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基于物联网的雷达传感器网络在污水管理中的应用

摘要:在事故发生之后,通常不会检测到下水道主要堵塞或溢流等关键废水事件。从环境影响和货币角度来看,这些事件可能代价高昂。提出了一种独立的便携式雷达设备,可对污水泵站(SPS)泵进行无创基准测试。此外,通过配置和部署完整的低功耗广域网(LPWAN),Shoalhaven Water(SW)现在有机会创建“物联网”(IoT)功能的设备,免于依赖移动网络提供商,同时避免现有监控和数据采集(SCADA)遥测骨干网的拥塞。该网络基础设施允许能够进行实时监控的设备警告任何系统故障,提供有效的工具,主动捕获大得多的SPS之间的下水道网络的当前状态。


本文提出了一些新的解决方案,以改善目前SW使用的废水网络管理程序。本文还提供了废水监测网络的完整评论,是首批在澳大利亚提供长距离广域网(LoRaWAN)网络功能的强大测试之一。本文还提供了LoRa协议及其所有功能的综合摘要。结果发现,利用LoRaWAN协议并在地理区域内适当部署的LPWAN可以在城市环境中获得最大20km的传输距离,并且可以达到35km的视线。本文提出了一些新的解决方案,以改善目前SW使用的废水网络管理程序。本文还提供了废水监测网络的完整评论,是首批在澳大利亚提供长距离广域网(LoRaWAN)网络功能的强大测试之一。本文还提供了LoRa协议及其所有功能的综合摘要。结果发现,利用LoRaWAN协议并在地理区域内适当部署的LPWAN可以在城市环境中获得最大20km的传输距离,并且可以达到35km的视线。本文提出了一些新的解决方案,以改善目前SW使用的废水网络管理程序。本文还提供了废水监测网络的完整评论,是首批在澳大利亚提供长距离广域网(LoRaWAN)网络功能的强大测试之一。


本文还提供了LoRa协议及其所有功能的综合摘要。结果发现,利用LoRaWAN协议并在地理区域内适当部署的LPWAN可以在城市环境中获得最大20km的传输距离,并且可以达到35km的视线。本文还提供了废水监测网络的完整评论,是首批在澳大利亚提供长距离广域网(LoRaWAN)网络功能的强大测试之一。本文还提供了LoRa协议及其所有功能的综合摘要。结果发现,利用LoRaWAN协议并在地理区域内适当部署的LPWAN可以在城市环境中获得最大20km的传输距离,并且可以达到35km的视线。本文还提供了废水监测网络的完整评论,是首批在澳大利亚提供长距离广域网(LoRaWAN)网络功能的强大测试之一。本文还提供了LoRa协议及其所有功能的综合摘要。结果发现,利用LoRaWAN协议并在地理区域内适当部署的LPWAN可以在城市环境中获得最大20km的传输距离,并且可以达到35km的视线。

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1、简介

废水收集网络(WCN)是一个很少被考虑的系统,甚至更少见。在澳大利亚东南海岸的新南威尔士州,当地的水和废水管理机构是Shoalhaven Water。该机构拥有超过4660平方公里的网络覆盖范围; 每天收集超过1800万升废水,然后通过1100公里的重力和压力下水道分配进行处理。从这个角度来看,这相当于每天超过七个奥运会规模的废水游泳池。来自家庭的废水通过重力管网传播并收集进行处理。为了服务该系统,Shoalhaven Water利用230多个SPS的下水道泵站(SPS)网络,将废水输送到13个下水道处理厂(STP)之一。图1)。重力主力依赖于重力流动,而加压上升主体需要泵[ 1 ]。


目前,大多数下水道网络的管理比主动更具反应性,只有在这些事件发生后才对重力系统中的堵塞和潜在的下水道溢流做出响应。每次废水溢出事件都必须向环境保护局(EPA)报告,敏感区域受到污染,导致潜在的巨额罚款[ 2]]。目前,SPS的溢流事件通过Shoalhaven Water的监控和数据采集(SCADA)系统进行记录和报警。然而,每个SPS之间的并发症,在上升和重力主管及其相关的检修孔中,只有在报告这些事件后才会引起注意,公众常常在他们的私人住宅或附近的土地上报告。一些系统智能可以在当前的SCADA系统端实施,以提醒Shoalhaven Water工程师和管理人员SPS之间不寻常的流量,但是这仍然没有考虑到未知的情况和潜在的问题,在某些情况下,数十的值得干线公里[之间3,4 ]。


主动检查这些系统是相当昂贵的,估计劳动力,时间,设备和车辆; 下水道检查平均每米管道成本在6美元到15美元之间。因此,检查整个Shoalhaven下水道网络的成本将在6.6美元到1650万美元之间,而不考虑无障碍困难以及私人土地上网络所有部分的后勤工作。这些价格估计因检查所需的时间而变得更加复杂。要被检查管的初始部分的条件由时间的主要最终切片完全将显著恶化[ 5,6 ]。


使用高度侵入性的流量计进行直接测量流量的历史方法,需要挖掘管道,切割和与现有下水道网络串联的流量计[ 7 ]。这种方法给水务公司和居民带来了巨大的成本和不便。此外,流量计仅在加压上升电源中有效,其中液体被泵出SPS。目前还没有可行的解决方案来全面监测重力主网络内的废水流量[ 8 ]。需要一个新的WCN系统管理流程。


在[ 9 ] 发表的初步研究之后,本文描述了开发和安装两个本质上捆绑在一起的主要项目的经验:


(1)

一种便携式雷达设备,利用蓝牙WPAN和3G WAN来测量下水道泵站的流量。在论文中我们将其称为下水道泵站通用牵引装置(SPUDD)

(2)

与LoRaWAN网络连接的集成雷达设备,可连续测量WCN的状态,并永久安装在选定的检修孔中。

这些研究的重要性在于它们为世界各地水务公司共同面临的一些共同困难提供了新颖的解决方案:


(1)

一种低成本的方法,用于监测SPS收集井内的废水水平,并间接地准确估算相应的泵流量。

(2)

一个关于LoRaWAN网络实际实施的实际案例研究,用于建立遍布WCN的远程传感器通信,保持持续监控。

在第5节中,我们详细介绍了类似的流量测量系统。这些包括一个二维(2D)取样装置[发展10 ],一个计算机基于视觉的系统[ 11 ],自校准衍生流动系统[ 12 ],这两个数学和液压建模方法[ 13,14 ]和实时绩效评估系统[ 15 ]。但是,我们在这里提出的系统更实用,可扩展,并且具有比本领域中呈现的成本低得多的成本。


第2节描述了该项目的方法,包括设备硬件的推理和选择。第3节包括所有现场测试的实施,结果和分析。第4节讨论了这些实现,而第5节,第6节,第7节和第8节分别包括对当前研究的回顾,LoRaWAN技术的背景,结论和未来的工作。


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