；

所述压力信号采集单元分别和所述水压传感器和所述控制和数据处理单元相连；

所述声音信号采集单元分别和所述声音传感器和所述控制和数据处理单元相连；

所述控制和数据处理单元分别与所述ZigBee通信单元和所述时间同步单元相连。

进一步地，所述网关单元包括微处理器单元和WiFi模块；所述ZigBee协调器和所述WiFi模块通过所述微处理器单元连接；

所述ZigBee协调器与所述路由器节点相连。

进一步地，所述微处理器单元连接有显示屏。

进一步地，所述微处理器单元为STM32控制器。

进一步地，所述控制和数据处理单元同时连接有GPS天线。

进一步地，所述控制和数据处理单元同时连接有JTAG接口和/或USB接口。

进一步地，所述数据处理中心为电脑或服务器。

进一步地，所述供水管道监测网络的结构为星型、树型或网型

本实用新型的有益技术效果：本实用新型是基于ZigBee与WiFi云端的供水管道远程监测系统，既可以解决人工监护所带来的诸多不便，同时在使用方面又有着低功耗，易于安装和配置，维护费用低，造价小容量大等众多优点，将为使用者提供极大的方便，并能很大程度地节省资源，降低成本，提高效率。具体优点如下：

(1)低功耗：本系统基于ZigBee与WiFi的供水管道监测系统数据采集部分主要应用ZigBee技术，而ZigBee在低功耗状态下，两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。

(2)易布置，节省空间资源：本系统主要通过无线的方式传输数据，省去了传统保护系统中需要布线的麻烦，而且系统中每个ZigBee节点易于安装和配置，极大地方便了用户。

(3)互联网通信：本系统主要应用了ZigBee、Wi-Fi两种不同的无线通信方式，实现了异构网络的通信，并且传感器采集的数据还通过Wi-Fi模块传输到了云服务器平台，实现了任何地方均可以通过上位机远程监测的功能，方便了相关人员对供水管道的管理。

(4)上位机界面：本系统采用C#语言编写的上位机界面，通过连接到云服务器可以实时远程监测采集到的数据，并且可以将数据保存到数据库中，方便用户调用matlab算法对采集数据进行进一步的处理，从而对泄漏点进行定位。

附图说明

图1、供水管道远程监测系统结构示意图；

图2、管道监测节点结构示意图；

图3、网关单元示意图；

图4、网络结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

相反，本实用新型涵盖任何由权利要求定义的在本实用新型的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本实用新型有更好的了解，在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。

实施例1

本实施例提供一种基于ZigBee与WiFi的供水管道远程监测系统。

整个供水管道远程监测系统的结构图如图1所示。整个供水管道监测系统大致分为三个部分：

第一部分就是由供水管道监测节点组成的监测网络。在这个网络中，包括监测终端节点、路由器节点和ZigBee协调器节点。路由器节点和监测终端节点(图中简称终端节点)都是由本文中的供水管道监测节点构成。如图2所示，监测终端节点将主要由供电单元、水压传感器、声音传感器、压力信号采集单元、控制和数据处理单元、时间同步单元、ZigBee通信单元与GPS天线组成。监测终端节点具备的功能包括:对管道泄漏声音、压力信号的采集以及模数转换，泄漏声音信号的波形数据的存储，与其它节点的通讯。同时，如图3所示，ZigBee协调器节点与STM32控制器、wifi模块组成网关单元。ZigBee协调器除了跟终端一样搭载Z-Stack协议栈+OSAL操作系统外，还要将监测终端节点传过来的IEEE 802.15.4物理层帧进行拆解，从中提取监测终端节点采集的信息，然后将信息通过串口传输到STM32，STM32可以通过WiFi模块将数据上传到云服务器中。

第二部分是云服务器端，系统通过WiFi模块将数据传输到云服务器平台，为C#开发的上位机显示数据和处理数据做准备。

最后一部分为数据处理中心，它的主要功能为数据处理、显示、存储和控制。数据处理中心的硬件比较简单，一台电脑或服务器就能胜任，但它的软件比较复杂，要求能够显示采集的数据及波形、存储采集的数据，调用采集的数据，对数据进行进一步的分析和处理，发出情况异常告警，控制采集节点的数据采集速率等。

终端节点、路由器节点和协调器节点的网络层支持星型、树型和网型结构，如图4所示。

其中，监测系统的原理为：

供水管道内部水的运行，需要自来水厂在管道内加上很大的压力。一般供水管道主管道内部压力为0.5至2MPa，末端压力为0.3至0.5MPa，而管道外部的气压一般为标准大气压0.1MPa，比管道内压力低得多，当供水输送管道有裂缝或断裂发生泄漏时，由于管道内外存在很大的压力差，管内输送的水在压力的作用下迅速流失，管道内的液体从泄漏点流出，泄漏点处液体的压力相较于上下游的液体压力就低了很多，由于液体的连续性，管道内液体的速度不会下降，在压力的作用下，泄漏点上下游的液体就会自动向泄漏点处补充，又造成泄漏点上下游临近处液体压力的下降，以此类推，压力下降点就同时向泄漏点上下游两端扩散，就像波的传播一样。当发生大的泄漏时，同样，上游的液体要向泄漏点补充，下游的液体由于泄漏液体减少一样会下降，这种现象就叫负压波。

虽然随着传播的距离会有一定的衰减，但由泄漏产生的负压波仍能沿着管道传播很远，最远甚至达到几十公里。经过试验得到的结果，在供水管道中负压力波的传播速度一般会达到1000至2000m/s之间，这种负压波我们可以用动态压力传感器捕捉，在一段管道的两端各设置一个压力传感器，检测负压波的产生，将采集的压力数据与预先设定的压力阈值进行比较，当数据在阈值范围外时，判定发生泄漏。在管道上部署两个以上的声波传感器，在判定发生泄漏后声音传感器则开始采集数据，将不同声音传感器采集到信号作互相关，求得不同信号到达泄漏点的时间差，再由声音传感器之间的距离和在管道中声音传播的速度，即可求得泄漏点位置。

由于采用定位泄漏的方法中需要用到泄漏点到两端节点间的时间差，这就要求两个节点的时间必须是同步的，否则会由于时间的误差导致泄漏点定位的不准确，所以每个节点需要一个时间同步模块。

Claims (9)

1.基于ZigBee与WiFi的供水管道远程监测系统，其特征在于，所述远程监测系统包括供水管道监测网络、云服务器端和可调用云服务器端数据的所述数据处理中心；

所述供水管道监测网络包括多个供水管道监测终端节点、一个协调器节点、至少一个路由器节点和网关单元，每个所述路由器节点与多个所述供水管道监测终端节点相连，所述协调器节点与所述网关单元相连；所述供水管道监测终端节点通过所述路由器节点或直接与所述协调器节点相连；

所述云服务器端与所述网关单元通过无线传输数据；

所述协调器节点为ZigBee协调器。

2.如权利要求1所述远程监测系统，其特征在于，所述供水管道监测终端节点和所述路由器节点均包括水压传感器、声音传感器、压力信号采集单元、声音信号采集单元、控制和数据处理单元、时间同步单元、ZigBee通信单元；

供水管道的两端各设置至少一个所述水压传感器，供水管道上至少设置两个所述声音传感器；

所述压力信号采集单元分别和所述水压传感器和所述控制和数据处理单元相连；

所述声音信号采集单元分别和所述声音传感器和所述控制和数据处理单元相连；

所述控制和数据处理单元分别与所述ZigBee通信单元和所述时间同步单元相连。

3.如权利要求1所述远程监测系统，其特征在于，所述网关单元包括微处理器单元和WiFi模块；所述协调器节点和所述WiFi模块通过所述微处理器单元连接。

4.如权利要求3所述远程监测系统，其特征在于，所述微处理器单元连接有显示屏。

5.如权利要求3所述远程监测系统，其特征在于，所述微处理器单元为STM32控制器。

6.如权利要求2所述远程监测系统，其特征在于，所述控制和数据处理单元同时连接有GPS天线。

7.如权利要求2所述远程监测系统，其特征在于，所述控制和数据处理单元同时连接有JTAG接口和/或USB接口。

8.如权利要求1‐7任一所述远程监测系统，其特征在于，所述数据处理中心为电脑或服务器。

9.如权利要求1‐7任一所述远程监测系统，其特征在于，所述供水管道监测网络的结构为星型、树型或网型。