分体式管网压力监测设备的设计应用案例

一、前言

管网压力是自来水公司保障供水和预防爆管事故的重要数据。各自来水公司已充分认识到管网压力监测的重要意义，并采取了多样的信息化手段来加以实现。目前，自来水公司普遍采用GPRS无线设备对压力数据进行远程监测，监测设备的安装方式通常为以下两种：

【方式一】监测井内安装压力变送器，监测井附近立杆安装GPRS设备、太阳能或市电供电装置。压力变送器的信号线引到地面上的GPRS设备中以实现数据远传，设备的工作电源由太阳能或市电供电装置提供。

此种方式可实现管网压力数据的实时监测，但需要破路、挖沟和铺设线缆，施工难度大、建设成本高。尤其当监测井在马路上时，该方式难以实现。

【方式二】在监测井内安装GPRS设备、压力变送器和蓄电池，GPRS设备采集压力变送器的输出信号后直接远传给监控中心，设备的工作电源由蓄电池提供。

此种方式为延长蓄电池的更换周期，只能采取定时采集、定时上报的工作模式，无法实现实时监测。该监测方式存在以下几个问题：

1、部分监测井内GPRS信号弱或没有信号，压力数据不能按时上报或根本无法上报。

2、需频繁为蓄电池充电，维护成本高，且耗时费力。

3、监测井内环境潮湿、易被水淹，影响设备的稳定性。

基于上述难题，我们将低功耗技术、433MHz和GPRS无线通信技术相结合，设计了分体式供水管网监测设备。该设备由无线压力变送器和433M/GPRS双模无线网关两部分构成。

二、产品设计

1、工作方式

监测井内安装无线压力变送器（由低功耗压力变送器 和 433M数据采集通信终端两部分组成），监测井附近的楼顶、路灯杆或专用安装杆上安装433M/GPRS双模无线网关和太阳能供电设备，供水管网监测中心安装服务器和管网压力实时监测系统软件，如下图所示。

无线压力变送器采集供水管网的压力数据后通过433MHz向表井外发送，表井外的433M/GPRS双模无线网关接收到压力数据后再转由GPRS网络远传给监控中心。井内、井外设备穿透金属井盖的有效通信距离可达150米，使得433M/GPRS双模无线网关的安装位置十分灵活，大大降低了施工难度。

2、关键技术

2.1、 433MHz和GPRS接力传输，解决信号难题。

433MHz通信技术使用的是433MHz免费频段，无需申请和付费，其显著优势是无线信号的穿透能力和绕射能力强，特别是在地下监测井内，优势更加明显。但因433MHz属于超短波，其传输距离受限，而自来水公司的管网监测点分布在几十甚至几百公里的范围内，所以采用433MHz和GPRS接力传输的方式既解决了表井内GPRS信号弱的难题又满足了远程监测的需要。

2.2、电池供电低功耗设计，解决井内电源问题。

针对井内设备的供电问题， 无线压力变送器中的433M数据采集通信终端特别选用了低功耗的电源、CPU和通信芯片，将工作功耗降到了最低，并配置了20AH的高能量锂电池组。433M数据采集通信终端不仅给自己供电，还为低功耗压力变送器提供工作电源。

低功耗压力变送器工作电源为DC 5V，信号输出为DC 0.25~2.25V，工作电流仅为微安级，真正了实现低功耗运行。

为进一步降低功耗，433M数据采集通信终端在采集压力数据时瞬间为低功耗压力变送器供电，数据采集完毕后随即停止供电，直至下一个抄表周期（抄表周期可任意设置）。按3分钟一次抄表周期计算，433M数据采集通信终端的电池寿命可达2.5年。

通讯时序及功耗图：

433M数据采集通信终端的电池寿命很容易计算。

首先，计算平均电流，公式如下：

Iaverage=［It*Tt+Ir*Tr+Is*（T-Tt-Tr）］/T （公式1）

其中，Iaverage：平均电流；

It：发射电流； Tt：发射时间；

Ir：接收电流； Tr：接收时间；

Is：休眠电流； T：抄表周期。

如上图中所示：

It = 75mA； Tt =2s；

Ir = 10mA； Tr =1s；

Is = 0.004mA； T = 180s。

带入公式1计算：

Iaverage = （150+10+0.708）/180 = 0.893mA

其次，计算电池使用寿命，公式如下：

Tlife=C/Iaverage （公式2）

其中，Tlife：电池使用寿命；

C：电池容量；Iaverage：平均电流。

将C=20Ah，则带入公式2计算：

Tlife = 20000/0.893 = 22396（h）≈ 2.5（年）

2.3、采用全防水设计，解决井内潮湿、易水淹的难题。

433M数据采集通信终端的外壳采用优质的透明工程塑料，具有出色的耐热、耐寒和耐腐蚀特性；具有良好的结构稳定性和电绝缘性以及重量轻、强度高、抗压、耐磨等优点。

433M数据采集通信终端采用全方位防水设计：

◆ 壳体两侧端盖采用螺纹压紧方式，安装