基于ZigBee的潜体式给水管网故障监测系统设想

文/梁婷 王瑛琳 强皓凡 袁星宇

基于ZigBee的潜体式给水管网故障监测系统设想

文/梁婷 王瑛琳 强皓凡 袁星宇

本设想是拟设计出一种小型的潜体式顺水移动定期检查装置，采用ZigBee信号传感技术，通过监测该水管段流速的变化并与实际应有流速作比较来反映水管的状况；安装有最新型ZigBee系统长度覆盖可达1000米，覆盖面积近方圆一公里，实现“准确及时显示，节约人力物力”。且基于以上理念设计的模型，其数据通过编程能够实现在移动终端（PC）上的反映与控制。

ZigBee 给水管网 监测 定位

1 研究背景

1.1 研究的目的及意义

城市给水管网系统是城市生活的命脉，管网系统正常运行十分重要。但在日常生活中给水管爆裂事件时有发生，由于不能精确定位与监督的不利，造成抢修时间较长，以至影响了居民的正常日常生活。现有的关于监测给水管网爆裂的系统大致分为两种：一为派人工做定期检查，但城市给水管分布常常错综复杂且达方圆几百公里，这样检查既费时费力又费财；第二种方法为定距监测，指在一定距离内的水管上安装监测装置监视这一段水管的状况，但同样需要大量的该装置覆盖整个管网系统，且现如今两个装置间间隔可达数公里，造成装置不能精确反映爆裂位置。靠工人寻找费时，且水资源浪费严重。我们的研究方向是设计一款装置使其能精确的反映出水管爆裂的位置，且能将检测的整个过程，通过ZigBee传感装置精确的直观的以图表的形式反映在终端上，做到实时监控，精确抢修，使损失与影响减到最小。

1.2 研究的目的及意义

目前，由于ZigBee技术较蓝牙、WiFi技术的优越性，其距离长、耗能小的优势已经被越来越多的用于定位系统中，如井下无线定位系统（用于清楚的反映每一位矿工的位置）、井下管道泄漏监测系统、建筑排水系统立管压力的监测等等。

在众多无线通信技术的应用中，由于系统复杂、运营费用高、功耗高、单位成本大或电池寿命短等原因，很难在低数据率且监控网点多的工矿业应用中推广，而ZigBee技术以其独特的价值将拥有广阔的发展前景。

2 设计原理

2.1 设计思路

一种基于ZigBee的潜体式给水管网故障监测系统的基本思路是：本装置是一种微型的潜体式顺水移动定期检查装置，通过监测该水管段流速的变化与实际应有流速作比较来反映水管的状况；安装有最新型ZigBee系统长度覆盖可达1000米，覆盖面积近方圆一公里。

2.2 结构设计

本模型外观为微小的圆球型随水流一同运动，核心部件为ZigBee盲节点。

2.2.1 模型整体的潜体式设计

地下给水管为有压管道，为了避免由于模型沉底或浮面而在前进的过程中与管壁接触而产生磨损，模型的整体设计采用潜体式，使模型能和水流一同运动且不会因磨损损坏。

2.2.2 ZigBee系统

ZigBee无线定位系统由ZigBee节点组网，节点内置ZigBee协议栈，分为参考节点和盲节点。参考节点是将坐标设置成已知的一类静态节点，盲节点是一类可移动的节点，在参考节点围成的网络范围内移动。盲节点向参考节点发送请求信号，参考节点将自身坐标和在这个距离上测得的RSSI的值发送给盲节点，盲节点在接收到定位区域内所有参考节点的RSSI值和位置信息后，经过定位算法来计算其坐标位置，测得的位置信息不停的刷新，可视化地显示在上位机监控软件上。其优点主要有：

（1）功耗低。采用了多个低功耗技术。其节点电池工作时间可以达1年。

（2）网络时延短。通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。与之相比，蓝牙需要3s～10s而Wi-Fi需要3s。

（3）数据传输可靠。ZigBee主要应用于工业传感器网络系统。且在对井下工人的定位中已经有了应用，其MAC层采用了完全确认的数据传输模式，若传输过程中出现问题可以重新发送。

（4）网络容量大。网络可以容纳254个盲节点设备和1个已知节点设备，组网方式灵活。

（5）成本低。ZigBee协议免专利费用，且已经在市场上批量生产。

我们的装置采用最新型ZigBee系统中的Wbee系统，在增加发射功率后信号传递已经可以达到数公里，且使用ZigBee的信号传感系统是目前最为省电节能的信号传递系统，这样，区别于固定式监测系统，由于信号为方圆覆盖模式，所以可以大大减少信号塔的数量。

图1：测流速原理示意图

3 管网监测原理

城市的给水管由电脑三维模型作出为交错的管网系统，其中的每一条管道都有明确的管径与长度，在给水时给定流量，那么每一段管道都应该具有一定且不变的流速。当管道发生破裂时，该处的流速将发生骤变。我们的装置正是通过监测水流流速的变化来判别管道是否发生破坏。

在ZigBee传输信号的路程上，它将每隔△t时间传送信号到终端上，通过设备在这一段△t内走过的距离，我们可以得出这一段水管的实际速度是多少，把根据设备得到的数据与已知定管数据对比，就可以推算出该管段是否发生爆裂。

4 结语

该给水管网故障监测系统，利用潜体的物理特征，在ZigBee的基础上进行创新设计，可应用于城市给水系统的故障诊断排查，减少给水管网管道爆裂事故的发生，有效保障城市用水的安全稳定。同时，该系统有效地克服了以前给水管网缺乏有效的故障诊断方法、突发事故时难以及时找出故障的具体位置、信号采集困难、管理水平低等缺陷，并且可以在我国乃至全世界的大中型城市进行推广。

[1]王静,张会清.基于ZigBee的无线网络定位技术的研究与实现[J].传感器与微系统,2010,29(02)：13-25.

[2]王立波,陈慈发.CC2431的室内定位系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2008(09)：58-63.

[3]孙花,李响.基于ZigBee无线通信的井下人员定位系统[J].煤矿机械,2013-9-34(09)：269-271.

作者单位 四川大学水利水电学院 四川省成都市610065