兼容性RTU在水利信息化中的應(yīng)用

摘要：目前市面上的遠(yuǎn)程測控終端（RTU）產(chǎn)品種類眾多，通用性差，可靠性有待提高，急需一款專門針對(duì)水利應(yīng)用兼容度高的RTU產(chǎn)品。通過分析水利信息化系統(tǒng)功能特點(diǎn)，以及應(yīng)用場景的特殊性，提出了一種支持各種水文傳感器，兼容多種無線回傳方式（如：LoRa，NB-IoT，4G，5G），且具有功耗和傾倒自檢的水利RTU設(shè)計(jì)方案。此方案簡化了智慧水利RTU的選型過程，符合未來無線傳輸發(fā)展趨勢，延長了產(chǎn)品壽命，且能在早期發(fā)現(xiàn)故障，避免更大的損失。

關(guān)鍵詞：智慧水利; RTU; 5G; 功耗及傾倒檢測

中圖法分類號(hào)： TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.S1.021

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）S1 - 0071 - 03

0 引 言

中國一直面臨著水資源匱乏問題，供需矛盾突出。人均水資源量1 700 m3，已達(dá)國際公認(rèn)警戒線，且利用率較低，發(fā)達(dá)國家的水利灌溉利用率達(dá)到70%以上，而中國僅為40%～50% [1]。除了水資源的危機(jī)，中國龐大的水路系統(tǒng)網(wǎng)同樣給水利管理帶來了巨大挑戰(zhàn)。一方面是工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水需要大量的人力去巡檢、維護(hù);另一面是高級(jí)水利管理人才的稀缺，在全部水利人員中的占比不足5%。高級(jí)水利人才缺口也成為制約中國水利發(fā)展的重要因素[2-3]。

智慧水利通過互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)等實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)控管網(wǎng)供水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并通過數(shù)字技術(shù)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為可視化圖形[4-5]。智慧水利系統(tǒng)能夠大量節(jié)省人力成本，實(shí)現(xiàn)管理自動(dòng)化。目前國外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)智慧水利管理系統(tǒng)，中國也正在緊跟國際步伐，逐步推廣水利管理智能化。

遠(yuǎn)程測控終端（RTU）是一種基于微處理器（MCU）的智能控制裝置，將指揮中心與像管網(wǎng)一樣深埋地下的各種傳感器（如水壓傳感器、液位傳感器、流量計(jì)、電動(dòng)閥門等）聯(lián)系在一起。RTU與傳感器之間常見的接口有4～20 mA模擬信號(hào)、數(shù)字IO信號(hào)、0～5 V電平信號(hào)以及各種通信協(xié)議;目前回傳數(shù)據(jù)的方式有GPRS，3G，4G，NB-IoT以及LoRa等[6-8]。眾多的接口形式和通信方式，使得RTU廣泛應(yīng)用于油氣、采礦、水利、電網(wǎng)和工廠等眾多領(lǐng)域。這也造成當(dāng)有專門的水利方面需求時(shí)，需要與設(shè)備供應(yīng)商重新溝通，根據(jù)需求在已有成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上剪裁和增補(bǔ)，增加了項(xiàng)目的時(shí)間成本。在無線回傳方面，GPRS容易受到干擾[9]，且面臨退網(wǎng);相較于4G，3G，2G移動(dòng)通信技術(shù)以及其他市面上的無線回傳方式，5G具有明顯優(yōu)勢，必將成為未來的發(fā)展趨勢，所以新一代的RTU產(chǎn)品應(yīng)該兼容5G通信。同時(shí)在水利應(yīng)用的另一個(gè)特殊之處在于RTU往往部署在農(nóng)村或其他人跡罕至的位置，環(huán)境因素復(fù)雜且維護(hù)不易。一旦發(fā)生故障或損壞，即刻都將造成損失。所以市場上急需一種能夠克服上述困難的RTU產(chǎn)品。

1 RTU設(shè)計(jì)思路

水利RTU應(yīng)具備如下功能：① 支持M Bus，Mod Bus，HART協(xié)議解析;② 具有RS485通信接口;③ 檢測4～20 mA信號(hào);④ 小范圍LoRa協(xié)議自組局域網(wǎng);⑤ 4G，5G或NB-IoT回傳遠(yuǎn)端服務(wù)器;⑥ 氣壓檢測功能;⑦ 蓄電池負(fù)載異常檢測功能等。其典型應(yīng)用場景及架構(gòu)如圖1所示。

從圖1中可以看出，RTU主要采集各種水利傳感器的數(shù)據(jù)，無線回傳方式以4G，5G和NB-IoT為主，當(dāng)應(yīng)用范圍較小時(shí)，也可以使用LoRa自組網(wǎng)，減少對(duì)公網(wǎng)環(huán)境的依賴，降低維護(hù)成本。根據(jù)目標(biāo)功能，設(shè)計(jì)的RTU大致可分為電源及MCU、傳感器、無線回傳以及保護(hù)機(jī)制4個(gè)功能區(qū)。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2 功能設(shè)計(jì)

2.1 電源及MCU

RTU采用目前市面上最常見的24 V電池供電方案，并配有太陽能充電板。使用STM32L475作為MCU，其功耗極低，最低功耗僅100 uA，配合RT-Thread系統(tǒng)非常適合水利RTU這種野外應(yīng)用場景[10]。

2.2 傳感器接口

在水利應(yīng)用中，主要涉及的傳感器有：① 液壓計(jì)，數(shù)據(jù)接口4～20 mA，0～5 V或者485通信;② 水位計(jì)，數(shù)據(jù)接口4～20 mA，0～5 V或者0～10 V;③ 流量計(jì)，4～20 mA，0～5 V，485通信或HART接口等等。參考圖1并經(jīng)過綜合考量，以一個(gè)泵站的接口需求為藍(lán)本，RTU預(yù)留8路ADC接口，2路TTL電平接口，2路RS485接口，1路HART協(xié)議接口以及1路M Bus協(xié)議接口。這種配置完全滿足智慧水利各種關(guān)鍵點(diǎn)位的傳感器種類和數(shù)量需求，且當(dāng)RTU被配置在水表井或其他戶外水井對(duì)傳感器接口需求減少時(shí)，可直接空貼對(duì)應(yīng)模塊，無需其他硬件或軟件調(diào)整，大大簡化了不同項(xiàng)目中的選型難度，降低了溝通成本和時(shí)間成本。

以HART接口為例進(jìn)行說明。HART協(xié)議接口是美國Rosemount公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間雙向通信的協(xié)議規(guī)程。它是在4～20 mA的模擬信號(hào)上疊加FSK+（Frequency Shift Keying，頻移鍵控）數(shù)字信號(hào)，可以兼容模擬和數(shù)字兩種信號(hào)的半雙工通信協(xié)議[11]。由于FSK并不影響直流分量，所以在進(jìn)行HART通信時(shí)并不會(huì)對(duì)測量結(jié)果造成影響。其調(diào)制和解調(diào)需要用到專門的芯片AD5700，電路如圖3所示。R7為承載電阻，將4～20 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0.8～4.0 V電壓信號(hào);R8和C7組成低通濾波器，將信號(hào)送入ADC采樣。從圖3中可以看出“HART_INPUT”信號(hào)是經(jīng)過交流耦合進(jìn)入AD5700的，所以當(dāng)不需要使用HART功能時(shí)，只需空貼U7即可，既不影響正常的信號(hào)采樣，又節(jié)省了成本。

2.3 無線回傳接口

如上文所述，RTU常用的無線通信方式為LoRa，NB-IoT，GPRS等，其中NB-IoT已普遍用于智能抄表等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[12]，但在水利場景下不排除個(gè)別地區(qū)沒有NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋，所以兼容型的RTU應(yīng)該具備多種通信方式。LoRa技術(shù)具有通信距離遠(yuǎn)、運(yùn)行可靠、低功耗、低成本等特點(diǎn)，在郊區(qū)最大傳輸距離可達(dá)15 km，非常適合小范圍組網(wǎng)[13]。相較于4G，3G，2G移動(dòng)通信技術(shù)，5G通信不僅在帶寬、時(shí)延、功耗上有較大優(yōu)勢，還具有安全、高效、方便、快捷等特征，5G+物聯(lián)網(wǎng)模式正在以極快的速度發(fā)展[14]，尤其是現(xiàn)在越來越多的水利站點(diǎn)配合視頻監(jiān)控使用，RTU的5G信道完全可以涵蓋龐大視頻流的需求。綜上所述，本設(shè)計(jì)兼容NB-IoT通信、LoRa組網(wǎng)以及三大運(yùn)營商的3G，4G，5G通信。多樣性的設(shè)計(jì)使RTU可應(yīng)用于水利工程的各種場景：① 當(dāng)施工場地?zé)o線環(huán)境良好時(shí)，使用NB-IoT傳輸，成本低，功耗小;② 當(dāng)施工場地沒有NB-IoT覆蓋時(shí)，使用3G，4G或5G通信;③ 當(dāng)施工地點(diǎn)極其偏僻，沒有任何無線覆蓋時(shí)，使用LoRa組網(wǎng)，將數(shù)據(jù)匯總到有無線覆蓋的位置，再統(tǒng)一回傳。此外多種無線通信通過射頻開關(guān)進(jìn)行切換，只引出一個(gè)天線即可滿足不同無線網(wǎng)絡(luò)的時(shí)分復(fù)用。同樣，當(dāng)某些功能不需要使用時(shí)，空貼即可。

2.4 保護(hù)機(jī)制

縱觀現(xiàn)代工業(yè)的各種電子產(chǎn)品，其穩(wěn)定性極為重要，同時(shí)也是最難克服的困難。本設(shè)計(jì)同樣有穩(wěn)定性方面的考量。例如所有對(duì)外接口需要以R+C+D的形式進(jìn)行保護(hù)，即電阻限流、電容緩沖、齊納二極管限幅;內(nèi)部各模塊電路之間，多點(diǎn)接地;模擬數(shù)字地之間用磁珠隔離;射頻鏈路走線兩側(cè)增加地孔，減小輻射干擾等。本設(shè)計(jì)提出功率檢測和傾倒檢測兩種自檢方案。

（1） 功率檢測。即檢測蓄電池輸出端釋放的功率。當(dāng)蓄電池所帶負(fù)載發(fā)生異常時(shí)，往往會(huì)造成能耗變化，例如RS485通信時(shí)，若端接電阻因焊接不良或腐蝕等原因脫落，理論上就會(huì)造成約20 mA量級(jí)的功率變化，而如果傳感器受損時(shí)，波動(dòng)只會(huì)更大。由于RTU是輪詢傳感器工作的，所以當(dāng)檢測到功率異常時(shí)，就可初步判斷是此傳感器或其通信鏈路故障，便可通知指揮中心，有目的性地?cái)y帶備件維修，避免多次往返。同時(shí)，本設(shè)計(jì)不僅可以檢測正功率，還能檢測到太陽能電池板向蓄電池充電的功率，當(dāng)此功率異常時(shí)，同樣可判斷出太陽能充電鏈路損壞。

（2） 傾倒檢測。寧夏的水利項(xiàng)目，由于黃土高原地質(zhì)松軟，且易流失，所以當(dāng)多次大雨沖刷后，RTU所在的安裝立桿發(fā)生了傾斜甚至倒塌，但是由于傳感器安裝于水井中，所以回傳數(shù)據(jù)并沒有發(fā)現(xiàn)異常，直到維護(hù)人員巡檢時(shí)才發(fā)現(xiàn)由于傾倒時(shí)間較久，太陽能充電量極少，縮短了蓄電池使用壽命，且線纜接口有拉扯應(yīng)力，隨時(shí)可能斷路，另外由于天線傾斜，無線信號(hào)時(shí)好時(shí)壞。針對(duì)以上情況，本設(shè)計(jì)加入了傾倒檢測，其原理是檢測RTU所在位置的氣壓變化。本設(shè)計(jì)采用BMP180作為氣壓檢測芯片，低功耗模式下僅5 uA，測量范圍300～1 100 hPa，采樣精度19 bits，分辨力0.21 Pa，誤差2 Pa，當(dāng)海拔高度變化1 m時(shí)，一般會(huì)引起10 Pa左右的氣壓變化，所以當(dāng)RTU安裝立桿發(fā)生傾倒時(shí)，RTU可以敏銳的檢測到氣壓變化的異常，并及時(shí)上報(bào)維護(hù)，避免隱患。

3 結(jié) 語

RTU是智慧水利的重要組成部分，傳感器的準(zhǔn)確性和RTU的穩(wěn)定性，在一定程度上影響著水利決策的正確性。本設(shè)計(jì)在上述方面做出了一些努力，但仍有進(jìn)步空間?？梢灶A(yù)見的是視頻流和控制/數(shù)據(jù)流結(jié)合。目前很多泵站配有視頻監(jiān)控，由于視頻流量大，往往單獨(dú)部署有線網(wǎng)絡(luò)或者4G回傳，在資源上存在浪費(fèi)。此外另一個(gè)發(fā)展方向是本地視頻識(shí)別和決策，其本質(zhì)是在重要地區(qū)部署攝像頭，視頻流接入具有圖像計(jì)算能力的RTU，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，運(yùn)用算法分析問題，并進(jìn)行判斷和決策。以泵站為例，當(dāng)水泵間的水泵因?yàn)槟承┰蛟诔樗畷r(shí)發(fā)生小規(guī)模泄露時(shí)，水壓和流量傳感器很難捕捉到這種細(xì)小的變化，長此以往后果不堪設(shè)想。但是當(dāng)安裝在水泵間頂端的攝像頭將圖像接入RTU，并通過智能分析視頻圖像，研判有水泵發(fā)生泄漏，便可直接關(guān)閉水閘，向指揮中心發(fā)出報(bào)警及時(shí)維修，避免更大的損失。

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（編輯：李 晗）