趙繼春，王國杰，王敏，王洪彪

(1. 北京市農(nóng)林科學(xué)院，北京市，100097； 2. 邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，邯鄲市，056001)

0 引言

我國農(nóng)業(yè)用水量較大，在農(nóng)田水利建設(shè)中投入大量資金，建設(shè)了大量農(nóng)田灌溉管網(wǎng)。而農(nóng)田灌溉用水漏損情況比較嚴(yán)重，漏損率相對比較高，灌溉管網(wǎng)滲漏不僅損失大量水資源，而且大幅降低農(nóng)田用水灌溉效率，因此加強(qiáng)農(nóng)田灌溉管網(wǎng)漏損監(jiān)測，預(yù)判管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，對于提高農(nóng)田用水效率，減少管道滲水量，具有積極而重要的意義。隨著人們對灌溉管網(wǎng)滲漏的日益關(guān)注以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，管網(wǎng)漏損監(jiān)測技術(shù)得到了迅速發(fā)展。

國內(nèi)外研究者在管網(wǎng)漏損監(jiān)測方面開展了大量研究工作，監(jiān)測技術(shù)分為主動監(jiān)測和被動監(jiān)測[1]。國際上通用的監(jiān)測方法包括：區(qū)域裝表法[2-3]、聽音(聲振)法[4]、探地雷達(dá)法[5]、相關(guān)檢漏法、分布光纖法及噪聲法[6-7]等。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)新型供水管網(wǎng)漏損監(jiān)測技術(shù)，如瞬變時間頻率分析法、多級支持向量機(jī)區(qū)域檢測法、基于累計求和多尺度小波分析的組合方法等?，F(xiàn)階段，我國的管網(wǎng)漏損監(jiān)測還多以振動噪聲檢漏法、區(qū)域檢漏法、光纖傳感法等為主[8-9]。然而，光纖線纜鋪設(shè)成本較高。振動噪聲法應(yīng)用加速度傳感器技術(shù)，采集管網(wǎng)泄漏時引起的管壁振動信號，具有體積小、安裝簡單、頻率響應(yīng)范圍寬及線性度好等特點，廣泛應(yīng)用在管網(wǎng)漏損監(jiān)測。在農(nóng)田灌溉管網(wǎng)漏損監(jiān)測方面，存在數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確率不高、數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定等問題，相關(guān)的研究還有待于進(jìn)一步擴(kuò)充。

本文采用嵌入式開發(fā)技術(shù)，應(yīng)用壓電加速度傳感器、壓力變送器和超聲波流量計等，采集網(wǎng)管振動噪聲、水壓和流量等數(shù)據(jù)，經(jīng)自適應(yīng)濾波后，以4G無線通信[10-12]低功耗傳輸方式，將采集的數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用管理云平臺，實現(xiàn)對農(nóng)田灌溉系統(tǒng)是否存在漏損情況進(jìn)行預(yù)判，從而減少漏水造成的經(jīng)濟(jì)損失，有效提升農(nóng)田用水效率。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

農(nóng)田灌溉管網(wǎng)漏損智能無線監(jiān)測系統(tǒng)以嵌入式單片機(jī)開發(fā)技術(shù)為基礎(chǔ)，總體結(jié)構(gòu)分為物聯(lián)網(wǎng)感知層、傳輸層和應(yīng)用層(圖1)。感知層主要實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集，包含傳感器信號放大調(diào)理電路、多路485通訊接口、測試接口電路及4G通信模塊等，實現(xiàn)壓電加速度傳感器、壓力變送器、超聲波流量計信號采集、存儲及濾波等功能。傳輸層通過4G無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理云平臺[13-14]。應(yīng)用層主要包括云端數(shù)據(jù)服務(wù)器及應(yīng)用管理系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總、處理、分析及其報警等功能。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計

傳感器數(shù)據(jù)采集與傳輸電路采用低功耗設(shè)計，核心控制芯片以STM32F407嵌入式單片機(jī)[15-17]為基礎(chǔ)，由電源模塊、壓力變送器、超聲波流量計、壓電式加速度傳感器、多路485、A/D轉(zhuǎn)換及測試擴(kuò)展接口、放大調(diào)理電路及4G無線通信等部分組成。數(shù)據(jù)采集與傳輸電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸電路結(jié)構(gòu)圖

2.1 CPU控制模塊

依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需求及考慮芯片穩(wěn)定性因素，應(yīng)用STM32F407核心處理器作為CPU主控芯片[18]，處理器為高性能的32位Cortex-M4處理器，頻率達(dá)到168 MHz，支持浮點運(yùn)算及其DSP指令。具有144個輸入輸出接口，支持SWD和JTAG兩種方式進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。

設(shè)計過程中，4G無線通信模塊和振動傳感器通過異步串口總線與CPU控制模塊連接。壓力變送器及超聲波流量計通過485總線與CPU控制模塊連接。

2.2 傳感器選型與設(shè)計

選用壓電加速度、壓力變送器及超聲波流量計三種傳感器。壓電加速度傳感器采集管網(wǎng)漏損時的噪聲振動，根據(jù)噪聲振動變化數(shù)據(jù)預(yù)判管網(wǎng)泄露情況。壓力變送器采集管網(wǎng)的水壓，防止長時間壓力過大導(dǎo)致爆管。超聲波流量計用于監(jiān)測水流速度，在灌溉管網(wǎng)中分區(qū)域安裝，判斷計量區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)漏水量。傳感器選型設(shè)計如表1所示。

表1 傳感器選型設(shè)計Tab. 1 Sensor selection and design

2.3 電源電路

電源模塊設(shè)計原理如圖3所示。

圖3 電源模塊原理圖

傳感器數(shù)據(jù)采集裝置一般處于偏遠(yuǎn)的農(nóng)田灌溉園區(qū)，采用電網(wǎng)供電方式不便捷，因此采用可充電的高性能鋰電池供電。壓電式加速度傳感器電源輸入電壓為12～24 V，輸出0～5 V。壓力變送器電源輸入電壓為12～32 V，輸出4～20 mA。超聲波流量計電源輸入電壓8～36 V，輸出為RS485方式。依據(jù)設(shè)計需求，電源模塊選用12 VLM2675M高性能開關(guān)型穩(wěn)壓器鋰電池組，轉(zhuǎn)換效率約為88%，可提供超低噪聲和低靜態(tài)電流，具有關(guān)斷功能。

2.4 存儲電路

數(shù)據(jù)存儲芯片選用大容量可擦除的編程存儲器AT24C512，數(shù)據(jù)容量為64 KB，可實現(xiàn)10萬次編程與擦寫應(yīng)用，電源輸入電壓為1.8～5.5 V。當(dāng)4G無線通信網(wǎng)絡(luò)斷開時，用于存儲傳感器采集的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)連接時，將存儲的數(shù)據(jù)上傳到云管理軟件系統(tǒng)。存儲電路設(shè)計原理如圖4所示。

圖4 存儲電路原理圖

2.5 總線電路

系統(tǒng)的壓力變送器和超聲波流量計傳感器與數(shù)據(jù)采集控制電路采用RS485總線通信方式，采用平衡發(fā)送和差分接收的方式，對于抑制共模干擾效果較好。應(yīng)用主機(jī)控制從機(jī)通信方式，由主機(jī)發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，從機(jī)應(yīng)答，從機(jī)之間交換信息通過主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)，通信過程包括主機(jī)查詢、從機(jī)應(yīng)答和鏈路釋放三個階段。RS485總線電路設(shè)計原理如圖5所示。

圖5 RS485總線電路圖

2.6 轉(zhuǎn)換電路

壓電式加速度傳感器輸出模擬電壓為0～5 V，而STM32處理器的A/D輸入電壓范圍為0～3.3 V，采用串聯(lián)電阻分壓方式滿足系統(tǒng)要求。為降低傳感器功耗，壓力變送器采用4～20 mA信號傳輸模式。通過150 Ω電阻將4～20 mA信號轉(zhuǎn)換成0.6～3 V電壓，然后通過嵌入式軟件進(jìn)行校準(zhǔn)。轉(zhuǎn)換電路原理如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)換電路原理圖

2.7 無線通信模塊

4G無線通信模塊采用SIM7020C，支持LTE CAT-NB1，具有省電和延長接收模式，應(yīng)用AT指令實現(xiàn)傳輸控制操作，應(yīng)用接口包括UART、GPIO、I2C等，引出的控制引腳可直接連接Arduino、STM32等核心控制器。支持TCP、HTTP、FTP、UDP、LWM2M、MQTT等應(yīng)用。模塊設(shè)計原理如圖7所示。

圖7 4G無線通訊模塊電路原理圖

3 軟件設(shè)計

基于嵌入式的農(nóng)田灌溉管網(wǎng)漏損智能無線監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集與傳輸、自適應(yīng)濾波、云平臺應(yīng)用管理等功能。

3.1 傳感器數(shù)據(jù)采集與傳輸

為降低系統(tǒng)功耗，軟件程序采用STM32休眠模式實現(xiàn)低功耗設(shè)計，數(shù)據(jù)采集電路以休眠工作狀態(tài)為主，數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)送數(shù)據(jù)時喚醒處理系統(tǒng)。依據(jù)采集程序設(shè)定，通過定時器中斷實現(xiàn)定時采集、處理、發(fā)送數(shù)據(jù)，每次喚醒CPU定時器時，根據(jù)云端管理服務(wù)器數(shù)據(jù)校準(zhǔn)時間。處理器串口中斷實現(xiàn)現(xiàn)場信號調(diào)試、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。傳感器數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件流程如圖8所示。

圖8 傳感器數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件流程圖

數(shù)據(jù)在無線網(wǎng)絡(luò)傳輸時，4G無線通信模塊設(shè)定為NET透明傳輸模式，傳輸?shù)刂窞樵贫朔?wù)器域名和端口號，網(wǎng)絡(luò)傳輸連接類型為TCP方式，本地端口號為私有端口號，關(guān)閉心跳模式。

3.2 自適應(yīng)濾波

為濾除傳感器數(shù)據(jù)采集的無效信號，本設(shè)計采用最小均方自適應(yīng)濾波算法[20]進(jìn)行濾波，該算法利用自適應(yīng)濾波器，實時跟蹤信道的特性，不斷的調(diào)整均衡器的參數(shù)使其保持在最優(yōu)的狀態(tài)。自適應(yīng)濾波器兩個輸入端是橫向輸入端信號x(n)、理想輸出信號d(n)。兩個輸出端是橫向濾波器實際輸出端信號y(n)、反饋信號e(n)，濾波器的加權(quán)系數(shù)為wi(n)(i=0,1,…,M-1)，算法數(shù)學(xué)表達(dá)如式(1)～式(3)所示。

(1)

e(n)=d(n)-y(n)

(2)

wi(n+1)=wi(n)+2μe(n)x(x-i),

i=0,1,…,M-1

(3)

式中：μ——收斂因子。

由于本設(shè)計采集電路板對每次濾波的迭代速度要求較高，而對精度的要求不高，因此最小均方自適應(yīng)濾波算法適合應(yīng)用本系統(tǒng)，算法結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 最小均方自適應(yīng)濾波算法結(jié)構(gòu)圖

3.3 云平臺應(yīng)用管理

考慮開發(fā)成本、可靠性、安全性及便捷性等因素，系統(tǒng)采用基于Modbus RTU協(xié)議的私有云服務(wù)平臺，Modbus協(xié)議包括RTU和TCP，RTU模式采用16位CRC校驗，TCP無CRC校驗設(shè)置，增加6個起始字符組，用于定義TCP/IP協(xié)議所需系數(shù)。

云平臺應(yīng)用管理軟件主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)查詢、警告和數(shù)據(jù)匯總分析等功能，為用戶應(yīng)用與管理提供較好的人機(jī)交互入口。系統(tǒng)應(yīng)用Java軟件設(shè)計開發(fā)語言，存儲與管理數(shù)據(jù)庫采用MySQL。系統(tǒng)功能模塊包括傳感器數(shù)據(jù)采集、傳感器設(shè)備分組管理、數(shù)據(jù)分組查詢、報警設(shè)置、固件升級、綜合分析等，系統(tǒng)功能模塊如圖10所示。

圖10 云平臺應(yīng)用管理軟件功能結(jié)構(gòu)圖

傳感器數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)管網(wǎng)振動噪聲、流量和壓力信號實時獲取功能，其采集頁面如圖11所示。

傳感器設(shè)備分組管理實現(xiàn)設(shè)備編碼識別設(shè)置；數(shù)據(jù)分組查詢用于查看某個時間段內(nèi)的一個或多個傳感器的數(shù)據(jù)或曲線圖；報警設(shè)置模塊實現(xiàn)傳感器報警閾值設(shè)置功能；固件升級實現(xiàn)采集控制管理軟件版本升級管理；綜合分析依據(jù)相關(guān)分析法判斷管網(wǎng)是否漏損。

圖11 云端應(yīng)用管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集頁面

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)主要實現(xiàn)采集灌溉管網(wǎng)中傳感器的水壓、流量與振動噪聲等數(shù)據(jù)，經(jīng)過自適應(yīng)濾波后，實現(xiàn)存儲、傳輸、分析和處理的功能。系統(tǒng)硬件設(shè)計與軟件開發(fā)完成后，為驗證系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，開展試驗。

4.1 傳感器數(shù)據(jù)采集試驗

在灌溉管網(wǎng)試驗現(xiàn)場將監(jiān)測系統(tǒng)硬件部署完成后，通過探頭設(shè)定通訊小程序，采集傳感器的振動噪聲、流量和壓力數(shù)據(jù)，以串口異步通訊模式進(jìn)行通信，采集數(shù)據(jù)如圖12所示。此時管網(wǎng)處于非灌溉時間，為提高監(jiān)測準(zhǔn)確度，監(jiān)測數(shù)據(jù)采用100次積分累加方式，監(jiān)測的振動噪聲數(shù)據(jù)范圍為1～8 dB，流量為0，管網(wǎng)壓力約為40 MPa。

圖12 探頭設(shè)定通訊小程序數(shù)據(jù)采集

同時，通過設(shè)計的云端應(yīng)用管理軟件系統(tǒng)采集相同傳感器的振動噪聲、流量和壓力數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過4G無線通信模塊進(jìn)行傳輸，云端應(yīng)用管理軟件系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與通過探頭設(shè)定通訊小程序采集的一致，試驗結(jié)果表明傳感器數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定高效，經(jīng)過嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)處理后，未出現(xiàn)信號損失現(xiàn)象。同時對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行20次查詢試驗，數(shù)據(jù)查詢響應(yīng)時間平均小于1.2 s。

4.2 傳感器數(shù)據(jù)采集試驗

預(yù)判管網(wǎng)泄漏和閥門漏水時，由于在灌溉時段內(nèi)水流噪聲過大影響預(yù)判結(jié)果，因而在非灌溉時段內(nèi)，測試時間為0時至4時，噪聲閾值通常設(shè)置為80 dB，當(dāng)噪聲數(shù)據(jù)大于此值時，系統(tǒng)預(yù)判出現(xiàn)管網(wǎng)泄漏或者閥門漏水。預(yù)判管網(wǎng)爆管時，通過相鄰的兩個壓力傳感器采集數(shù)據(jù)100次，累加差值大于5 MPa；或者相鄰的兩個流量傳感器數(shù)據(jù)累加差值出現(xiàn)較大偏差；或者振動傳感器采集的噪聲數(shù)據(jù)顯著大于泄露時的閾值80 dB，一般可以達(dá)到幾百分貝。

首先，試驗在非灌溉時間內(nèi)，管網(wǎng)出現(xiàn)泄漏條件下進(jìn)行，現(xiàn)場部署1個振動傳感器、兩個壓力傳感器及1個流量傳感器，每隔3 min采樣一次噪聲、壓力和流量數(shù)據(jù)，總計采集12組數(shù)據(jù)(表2)。由于漏水流量相對較少，相鄰兩個壓力傳感器數(shù)值差較小或近似相等。由于非灌溉時間，流量近似為零。因此，主要通過噪聲進(jìn)行預(yù)判，采集的振動噪聲數(shù)據(jù)超過預(yù)警值80 dB，狀態(tài)標(biāo)識為1，顯示報警。

表2 管網(wǎng)漏損條件下傳感器采集數(shù)據(jù)Tab. 2 Data acquisition by sensors under the condition of pipeline leakage

其次，在管網(wǎng)處于非灌溉時段內(nèi)，采集正常非漏損條件下四組數(shù)據(jù)(圖13)。噪聲數(shù)據(jù)累加值最大為12 dB，小于預(yù)警值80 dB，狀態(tài)顯示正常。

圖13 管網(wǎng)正常情況下傳感器噪聲數(shù)據(jù)

4.3 傳感器數(shù)據(jù)無線傳輸試驗

為測試傳感器數(shù)據(jù)通過4G無線通信模塊傳輸?shù)慕研?，測試數(shù)據(jù)發(fā)送(Send_data)、接收(Rece_data)、丟包率(Lose_data)及其延時響應(yīng)時間(Delay_time)，采用實時多次數(shù)據(jù)傳輸方法，獲取六組測試數(shù)據(jù)(表3)。

表3 傳感器數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收數(shù)據(jù)Tab. 3 Sensor data packet sending and receiving

試驗數(shù)據(jù)表明發(fā)送(Send_data)與接收(Rece_data)數(shù)據(jù)包數(shù)量一致，數(shù)據(jù)傳輸完整，未出現(xiàn)損失現(xiàn)象，數(shù)據(jù)在無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)难訒r響應(yīng)時間小于1.8 s，驗證了傳輸控制協(xié)議面向連接并且可靠，說明傳感器數(shù)據(jù)在無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸具有較好的健壯性。

5 結(jié)論

1) 通過傳感器、嵌入式開發(fā)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)了農(nóng)田灌溉管網(wǎng)漏損智能無線智能監(jiān)測系統(tǒng)，以STM32F407核心處理器為硬件設(shè)計基礎(chǔ)，通過4G無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端應(yīng)用管理服務(wù)器，同時開發(fā)了上位機(jī)數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用分析系統(tǒng)。

2) 開展了監(jiān)測系統(tǒng)試驗，結(jié)果表明傳感器可有效采集農(nóng)田灌溉管網(wǎng)的振動噪聲、流量和壓力信號數(shù)據(jù)，在非灌溉時間測試管網(wǎng)漏損狀態(tài)，采集的噪聲數(shù)值超過預(yù)警值80 dB并進(jìn)行報警。系統(tǒng)可靠性較好，傳感器數(shù)據(jù)在4G無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸完整，無數(shù)據(jù)丟包，平均延時響應(yīng)時間小于1.8 s。應(yīng)用管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢響應(yīng)時間小于1.2 s。

3) 云端應(yīng)用管理系統(tǒng)可實時監(jiān)測灌溉管網(wǎng)的振動噪聲、流量和壓力等傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)報警設(shè)置與監(jiān)測、數(shù)據(jù)查詢、固件升級、數(shù)據(jù)分析等功能。系統(tǒng)部署簡單快捷，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)田灌溉管網(wǎng)監(jiān)測，具有較好的應(yīng)用前景。