低功耗物联化智能液位监测系统研究

李 钟，黄军辉

（1.广州市威控机器人有限公司，广东 广州 510000；2.广东农工商职业技术学院，广东 广州 510000）

1 我国城市内涝与排水管网监测系统现状

据不完全统计，近3年来我国平均每年有180座城市发生严重内涝。国家和政府多次批示，要求研究和解决城市内涝问题。住建部制定印发了《城市排水防涝设施普查数据采集与管理技术导则》，指导各地在全面普查摸清现状的基础上，科学编制城市排水防涝专项规划，建立数字化管控平台，明确规划目标和任务，落实各项保障措施。因此，监测与检测城市水资源成为需要重点解决的问题。城市排水防涝设施普查数据采集与管理技术导则中，对监测和检测提出了要求。一方面监测易涝点、排放口、典型下垫面出口、主干管检查井、泵站上游节点以及调蓄设施上游节点等关键节点在旱季和雨季的流量和水质，另一方面对有条件的地区实施在线监测，建立动态数据更新机制。本文通过研究应用于城市井下水位监测的低功耗物联化智能液位监测系统，以期为城市的水务系统特别是排水管网部分提供有效的监测和预警手段。

2 新一代智能液位监测系统建设要求

液位监测数据无论是在科学研究、工业现场还是生产生活都应用广泛，所以对液位的监控和对工作环境的安全判定等具有重要意义[1]。随着液位监测技术的推广，新一代智能液位监测系统建设提出了更高的要求。

监测系统最基本的要求是测量和控制必须准确，考虑如何在噪音大、振动强、干扰多、较偏远以及较落后等相对恶劣的环境中进行既实时可靠又稳定的数据通信。现场安装的工程量大，各监测单元位置呈分布式，远距离通信需有线连接，因此要采取合理措施降低安装难度和物料成本。此外，液位监测系统需要具有易扩展性，保证系统的通信协议在硬件和软件下能得到较好、较简易的支持。

液位监测系统会有多个监测节点，每个监测节点有多个监测周期和多组监测数据，要求能快速、大量并简易地存储数据，方便读取和显示[2]。自动化系统始终服务于人，以人为本。传统的下位机界面采用LED数码管或LCD液晶显示屏作为输出模块，采用独立按键或矩阵键盘作为输入模块。另外，可持续发展是当今时代的主题，监测系统长期运行消耗极大，需要开发低功耗技术，有效降低能源功耗和经济支出，实现持续发展。

3 低功耗物联化智能液位监测系统结构及服务流程

需积极研究排水管网的低功耗监测技术和物联化等关键技术。低功耗物联化智能液位监测系统主要包括液位监测主机、数据转接中继器以及监测服务中心3个部分，涉及到传感器技术、物联网技术、云计算技术以及移动互联网技术[3]，系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

液位监测主机通过压力传感器或超声波传感器采集液位数据，按策略将采集的数据同步上传给数据转接中继器，数据转接中继器再将传感器采集的液位数据传到监测服务中心。中继器的设计可解决因液位监测主机安装处通信信号不好导致无法上传数据的问题[4]。监测服务中心将接收的数据进行在线反馈，使使用者能及时进行在线监测管理和处理防涝预警等，对市政规划、雨污水处理、智能信息化管理以及在线预警系统的推广具有极大的促进作用。

液位监测的服务流程。首先，调查现场安装情况，汇总水流水力情况以及管道和井的检查结果，保证符合安装条件。其次，现场满足安装条件后，需结合监测要求在管道内安装传感器，分别装配主机和传感器固定支架，将传感器安装在固定支架上，在检查井内安装固定支架，并沿管道和检查井壁固定传感器线缆。最后，将传感器连接至主机，激活并安装中继器。

完成整个安装后，需要在监测服务中心配置相关设备参数，与监测平台建立通信。尤其是要合理设置监测点位信息并配置设备安装参数，设置通信参数，创建安装信息表格。完成设置后进行初步的运行诊断并执行确认，诊断合格后，将监测主机在检查井内安装固定好。

4 低功耗物联化智能液位监测系统的低功耗策略与功能实现

为满足液位监测数据的稳定性和可靠性，并降低设备功耗减轻运维工作量，该系统进行低功耗策略的考究和具体的功能设计与实现[5]。

4.1 系统的低功耗策略

主机和中继器的主控制器都选用低功耗微控制器（MCU），其他电子元件选用低功耗器件，提升设备续航时间。主机设有睡眠模式和工作模式。睡眠模式时，MCU处在低功耗状态（只进行时钟计数）。激活后，主机进入工作模式，此时才进行每分钟的液位数据采集、电量数据采集以及数据上传工作。主机液位每分钟内只有3 s可开启传感器进行数据采集工作，其他时间传感器电路不工作，不产生功耗，MCU处于低功耗状态。

主机和中继器采集电量数据时，当50%＜电量≤100%时，电路数据采集时间间隔为30 min；当20%＜电量≤50%时，电路数据采集时间间隔为15 min；当5%＜电量≤20%时，电路数据采集时间间隔为5 min；当0%＜电量≤5%时，电路数据采集时间间隔为1 min。主机采集到的液位数据在每分钟只有1.5 s开启无线模块进行数据发送，其他时间无线模块不工作，不产生功耗，MCU处于低功耗状态。中继器接收数据，当液位低于预警值时，每15 min发送一次数据。晚上7:00至早晨7:00，中继器进入休眠状态，接收数据但不发送数据；当液位高于预警值时，每5 min发送一次数据；当液位高于报警值时，每1 min发送一次数据。

4.2 功能设计与实现

主机设置有自检功能、设置功能、数据采集与保存功能、数据上传功能以及指示灯显示功能[6]，功能图如图2所示。

其中，自检功能包含检测电源电压是否正常的电池电压自检功能、检测传感器电压是否正常的传感器电压自检功能以及检测传感器是否连接上的传感器连接自检功能。设置功能包含复位设置、网络校时功能以及传感器间距设置功能。

数据的采集与保存功能中，液位数据和电量数据在每分钟内有3个阶段，每阶段连续采集2次数据，最后取6次的平均值作为最终数据。动态保存300天的液位数据，静态保存校准数据和参数。数据上传功能在激活阶段，上传设备信息给中继器，在网络OK的情况下，每隔5 min上传液位数据给中继器，断网恢复网络后，分批发送液位数据给中继器，每30 min内电量变化超2%时上传电量数据。指示灯显示功能主要包括自检状态显示、复位状态显示、主机电量发送接收显示、网络校时状态显示、传感器间距设置状态显示、心跳显示、数据发送显示以及中继器应答正确显示等。中继器功能图如图3所示。

图2 主机功能图

图3 中继器功能点图

其中，自检功能包含检测电源电压是否正常的电池电压自检功能和检测大阳能面板充电是否正常的充电自检功能；设置功能包含复位设置、网络校时功能以及传感器间距设置功能。电量数据每分钟分3个阶段，每阶段连续采集2次数据,最后取6次的平均值作为最终数据。静态保存校准数据和参数。激活阶段上传设备信息给中继器监测服务中心，在网络OK情况下，每隔15 min上传液位数据给监测服务中心，断网恢复网络后，分批发送液位数据给监测服务中心，每30 min内电量变化超5%时上传电量数据。指示灯的显示功能主要包括电源指示灯、上电初始化指示灯、自检指示灯以及数据交互指示灯等。

5 结 论

新一代低功耗物联化智能液位监测系统，可对城市易涝点、排放口以及检查井等实施在线液位监测并更新动态数据。随着监测系统中使用的WEB服务和微信等移动互联网技术的逐渐完善，将进一步提高数据的实时性和有效性。