基于GPRS供水管网远程监控产品的设计

  摘要：管网压力监测点的环境比较复杂，对测控设备的要求比较高，无电、潮湿限制了许多测控设备的使用。本文从产品设计的角度阐述微功耗测控终端如何满足各供水企业现场监测的需求。
关键词：微功耗 测控终端 管网监测 GPRS
    管网的压力、流量和流向是供水调度系统中重要的监测内容，测控终端被安装在监测现场采集管网压力、流量、流向等信息，并将信息传递到调度中心。
    目前，国内水司选用的测控终端各不相同，有的选用数采模块加电台，有的选用数采模块加有线Modem，有的选用PLC加GPRS，这些设备虽然能够满足现场的需求，也存在着一些不足之处，如：电台方式维护量大、有线Modem方式费用高、普通GPRS功耗大等等。
    依据水司的普遍要求，结合水司管网监测的特点，我公司设计了一款微功耗测控终端，该终端将微功耗测控技术和GPRS通信技术进行了科学的整合，能够满足供水管网监测不同使用环境的要求。现将设备设计特点及使用特点介绍如下：
一、设计特点
1、 模块化结构设计
    微功耗测控终端主要由四部分组成：测控单元、通信单元、显示与操作单元、电源单元。
    测控单元是终端设备的核心，负责采集现场压力变送器的电流或电压信号、采集流量仪表的脉冲信号或数字信号、采集水质监测设备的模拟信号或数字信号，提供继电器信号输出，为现场变送器等设备提供5V/12V/24V直流供电电源，控制通信单元和供电单元。
    通信单元主要负责现场与调度中心之间的通信。采用GPRS无线通信方式，兼容GSM短信通信方式。工作模式分三种：普通模式、待机模式、休眠模式，不同供电模式选用不同的工作模式。
    显示与操作单元主要负责现场监测数据及现场参数的显示，使用按键操作可查询监测数据和设置参数，采用中文液晶显示和防水磁感应按键。
    供电单元主要为终端设备提供工作电源，支持三种供电模式：市电供电、太阳能供电、电池组供电。不同的现场环境选用不同的供电模式。


2、防水设计
    城市压力监测点随管网分布，监测终端设备多数安装在观测井内，要求设备防水、防潮。微功耗测控终端采用如下防水设计以确保防水效果。
◆外壳防水设计：
    材质选用增强尼龙，其防水、防潮、防腐、抗冻、抗热、强度、韧性等指标均满足观测井下使用环境，且重量轻。
    终端的上下盖之间、进出线口是水和潮气容易进入的地方。终端的上下盖之间采用H型密封条密封，从三个方向包围上下盖之间的接触壁，上下盖之间使用14个不锈钢螺栓的紧固，两个相邻的螺栓之间距离为5cm，保证了紧固强度；进出线口使用防水接头，防水接头与壳体之间采用O型圈与防水胶共同密封，进出线与防水接头之间使用密封胶套和密封胶共同密封。终端的防护等级可达IP68 。 


     
◆二次防水设计
    微功耗测控终端在现场安装维护的过程中，有时由于安装人员操作不规范，如螺丝紧固的强度不够，可能会降低终端的防水性能。为了保证终端设备不被井内积水浸泡，针对其使用环境，我们专门设计了防水罩，终端设备安装在防水罩内，防水罩口朝下固定在井壁上，积水高过防水罩时，由于罩内空气压力作用，可以阻止积水接触终端设备。
◆接线防水设计：
    微功耗测控终端安装在井下时，要配带防水线缆和防水接线盒，终端与防水线缆之间按上述要求做好防水，压力变送器或其它仪表提供的线缆与终端的线缆在防水盒内端子上连接，接好后，防水盒内注入防水胶。
二、使用特点
1、供电及工作模式
    调度中心对管网压力监测的实时性要求很高，但许多压力测点往往不具备供电条件，一般监测设备由于功耗和工作模式的限制，很难满足客户的需求。我们依据微功耗测控终端的特点，规划设计了三种工作模式：
◆普通模式
    测点具备220V市电或太阳能供电条件，终端设备可以满足数据的频繁采集、频繁传输，并支持数据实时上报和调度中心主动问询。
◆待机模式
    测点无供电条件，供电选用可充电大容量蓄电池，由于电池电量限制，需要合理的设置终端设备的数据采集间隔和数据发送间隔。无线发送数据时设备的功耗大，采集时的功耗可以忽略。终端设备支持数据定时上报、数据超限上报和调度中心的主动问询。
    蓄电池固定在支架上，外装防水外壳。微功耗测控终端可以检测蓄电池的电压，电压超过下限时，需要对蓄电池进行充电，充电周期与发送频率和选配蓄电池容量相关。1个100Ah的蓄电池一般可以支持终端设备正常工作3—4个月。
◆休眠模式
    测点无供电条件，供电选用一次性锂电池组，该电池组安装在微功耗测控终端内。由于电池组的电能有限，终端只能支持数据定时上报和变化上报。终端频繁采集压力等数据与设置的上下限数值进行对比，数据超限时立即上报，数据未超限时存储，等到设定的上报时间一起上报。一组4节的高能锂电池一般可支持设备正常工作1—2年。终端设备平时处于休眠状态，只有在上报数据时才唤醒，平时不支持调度中心主动问询。
2、设置与维护
    水司的设备维护人员通过简单的培训就可以安装、设置、维护微功耗测控终端。这样不但方便了用户，还可以大大提升产品可普及率。微功耗测控终端采用三种设置方式：现场按键设置、现场计算机设置、调度中心远程设置。
    普通设备维护人员可以使用终端按键设置或修改测点编号、采集时间间隔、发送时间间隔、压力变送器量程、水表倍率、串口速率等参数。
    经过培训的相关技术人员在调度中心可以远程设置、修改更多的终端设备参数，还可以对现场终端设备进行远程软件升级。
三、结论
    微功耗测控终端经过辽宁、河北、北京、山东等地多家水司长期使用，均认为该产品的功能、功耗、防水、维护等设计都是从现场应用实际出发的，解决了很多现实问题，具备很大的推广价值。