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水资源监测、使用管理和水质监测,案例解读水资源环保监测管理的新科技范儿

在近日举办的第七届EEVIA年度中国ICT媒体论坛暨2018产业和技术展望研讨会上,ADI电源产品中国区市场总监梁再信首次向媒体提及该公司在洱海水质监测应用中的方案技术,提到低功耗无线传感器网络在其中的成功应用,以及能量采集解决传统无线传感器网络能源可持续应用的问题,为当前的水资源管理提供了一个新的科技范本。

其实水资源管理不仅仅是水质的监测,还涉及更多的环节,包括水源监测、科学用水管理,等等。此外,由于水资源管理很多时候是有公益性质,如何以低实现成本、低维护成本来完成监测管理成为实施方案时的主要挑战。在ADI近期公布的水资源相关成功应用案例中,我们发现除了洱海水资源监测之外已经有多款成功方案在业内披露。利用新科技方案提高水资源使用效率,加强水质量环保监测已经成为当前水资源管理的一种新趋势,不妨从几个公开案例解读水资源环保监测管理的新科技范儿。

水源管理——山地积雪水资源预测

水在自然界中自然循环,从而带动地球生机勃勃。其实除了自然降雨,自然界中的水很大部分还来自于积雪以及每年储存在积雪中的地表水。这对于美国尤其是如此,因为此类水源的用户每年为美国的国内生产总值贡献达到1.7万亿美元。此外,积雪信息可用于预测干旱和洪涝灾害,在公共与私营经济部门之间均等地分配水资源,而且对于农业规划也是很关键。但是,支配积雪、融雪和地表水的过程并不为大众所熟知,因为这通常很难测量。近年来,研究人员一直所依靠的是零星部署在陡峭地形和极端环境情况之偏远地点的有线传感器,但常常因为这些有线网络过于昂贵、不可靠、以及难以维护,且由于数据点过少而无法创建流域的态势图。

加州大学伯克利分校的一个项目组尝试探索改善大规模环境监测的方法,并转向无线传感器网络以了解该技术是否能够实现一种更有效、可扩展和坚固的解决方案,这种解决方案在同一个无线电频段内需要具有多个节点,即使对于高频数据传输也能依靠电池运行至少一年,而且可在非常严酷的环境中正常运作。

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最终ADI公司的Dust Networks SmartMesh技术进入该项目组的视线,他们利用一个含有57 个无线节点的网络在23个测量位置上部署了300多个传感器,用于收集和传输国王河实验流域内的相关数据。这些节点具有高度集成的硬件,以及用于实现简单集成的可配置软件接口。节点每15分钟从负责测量积雪深度、太阳辐射、相对湿度、土壤水分和基质水势、以及温度的远程传感器组传送一次数据。有些节点直接连接至传感器组,其他则用作“中继站”,以提高通过山脊、岩层露头和森林进行数据传输时的可靠性。

用水监测——葛兰素史克工厂用水测量

位于爱尔兰科克(Cork) 的葛兰素史克(GlaxoSmithkline) 工厂制造许多处方药配方中使用的主要原料。为了提高生产率,葛兰素史克希望增加两个新的储水箱并测量用水量。葛兰素史克不断地寻求通过增加测量参数来提升工厂表现。用水是工厂的一笔巨大的开销,因此通过监视水流量来控制水的消耗并帮助确定使用趋势非常重要。然而新的储水箱和管道系统安装在距离主控制室大约100英尺的地方,需要考虑避免因开挖沟槽和铺设通信及供电电缆而带来的巨额成本,以及无需中断工厂运转或数据收集的情况下实现这个工程目标。

葛兰素史克选择了艾默生过程管理(Emerson Process Management) 的 Rosemount智能无线流量和压力变送器。通过运用Dust Networks SmartMesh技术,Rosemount 智能无线产品系列构建了一种富灵活性、可靠和安全的无线网格传感器网络,通过该网络即可传输传感器数据,并无需开挖沟槽和铺设电缆,从而显着地降低了安装成本。Dust Networks 的SmartMesh 无线网格网络系列节点和管理器是一个灵活且可靠的无线网格网络解决方案,具有全面的安全管理和先进的网络管理功能。这种自形成、自愈和自保持型智能网络易于扩展,并能支持大型、密集网络。利用Rosemount智能无线变送器,葛兰素史克工厂自己的设备技术人员就实现了安装,网络自动地发现它们并在验证通过之后将之添加到网络。

水质监测——洱海水污染监测

云南大理洱海的水质由于受到的周边宾馆饭店和村庄污水排放的影响不断下降,当地政府正通过建设污水处理系统进行治理。过去的监控系统是用4G技术来支持,但带来几个方面的问题:网上传可靠性问题;成本比较高。在4G技术之外,也有人用网关的方式来实现,但同样解决不了可靠性高的局限性。改用Dust Networks无线传感网络不仅可靠性很高,功耗很低。在再加上能量采集技术,此套解决方案基本上可以做到整个模块永远不需要维护。

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洱海监测方案功能图

新技术应对水资源管理的技术挑战的几个关键

无论是中国本地的洱海水质监测还是前面的全球项目,我们不难发现水资源监测、应用监测、水质测量的传感器网络解决方案都必须考虑几个关键要素:无线传输可靠性,施工和维护管理的低成本,以及低功耗。

例如在第一个案例中:如果采用当初的设计和执行堆栈级控制和复杂网络算法以提供所需的特性,其环境监测系统肯定需要长得多的时间(甚至多出数年之久) 才能建立起来;很多商用无线系统都能够在两点之间传输数据,但硬件通常包含了供电功率相对较高的无线电装置,此类装置所需的电能仅靠电池是无法提供的;更有甚者,典型的点对点传输系统是独立运作的,如果多条链路部署得过于接近(即无线电传输范围有重叠),则在节点之间会存在有害的无线电干扰。

综上所述,采用SmartMesh无线传感器网络获得采纳的关键无外乎几大原因:

动态可扩展的网络。支持可自动形成和易于扩展的大型、密集、多跳网格网络,它还提供了安全管理、用于优化传感器布局的详细网络统计数据、确定性的节点电源管理,并可凭借内置的网络状态监控功能实施动态的网络优化。

易于部署和配置简单。长电池寿命、智能网络管理器和坚固的可扩展性。SmartMesh 网络为苛刻都市环境以及野外不确定性环境提供了必需的灵活性和可靠性。

99.99%的高稳定性。SmartMesh产品线经过现场验证,即使在最严苛的环境中也不失稳定性,其为一种完整的网格网络解决方案。它运用时间同步化网格协议以提供网络灵活性、可靠性和可扩展性,同时提供先进的网络管理及全面的安全特性。99.999%的可靠性意味着一年大概有5分钟不是你预测的那种失效。

超低功耗让维护成本更低。其通过负载平衡和优化进一步大幅提升电池效率,可将首次出现需要维护的时间推后。超低功耗技术允许网络节点依靠两节AA 电池连续运行数年。

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