分体式管网压力监测设备的设计
（The design of separated pipeline pressure monitoring equipment）
张晓华， 王学斌， 姚妍彬， 卢成伟
（唐山市水务信息化工程技术研究中心，河北 唐山 063020）
摘要：总结了当前供水管网压力监测设备存在的问题，对分体式管网压力监测设备的设计思路、工作方式和技术特点进行了深入剖析。
关键词：管网压力监测；无线压力变送器；433M/GPRS双模无线网关；433M数据采集通信终端
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：
- 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。
- 需频繁为蓄电池充电，维护成本高，且耗时费力。
- 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 = 75 mA； Tt =2 s；
Ir = 10 mA； Tr =1 s；
Is = 0.004 mA； T = 180 s。
带入公式1计算：
Iaverage = （150+10+0.708）/180 = 0.893 mA
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，安装方便。
- 为防止安装时密封垫挤压变形，采用内压盖直接按压方式进行密封。
- 壳体内置4个固定卡扣，端盖旋转时能够防止内压盖转动。
- 密封垫采用优质硅胶材料，表面采用双弧形设计，工作时能形成上、下两个真空室，形成真空隔离。
- 内压盖上开有直径为16mm的出线孔（用于连接433M防水天线和低功耗压力变送器的信号线）并配置进口防水接线头，确保潮气、水无法进入。
- 产品防水试压实验达到0.8MPa，打压72小时后产品没有发生漏水、变形等情况；经过长期的表井内安装检验，完美达到了设计预期。
低功耗压力变送器也特别采用了绝压型的设计，无需外置导气管，从根本上杜绝了湿气、水进入设备的可能性。
由上述两部分组成的无线压力变送器整体防水等级达到IP68，完全适应了井下的安装环境。
三、结语
分体式管网监测设备克服了当前管网压力监测设备中普遍存在的施工难、信号差、功耗高、防水效果不理想等诸多难题，在反复实验及在河北、山东、吉林等地的现场应用中取得了良好的效果。该产品为自来水公司的供水管网压力监测提供了一种可靠、稳定、节能的产品解决方案。
注：本文已刊登在《城镇供水》杂志2015年第5期期刊，如需转载，请标注转载来源、作者名称、作者单位等信息，否则视为侵权。
