基于物聯網技術的城市二次供水控制方案的優化設計

摘 要：二次供水系統的水質、水壓、水資源保護關系著每一位居民的日常生活，充分利用物聯網技術，建立二次供水遠程管理控制網絡，提高管理效率和服務水平十分重要，本文采用Zigbee網絡技術，進行二次供水控制方案的優化設計。

關鍵詞：二次供水；物聯網；智能傳感器；ZigBee

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）07-0189-03

Abstract：Water quality，water pressure and water resources protection of secondary water supply system each resident’s daily life，making full use of the internet of things technology，establishing a secondary water supply remote management and control network，and improving management efficiency and service level are very important. This article uses Zigbee network technology to optimize the design of the secondary water supply control program.

Keywords：secondary water supply；internet of things；smart sensor；ZigBee

0 引 言

高層飲用水的二次供水是將城市公共管網自來水經儲存、加壓，通過管道再傳輸到高層建筑供用戶使用，二次供水系統的水質、水壓、水資源保護至關重要。

隨著社會的發展，過去的二次供水技術己經不再滿足用戶的需求，2015年2月17日，住房和城鄉建設部等四部委聯合下發《關于加強和改進城鎮居民二次供水設施建設與管理確保水質安全》的通知，該文件中明確“要充分利用物聯網技術，建立二次供水遠程管理控制網絡，提高管理效率和服務水平。”5年內，將混亂無序的“最后一公里”供水狀態轉變為設施監管得當，安全保障有力的智慧模式。

ZigBee是一種無線通信技術，具備低成本、低功耗、低速率和自組織性強等特點。在許多小的傳感器之間相互協調實現通信，少量能量即可將傳感器節點的數據信息傳到計算機進行分析或者被另一種無線技術所收集。因此ZigBee被認為是最有可能應用在傳感器網絡、工程監測、家庭監控等領域的無線技術[1]。

本文主要研究當前城市二次供水系統的控制方案，分析其存在的弊端，提出物聯網技術與二次供水控制的優化方案，研究采用ZigBee組建渾濁度檢測、水壓檢測、流量監測等傳感器的無線網絡，通過單片機控制開停閥門及水泵，并將小區內海量供水系統信息輸送至物業管理處，物業管理處數據可以通過通信模塊將數據傳輸至遠程服務器，分析、處理、控制設備的運行狀態和參數，形成城市二次供水系統的物聯網，以實現城市二次供水信息智能化識別、定位、跟蹤、監控、計算、模擬、預測和管理。

1 現狀研究

近些年，國外水務企業已逐漸重視“信息孤島”問題的嚴重性，并且積極尋找突破口，通過數據倉庫的建立，將這些孤立的信息島連接起來，達到企業內部的信息共享，建立信息化的供水管理系統。

國內近三年 的“二次供水水質安全現狀調查”文獻有很多，知網可搜索到350篇左右，說明供水水質現狀及安全得到了廣泛關注；關于“二次供水數據采集與監控”相關研究有30篇左右；關于“二次供水的物聯網”的相關文獻卻只有7篇，說明在“互聯網+”大背景下，二次供水數據采集與監控——“二次供水的物聯網”還有非常大的技術發展空間。

其中，李義豐（2016）中提及了采用無線網絡技術對水泵壓力、進口流量、水箱水位、水泵停運等數據監控[2]；文獻2開發一套以可編程控制器（PLC）和變頻器作為主要控制設備的無塔恒壓供水系統[3]。柳棟梁（2016）體現了互聯網理念，對多種數據采集，主要實現了恒壓供水，但都忽略了二次水管網的污染因素，沒有進行水質濁度監控。陳桂龍（2017）提出基于物聯網技術智慧城市二次安全供水系統平臺主要是通過環境數據采集模塊、有線和無線網絡、水質水壓儀等在線監測設備形成城市供水系統物聯網[4]。文章有先進的控制理念，但是未對如何實現，提出具體的方案設計。

通過查閱資料顯示，在國內運用PLC和變頻器進行供水控制很多，但對于“互聯網+”時代，結合物聯網技術的二次供水控制還遠遠不夠的。

2 基于物聯網技術的二次供水控制方案設計

2.1 系統整體方案設計

系統整體控制方案如圖1所示，在每個獨立的居民樓內設獨立的控制系統，采集二次供水相關的關鍵數據，如渾濁度、液位、流量等信息，這些信息傳送給控制核心，控制核心實現兩部分功能：一是進行數據分析，當出現液壓不正常，水質不正常或突發大流量泄漏時，系統將進行閥門及流速的相應控制；二是利用CC2530實現傳感器無線網絡的組建及信息傳輸。

每棟樓用水相關參數傳輸至物業總控室，總控室通過4G通信模塊傳送到遠程服務器，通過無線網絡實現手機終端無線監控和小區供水情況。水務管理部門可以實現遠程監控、解析數據，進行圖形化分析，錄入數據庫以備日后查詢。

協調器主節點與終端子節點的無線通信采用TI公司的CC2530無線單片機。CC2530含有8051MCU內核，擁有高速SPI串行通信端口，滿足國際IEEE 802.15.4協議，RF4CE遠程控制系統。

2.2 終端子節點模塊設計

二次供水無線監測終端子節點由單片機模塊、渾濁度檢測、流量監測、水位檢測傳感器等硬件構成。控制器針對高層飲用水的二次供水系統水位、水質、意外泄漏等問題，進行實時數據采集、監控、報警。如圖2所示。

CC2530模塊實現局域內系統的網絡自行組建，并實時采集獲取傳感器的信息數據，將二次供水的有效數據經Zigbee無線網絡發送回協調器再進行后續處理。

二次供水箱中，水質是否符合居民使用標準，是否因使用年限、其余雜物混入等原因，造成水質污染，本設計在二次供水系統中增加水質監測環節，采用APMS-10G渾濁度傳感器對水質進行檢測，通過ZigBee無線傳感網絡可檢測到的數據傳送到終端顯示系統，當水質出現不達標時，傳感器發出信號，傳送至分站控制器，分站實現閥門的關閉，并發出報警信息，從而實現水質渾濁度的實時監控。APMS-10G傳感器是美國Honeywell公司研制的用來測量液體的渾濁度、導電率的傳感器。該傳感器片內有微處理器，以標準串口通訊的方式與主控制器通信[5]。

液位檢測采用U9UCL-200系列超聲波傳感器產品，該傳感器采用焊接的不銹鋼傳感器探頭，沒有縫隙不會泄露，簡單的按鈕式校準，全程自動溫度補償，帶過濾功能，清除誤報信號，小光束8°可在狹小的空間內安裝，采用繼電器輸出與主控制器通信。當傳感器檢測到液位過低時，加大變頻器速度，提高水泵轉速，水位過高時，降低水泵轉速。

流量檢測采用LUG系列智能渦街流量計，傳感器采用壓電晶體作為檢測元件的新型應力式智能流量測量儀表，該儀表具有與流量成比例的脈沖、電流信號、RS-485通訊或HART總線協議。將該流量計安裝在出水口處，當檢測到流量突然異常增大時，關閉閥門，進行系統檢查，及時解決泄露問題。

3 軟件設計

系統下位機軟件設計包括終端子節點網絡和協調器主程序流程。

無線傳感器網絡系統的無線傳感器網絡是基于IEEE 802.15標準與Zigbee網絡協議而設計的無線數傳網絡。

IAR EmbeddedWorkbench（簡稱EW）的C/C++交叉編譯器與調試器是當前世界上最完整的專業嵌入式系統開發工具。對于不同的微處理器，EW可以提供同樣直觀的用戶界面。EW含有嵌入式的C/C++優化編譯器、匯編器、編輯器、庫管理員、連接定位器、C.SPY調試器和項目管理器。

在終端子節點中，單片機先初始化協議棧和各傳感器模塊后，向協調器發出加入信號，讀取各個傳感器的相應信息，并將數據傳送至協調器，無線數據采集終端子節點的流程如圖3所示。

在本系統中，協調器節點主要有兩個任務：一是負責建立新網絡并允許其它節點加入到該網絡中；二是能夠接收終端傳感器節點發送的數據信息，將這些數據信息匯合整理后通過串口傳給上位機。這部分的軟件實現主要是設備的初始化、協調器建網、節點加入網絡、數據信息的收發和處理等，網絡協調器的工作流程如圖4所示。

4 結 論

城市水務管理是關系城市每位居民生活的大事，對二次供水的系統進行無線網絡監測，減少布線，節約成本，利用互聯網對數據進行遠程傳輸，實現了實時、在線數據分析。利用Zigbee技術，通過無線傳感器網絡與二次供水裝置的聯網技術，及時了解小區內二次供水系統水壓、水質、意外泄漏等問題，合理有效使用水資源，對開辟新小區供水系統建設，避免建設規模過大或過小，造成資源浪費，具有非常重要的意義。

參考文獻：

[1] 王風.基于CC2530的ZigBee無線傳感器網絡的設計與實現 [D].西安：西安電子科技大學，2012.

[2] 李義豐，胡方強.基于無線傳輸技術的水網監控系統 [J].電氣時代，2006（7）：96-97.

[3] 柳棟梁.基于PLC的無塔恒壓供水控制系統的研究與開發 [D].蘭州：蘭州理工大學，2016.

[4] 陳桂龍.讓居民喝上放心水—基于物聯網技術智慧城市二次安全供水系統平臺 [J].中國建設信息化，2017（4）：74-75.

[5] 張道德，楊光友，周國柱，等.APMS-10G渾濁度傳感器在模糊控制工業洗衣機中的應用 [J].儀表技術與傳感器，2005（5）：45-46.

作者簡介：李會新（1978-），女，河北鹿泉人，副教授。研究方向：機電一體化技術。