 Instrumentation and Equipments仪器与设备, 2013, 1, 1-4 http://dx.doi.org/10.12677/iae.2013.11001 Published Online September 2013 (http://www.hanspub.org/journal/iae.html) Application of Wireless Sensor Network to Automatic Water Supply Scheduling System* Meng Li, Qing wei Liu Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang Email: icelm@sina.com Received: Jul. 24th, 2013; revised: Jul. 26th, 2013; accepted: Aug. 13th, 2013 Copyright © 2013 Meng Li, Qingwei Liu. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: The automatic water supply scheduling system based on SCADA and GIS has been designed, which takes the technology of wireless sensor network to realize the RTU module and the wireless transmission of the monitored data. It has strikingly improved the flexibility of the system arrangement and cut down the running cost of the monitor- ing system. The online operation of this system will offer in-time comprehensive information of the water supply net- work, realize the overall management and analysis of the data system, promote the information management level of the water supply enterprise, and intensify the core competence for the enterprise. Keywords: Water Supply Scheduling; Zigbee; SCADA; RTU 无线传感网络在供水调度自动化系统的应用* 李 蒙，刘庆伟 洛阳理工学院，洛阳 Email: icelm@sina.com 收稿日期：2013 年7月24 日；修回日期：2013年7月26 日；录用日期：2013 年8月13日 摘 要：设计基于 SCADA 和GIS 技术的供水调度自动化系统，并采用无线传感网络技术实现 RTC 单元，实现 监控数据的无线传输。显著提高系统部署的灵活性，降低了测控系统的运营成本。供水调度自动化系统的上线 运行，可实时收集供水网络全面的信息，实现系统数据的全局化管理和分析，改善了供水企业信息化管理水平， 有助提升了企业的核心竞争力。 关键词：供水调度；Zigbee；SCADA；RTU 1. 引言 城市给水是城市稳定、发展的基础，是城市发展 的组成部分，是城市的“生命线”。随着经济建设的 迅速发展，城市规模的不断扩大，传统的供水管理方 式将不堪重负，难以对复杂多变的情况做出快速反 应。供水调度自动化系统是利用计算机信息技术、通 信技术和自动控制技术对整个供水管网运行过程的 主要参数、管网信息、设备运行状况进行动态监测、 实时调度和自动化控制，实现自动化信息管理，并将 监测点信息与管网空间位置相结合，以地形图为基 础，直观表达管网运行状况和监控点状态，结合预测、 统计、数学模型、空间分析等手段，根据经济、技术 指标和实际情况，进行优化控制反馈，完成对供水管 网调度各个环节的合理配置[1]。 供水调度自动化系统能够可靠运行的关键是能 实时对整个供水管网运行过程的主要参数的采集，便 *基金项目：河南省高等学校青年骨干教师资助计划(2009GGJS- 122)。 Copyright © 2013 Hanspub 1  无线传感网络在供水调度自动化系统的应用 于根据现场数据进行相应的处置。现有的架设专线、 数传电台、GSM，GPRS 等数据传输方式存在建设周 期长、易受干扰、运行成本高等缺点。随着无线传感 网络 Zigbee 技术的广泛应用，为供水调度自动化系统 数据传输方式提高了一个新的设计思路。 2. Zigbee技术简介 Zigbee技术是以 IEEE 802.15.4为标准的一种低 复杂度、低成本、低功耗、低速率的的双向无线通信 技术。具有以下特点：1) 功耗低，以 JENNIC 5139 为例，数据通信时功耗小于 120 mW；2) 运营成本低， 由于 Zigbee 使用的是 2.4 GHz的ISM频段，是无需 注册免费使用的；3) 网络容量大，一个 Zigbee 网络 最多可容纳 65,535 个节点；4) 数据安全性高，支持 AES 128 加密，保障数据安全[2]。 Zigbee 网络支持3种网络拓扑结构：星形，网状， 簇状。因此当进行长距离传输时，只要增加路由节点， 便可方便的实现数据的接力传输。通信网络的速率适 中最高可达250 Kbps，完全可以满足供水调度自动化 系统数据监测的要求[3]。 3. 系统组成 由于一个自来水公司下属可能有多个水厂，一个 自来水厂又有多个工艺过程，同时又负责多个管网测 压站、管网加压站和水源井监控站的管理。如将系统 的所有信息都直接传送到自来水公司控制中心，由自 来水公司完成整个系统的控制是不合理的。因此就需 要建立多个水厂分控中心，在水厂内建立多个监控分 站和自来水取水、供水监控站点，以实现信息的逐级 传输和系统的分级控制。借鉴国内外同行的经验，供 水调度自动化系统采用两级调度。其框架模型如图 1 所示[4-6]。 系统可划分为5个组成部分：自来水公司控制中 心、水厂分控中心、管网测压站、管网加压站和水源 井监控站。系统基本组成单元远程测控终端(RTU)用 无线传感网络模块实现、由它完成对现场数据的采 集、传输和对现场设备的控制。 采用 SCADA 和GIS技术设计供水调度自动化系 统通过数据管理模块、查询统计模块、管网编辑模块、 方案模拟模块、故障定位模块、管网可靠性管理模块、 设备设施管理模块及老化计算模块实现供水信息管 理与调度监控一体化[7]。 数据管理模块：将各种图形数据(矢量、栅格)和 非图形数据(图片、文档、多媒体)集中统一的存放在 关系数据库中。地物图形资料仅是系统中一种背景辅 助资料，没有地物图形资料时，在系统图形资料的支 持下，系统应用功能仍能照常运行，通常地物图形不 经常变动。 查询统计模块：提供多种手段对图形、属性数据 进行交互查询，同时能对所选元素的某个字段按用户 指定的统计分类数与分类段的范围，统计图元总数、 最大、最小、平均值等。并可用直方图、饼图、折线 图等多种形式显示。 管网编辑模块：系统提供完备的编辑工具，用户 可以按自己的要求对管网空间和属性数据进行添加、 修改、删除等操作。在编辑时有完备的设备关系规则 Figure 1. Automatic Water Supply Scheduling System framework model 图1. 供水调度自动化系统框架模型 Copyright © 2013 Hanspub 2  无线传感网络在供水调度自动化系统的应用 库系统，确保编辑好的数据正确、完备，同时支持版 本管理和长事务处理。 方案模拟模块：可在供水方案实施前确定前，在 系统上进行模拟操作，系统从SCADA 读入的运行参 数进行水流模拟分配，并根据管径大小规格对水流进 行校核，发现水压超过管径允许的范围时，便会报警， 避免管道爆管。 故障定位模块：当用水用户出现停水时，只要报 出用户名，就可在系统中上查出该用户的供水信息， 以及阀门在地图上的位置。同时列出该阀门，为快速 找到故障点，及时隔离故障创造条件。发布停水信息。 在关闭阀门时候，用户接口模块的地图上由该阀门控 制的线路的颜色由红色转为黑色，并列出所有停电的 用户。调度员可据此向电视台、传呼台发送停水范围 和用户名称。 管网可靠性管理模块：在系统中每台泵站，阀门、 线路有与用户明确的连接关系，因此，系统可以根据 运行方式中断泵站、阀门起闭，确定线路的停水范围， 自动统计并列出所有特殊用户的清单；并根据状态量 的改变时间，确定该停水范围内的时间，确定停水户 数。 设备设施管理模块：管理管网在运行过程中的设 备维修、管网改扩建、设备运行等业务，主要包括巡 道管理、听漏管理、报修管理，维修派工、停水关闸 管理等，还有管网设备质量评估和维修员工考核等。 老化计算模块：根据管线的材料、埋设环境、年 限，维修次数等条件为参数，通过分析模型得出需要 维修的管线的紧迫级别，并计算相应工时。 4. 远程无线 RTU 技术实现 远程终端(RTU)是整个供水调度自动化系统的重 要部分，担负监控设备本地的数据采集及发送，接受 并完成来自远程控制命令，完成本地的控制，为了降 级部署成本、运营成本，系统的 RTU 单元采用 JENNIC-5139 模块实现，RTU 单元主要配置有 CPU 模块、模拟量I/O 模块、数字量I/O 模块、通信模块、 电源、通信设备、机箱、测量仪表及相应物理执行机， 结构图如图2所示。 CPU 模块为JENNIC -5139 ，工作电压 3 V，无线 RTU JENNIC 32位RISC 通讯时工作电流37 mA，休眠状态电流为 2.6 μA，模 12位 ADC 12位 ADC CPU IEEE802.15.4 协议站 O-QPSK 调制解调器 2.4G 收发 电源 管理 温度传 感器 定时器 5139 数字量I/O模块 模拟量I/O模块 电源模块 人机交互模块 Figure 2. Wireless RTU structure 内嵌 Zigbee 无线通讯协 Zigbee 技术的无线传感网络的供水调度自 动化 参考文献 (References) 业2010 年技术进步发展规划 图2. 无线 RTU 结构图 块 议，支持无线传感网络通 讯，采用 32 位的RISC CPU，内部集成了 96 KB RAM、 192 KB ROM、4个12位的 ADC，用于将出厂水压力、 出厂水流量、水位、配电电压的模拟量转换为数字量， 电压检测传感器实现系统电压的监测，温度传感器可 进行环境温度检测，根据温度实现对检测参数的动态 补偿，提高检测精度、2个UART 可在中心站构建 CAN 总线接口，JENNIC-5139 功能强大，便于扩展。电源 模块采用电池供电和外部辅助供电两套并存的供电 模式，当没有外部辅助电源时，由电池供电，但外接 辅助电源时，由外部电源供电，同时为电池充电。 5. 结论 采用 系统最大程度发挥了 SCADA 优势，在保证供水 水质和水压的前提条件下，降低运营费用，合理调配 供水量和压力。并可根据需要灵活部署监控 RTU 单 元，为供水调度自动化系统进行优化调度提供实时数 据。接合 GIS 系统将 RTU 监测的数据空间化、立体 化，增加现场实时监测数据的可视化能力。无线传感 网络相比传统的数传电台，数据可靠性和安全性上显 著提高，与GPRS 数据通信方式相比，大大降低了运 营成本。具有投资较少、建设周期短、运行维护简单、 性价比高等优点。 [1] 中国城镇供水协会. 城市供水行 及2020 年远景目标[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2005. [2] 回楠木, 李永刚, 王成. 基于 Zigbee 的无线农田测控系统[J]. 微计算机信息, 2008, 24(8-3): 52-54. [3] 李辉, 张晓光, 高顶等．基于 Zigbee 的无线传感器网络在矿 井安全监测中的应用[J]. 仪表技术与传感器, 2008, 4: 33-35. [4] 宋俊杰, 尹志宏. 基于无线通讯的远程监控供水调度系统[J]. 光盘技术, 2006, 5: 18-20. Copyright © 2013 Hanspub 3  无线传感网络在供水调度自动化系统的应用 [5] 贾金明, 李学义, 陈学剑. 供水调度SCADA系统的升级改造 [J]. 中国给水排水, 2008, 24(12): 66-68. 调度系统中的应用[J]. 电脑 [6] 郭圣安. 城市供水调度SCADA系统的应用与发展[J]. 工业 控制计算机, 2009, 22(4): 29-30. [7] 刘清林. SCADA系统在城市供水 与信息技术, 2003, 11(6): 50-53. Copyright © 2013 Hanspub 4 |