隨著人口增長、經濟發(fā)展及城市化的加快，供水管網的服務面越來越廣，情況越來越復雜。為了更加科學合理地保證供水系統安全、掌握供水動態(tài)以及預防爆管事故，對管網壓力進行監(jiān)測具有重大意義。
目前，自來水公司普遍采用GPRS無線設備對壓力數據進行遠程監(jiān)測，監(jiān)測設備的安裝方式通常為以下兩種：
【方式一】監(jiān)測井內安裝壓力變送器，監(jiān)測井附近立桿安裝GPRS設備、太陽能或市電供電裝置。壓力變送器的信號線引到地面上的GPRS設備中以實現數據遠傳，設備的工作電源由太陽能或市電供電裝置提供。
此種方式可實現管網壓力數據的實時監(jiān)測，但需要破路、挖溝和鋪設線纜，施工難度大、建設成本高。尤其當監(jiān)測井在馬路上時，該方式難以實現。
【方式二】在監(jiān)測井內安裝GPRS設備、壓力變送器和蓄電池，GPRS設備采集壓力變送器的輸出信號后直接遠傳給監(jiān)控中心，設備的工作電源由蓄電池提供。
此種方式為延長蓄電池的更換周期，只能采取定時采集、定時上報的工作模式，無法實現實時監(jiān)測。該監(jiān)測方式存在以下幾個問題：
1、部分監(jiān)測井內GPRS信號弱或沒有信號，壓力數據不能按時上報或根本無法上報。
2、需頻繁為蓄電池充電，維護成本高，且耗時費力。
3、監(jiān)測井內環(huán)境潮濕、易被水淹，影響設備的穩(wěn)定性。
基于上述難題，我們將低功耗技術、433MHz和GPRS無線通信技術相結合，設計了分體式供水管網監(jiān)測設備。該設備由無線壓力變送器和433M/GPRS雙模無線網關兩部分構成。
二、產品設計
1、工作方式
監(jiān)測井內安裝無線壓力變送器（由低功耗壓力變送器 和 433M數據采集通信終端兩部分組成），監(jiān)測井附近的樓頂、路燈桿或專用安裝桿上安裝433M/GPRS雙模無線網關和太陽能供電設備，供水管網監(jiān)測中心安裝服務器和管網壓力實時監(jiān)測系統軟件，如下圖所示。
無線壓力變送器采集供水管網的壓力數據后通過433MHz向表井外發(fā)送，表井外的433M/GPRS雙模無線網關接收到壓力數據后再轉由GPRS網絡遠傳給監(jiān)控中心。井內、井外設備穿透金屬井蓋的有效通信距離可達150米，使得433M/GPRS雙模無線網關的安裝位置十分靈活，大大降低了施工難度。
2、關鍵技術
2.1、 433MHz和GPRS接力傳輸，解決信號難題
433MHz通信技術使用的是433MHz免費頻段，無需申請和付費，其顯著優(yōu)勢是無線信號的穿透能力和繞射能力強，特別是在地下監(jiān)測井內，優(yōu)勢更加明顯。但因433MHz屬于超短波，其傳輸距離受限，而自來水公司的管網監(jiān)測點分布在幾十甚至幾百公里的范圍內，所以采用433MHz和GPRS接力傳輸的方式既解決了表井內GPRS信號弱的難題又滿足了遠程監(jiān)測的需要。
2.2、電池供電低功耗設計，解決井內電源問題
針對井內設備的供電問題， 無線壓力變送器中的433M數據采集通信終端特別選用了低功耗的電源、CPU和通信芯片，將工作功耗降到了最低，并配置了20AH的高能量鋰電池組。433M數據采集通信終端不僅給自己供電，還為低功耗壓力變送器提供工作電源。
低功耗壓力變送器工作電源為DC 5V，信號輸出為DC 0.25~2.25V，工作電流僅為微安級，真正了實現低功耗運行。
為進一步降低功耗，433M數據采集通信終端在采集壓力數據時瞬間為低功耗壓力變送器供電，數據采集完畢后隨即停止供電，直至下一個抄表周期（抄表周期可任意設置）。按3分鐘一次抄表周期計算，433M數據采集通信終端的電池壽命可達2.5年。
通訊時序及功耗圖：
433M數據采集通信終端的電池壽命很容易計算。
首先，計算平均電流，公式如下：
Iaverage=［It*Tt+Ir*Tr+Is*（T-Tt-Tr）］/T （公式1）
其中，Iaverage：平均電流；
It：發(fā)射電流； Tt：發(fā)射時間；
Ir：接收電流； Tr：接收時間；
Is：休眠電流； T：抄表周期。
如上圖中所示：
It = 75mA； Tt =2s；
Ir = 10mA； Tr =1s；
Is = 0.004mA； T = 180s。
帶入公式1計算：
Iaverage = （150+10+0.708）/180 = 0.893mA
其次，計算電池使用壽命，公式如下：
Tlife=C/Iaverage （公式2）
其中，Tlife：電池使用壽命；
C：電池容量；Iaverage：平均電流。
將C=20Ah，則帶入公式2計算：
Tlife = 20000/0.893 = 22396（h）≈ 2.5（年）
2.3、采用全防水設計，解決井內潮濕、易水淹的難題
433M數據采集通信終端的外殼采用優(yōu)質的透明工程塑料，具有出色的耐熱、耐寒和耐腐蝕特性；具有良好的結構穩(wěn)定性和電絕緣性以及重量輕、強度高、抗壓、耐磨等優(yōu)點。
433M數據采集通信終端采用全方位防水設計：
◆ 殼體兩側端蓋采用螺紋壓緊方式，安裝方便。
◆ 為防止安裝時密封墊擠壓變形，采用內壓蓋直接按壓方式進行密封。
◆ 殼體內置4個固定卡扣，端蓋旋轉時能夠防止內壓蓋轉動。
◆ 密封墊采用優(yōu)質硅膠材料，表面采用雙弧形設計，工作時能形成上、下兩個真空室，形成真空隔離。
◆ 內壓蓋上開有直徑為16mm的出線孔（用于連接433M防水天線和低功耗壓力變送器的信號線）并配置進口防水接線頭，確保潮氣、水無法進入。
◆ 產品防水試壓實驗達到0.8MPa，打壓72小時后產品沒有發(fā)生漏水、變形等情況；經過長期的表井內安裝檢驗，完美達到了設計預期。
低功耗壓力變送器也特別采用了絕壓型的設計，無需外置導氣管，從根本上杜絕了濕氣、水進入設備的可能性。
由上述兩部分組成的無線壓力變送器整體防水等級達到IP68，完全適應了井下的安裝環(huán)境。
三、結語
分體式管網監(jiān)測設備克服了當前管網壓力監(jiān)測設備中普遍存在的施工難、信號差、功耗高、防水效果不理想等諸多難題，在反復實驗及在河北、山東、吉林等地的現場應用中取得了良好的效果。該產品為自來水公司的供水管網壓力監(jiān)測提供了一種可靠、穩(wěn)定、節(jié)能的產品解決方案。
