供水管水压远程智能监控系统分析与设计

摘要

目前，中国水资源短缺，使用情况面临着矛盾，一边水资源缺少，为调水解困要投资千亿元，另一边，水资源的低效使用，浪费现象十分严重，其中水的低效使用主要是由供水网管的漏损造成。漏损的控制早已经是全世界关注的课题。理论和研究都表明，压力管理是一种非常经济、有效的降损方法，其对降低管网漏损、预防爆管、控制渗漏反弹、延缓检漏周期以及维护检漏成果起到了积极的作用。
　　压力管理的核心在于压力的监控，结合如今移动互联网时代的物联网、工业4.0等概念，供水压力管理的“物联网化”势在必行。因此，本文分析设计了一种供水管道减压阀压力的远程智能监控系统，本系统包括下位机智能控制器无线终端和上位机Web压力管理系统服务器两部分，主要的内容包括如下几方面:
　　(1)设计使用压力控制减少整个管网漏损的方案，根据原有的压力控制阀门系统，本文分析研究了一种新的控制方式，开发了一款智能控制器终端通过液压驱动阀门来控制出水压力;
　　(2)分析和设计智能控制器终端，控制器的中央处理器选TI公司的MSP430低功耗单片机，结合压力流量传感器技术、电气液技术、嵌入式技术、GSM/GPRS模块的通信技术，实现产品要求的低功耗、时间闭环控制、定时压力监测、液晶菜单界面显示与按键设置等任务要求。
　　(3)上位机压力监控系统前台是基于B/S模式搭建通过浏览器监控，后台基于C/S模式搭建用以Socket通信，采用Java的MVC技术和SQLServer数据库搭建。由于整个控制系统功能要求的复杂性，需要分析和验证下位机无线终端控制器与上位机Web服务器通信协议设计的可靠性。Web服务器还需要在应用层面上搭建与第三方软件的通信协议，使得有权限的第三方软件也能实现监控的功能。
　　(4)管网水压是本系统控制对象的核心，本文设计研发了系统专用控制驱动算法。外界因素造成供水压力波动时，控制器微调执行器须能维持稳住压力;供水压力需要调到指定压力值时，控制器能以粗调和微调相结合的方式实现。下位机控制器选用了μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统来保证设备的实时性与快速响应性，用以实现实时控制阀门工况现场的压力，并且快速响应供水压力参数上报压力管理系统的数据、执行管理系统下发的控制设置等任务。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 项目研究背景和意义

1．1．1 研究的背景

1．1．2 研究的意义

1．2 供水管漏损分析与检测技术

1．2．1 漏损分析

1．2．2 检测相关技术

1．3 压力管理的理念及意义

1．3．1 漏损与压力的关系

1．3．2 压力管理的理念

1．3．3 压力控制方法的研究

1．4 课题主要研究内容

1．5 本章小结

第2章 系统总体方案与控制流程分析

2．1 原供水压力控制系统

2．1．1 原阀门系统先导减压阀的工作原理和作用

2．1．2 套筒节流阀工作原理

2．1．3 原阀门控制系统

2．2 减压阀执行器接口自动控制方案

2．3 压力管理系统综述

2．4 本章小结

第3章 控制器控制板硬件设计

3．1 硬件控制电路板综述

3．2 芯片选型与电路设计

3．2．1 中央处理芯片选型

3．2．2 无线通信模块

3．2．3 液晶屏显示模块

3．2．4 时钟模块

3．2．5 数据存储模块

3．2．6 信息参数采集模块

3．2．7 驱动输出模块

3．2．8 PCB设计与控制卡

3．3 控制器整体结构设计

3．4 本章小结

第4章 WEB压力管理系统设计与通信协议

4．1 减压阀上位机管理系统

4．1．1 软件的结构功能设计

4．1．2 数据库设计

4．1．3 管理系统前台设计

4．2 基于TCP／IP协议的Socket远程通信

4．2．1 GPRS通信原理及应用特点

4．2．2 Socket无线远程通信

4．2．3 第三方软件通信协议

4．3 本章小结

第5章 嵌入式系统与控制算法验证

5．1 非嵌入式操作系统

5．1．1 主函数顺序调用的结构

5．1．2 条件分支调用一般结构

5．1．3 时间片轮询结构

5．2 嵌入式操作系统

5．2．1 嵌入式操作系统的产生

5．2．2 μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系统

5．3 减压阀控制卡监控嵌入式程序

5．4 FatFs文件系统

5．5 控制算法

5．5．1 控制器原理

5．5．2 程序控制算法

5．6 现场试验测试验证

5．7 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录