城市排水管网是个典型的“平时看不见、堵了才着急”的系统。过去几年做污水提质增效和防洪排涝项目大家逐渐达成了一个共识管网里的液位数据是判断管网运行状态最直接、最省钱、也最不容易造假的一个指标。相比于流量计液位计安装简单、不破坏管道结构、几乎不产生阻水而且能通过液位的日变化曲线反推出很多有意思的结论比如外水入侵、管道淤积、下游顶托、雨天入流等等。但这套东西真正落地的时候有一个非常现实的门槛——供电和通信。检查井里没有市电井盖盖上以后又是个封闭的法拉第笼传统的在线监测设备在这种环境下往往撑不了几个月。所以这些年“微功耗遥测终端”这个品类逐渐成了排水管网监测的标配它的核心竞争力就一句话用极低的能量完成感知、传输、上报这一整条链路。这篇文章就把这套设备从选型、安装、调试到运维的完整链路拆开讲一遍重点说说微功耗是怎么实现的、电池续航该怎么估算、安装时哪些细节会让你返工、以及运行了大半年以后最容易踩的坑。1. 内容整体设计与思路拆解1.1 这套系统的本质采样、传输、上报的能量经济学先讲一个概念。排水管网液位在线监测系统典型的架构是三层感知层液位计负责把液位高度变成电信号传输层遥测终端RTU负责采集信号、暂存数据并上传到云端平台层监控软件负责解析、存储、展示数据并产生报警听起来很简单但把这套逻辑放在一个直径 700mm 的污水检查井里问题就复杂了。首先你不能有一条外部供电电缆。检查井大多埋在市政道路下周围是压实的基础和管线你不可能为每个点位拉一条 220V 线路即便拉了汛期井内泡水、施工破坏、雷击感应都是不可控的安全隐患。所以设备必须自带电池而且电池要撑得住少则一年、多则三年不能换。这就带来了一个尖锐的矛盾通信最耗电但液位数据恰恰需要周期性回传。以市面上最常见的 GPRS 模块为例一包 1KB 的数据上报一次电流在瞬间可能冲到 2A如果设备每小时上报一次一年累计下来的耗电量不是一个小数目。更别说管网液位带有明显的“时间动态特性”——白天的污水排放高峰、凌晨的低谷、雨后的急涨急落如果采样频率太低会丢掉关键的变化过程如果太高电池扛不住。所以整套系统设计的第一性问题不是“准不准”而是“怎么在维持数据价值的情况下把采样和上报的能量开销压到最低”。微功耗遥测终端本质上就是在解决这个问题。1.2 为什么液位计比流量计更适合管网监测这里补充一个常被忽视的背景。很多业主第一次做监测项目时会问既然要掌握管网的运行状态为什么不直接装流量计流量计确实能给出“每秒多少升污水”这个绝对量但它有三个问题一是对安装工况要求高。管道必须满管或至少保持稳定的半管流态但排水管网绝大多数时候是非满管的重力流液位忽高忽低流速测不准流量换算就全是误差。二是施工成本高。贯通式流量计需要断管安装外夹式超声波流量计对管道材质和口径敏感在小管径、老管道上误差大到没法用。三是淤积影响大。排水管网中泥沙和杂物很多探头一旦被污物覆盖数据直接失效。液位计就没有这些问题。液位本身就是一个“状态量”不需要流体力学模型修正而且检查井本身就是一个天然的监测断面。通过液位高度与管道口径的比值可以判断管道是处于自由流、半满流还是满管压力流。对运行调度来说这个信息量已经足够了。1.3 微功耗遥测终端的核心设计逻辑微功耗遥测终端行业里常叫做“低功耗RTU”或者“微功耗遥测终端机”它的设计逻辑主要有三条常态深度休眠。设备大部分时间处于微安级的待机状态时钟芯片或RTC模块一直工作其他所有外设全部断电。定时唤醒采样。按预设策略醒来依次给传感器供电、等待稳定、采集信号、存储数据然后再进入休眠。通信模块按需启动。数据积攒几帧后一次性唤醒通信模块完成批量上报随后立刻断电。听起来很简单但实现起来有很多细节。比如传感器的“稳定时间”是不同的投入式液位计的压阻式探头通电后需要一定时间才能建立稳定的桥路输出如果唤醒后立刻读数采集到的数值会有较大的跳动又比如无线模块从睡眠模式到可以发送数据需要完成网络注册这个时间在不同信号强度下差异很大必须用代码加以管理。成熟的微功耗终端会把这些时序都封装好用户只需要设置采样周期和上报周期即可。2. 液位计与遥测终端的选型把每一分钱花在刀刃上2.1 先选液位计投入式、雷达还是超声波液位计的选型直接决定了数据的可靠程度也决定了后期运维的烦恼程度。在排水管网这个场景里主流的有三种我分别说下真实使用感受。投入式静压式液位计这几年用的最多的一种。原理是测量传感器所处位置的静水压力再除以液体密度和重力加速度得到液位。它有两个显著优势一是便宜几百块就能买到质量不错的工业级产品二是安装极简探头往井里一吊就行不需要对准什么。但它有两个天生的毛病要注意导气电缆的呼吸效应。压阻式传感器测的是相对压力线缆内部有根导气管直通大气做气压补偿如果这根管口被水汽或者灰尘堵住大气压力补偿失效液位会随当地气压变化而漂移。所以选设备时要选带防水透气膜的型号安装时也要将导气管口朝下固定防止雨水直接侵入。零点漂移。长期泡水后膜片上的污物和静压疲劳会导致零点缓慢漂移后期需要定期校零这个在后文会展开讲。雷达液位计这几年越来越普及。80GHz 的调频连续波雷达个头已经做到拳头大小精度和超声波完全不在一个量级。它的一个巨大优势是测量不接触水体完全不怕污水腐蚀和淤泥覆盖。但雷达的价格高一个量级而且在检查井中需要注意安装角度和盲区问题如果井壁粗糙或井内有横管干扰容易出现杂波。超声波液位计原理是测量超声波从探头到液面的往返时间。因为是非接触式安装相对干净。但在排水井里它的缺点比较致命——温度变化和蒸汽会影响声速污水井中经常有热蒸汽或者冷凝水珠声波会被折射、衰减导致数据跳变。而且超声波探头表面一旦结露测量会直接失效。除非甲方明确要求否则我不太推荐在排水管网里用超声波。2.2 遥测终端微功耗不是嘴上说说选遥测终端RTU时最需要盯住的是三个指标我按重要性排个序待机电流。这个数值直接决定了电池寿命的下限。优秀的微功耗RTU整机待机电流能做到 10uA 以下很多产品标称值能做到 5uA 以内。这个数字的意义很大如果待机电流是 50uA光发呆一年就要消耗 0.438Ah 的电量而如果是 5uA一年只有 0.0438Ah差了整整 10 倍。唤醒时间。从休眠到进入采集状态需要多长时间快一点的设备能在几十毫秒内完成。如果唤醒太慢整个采样周期都会被拉长功耗也会随之上升。工作温度范围。北方的井冬天能达到 -15℃ 左右南方的井夏天闷热高湿电子设备要在 -20℃ 到 60℃ 范围内稳定工作。很多便宜终端标称温度范围很窄实际在低温下电池容量会衰减到标称的 60% 左右选型时要注意换算。另外还必须看通信制式。目前主流的排水管网监测终端普遍用 NB-IoT 而不是 4G。原因在于 NB-IoT 的覆盖能力强在城市里有较深的穿透力检查井盖虽然会屏蔽一部分信号但绝大多数场景下 NB-IoT 都能成功驻网而且 NB-IoT 的平均功耗远低于 4G LTE单次数据上报的电流和时间都小很多。如果项目涉及较偏远地区或者井深很深比如超过 5 米的深井可以考虑带 4G 备用通道的终端主用 NB-IoT信号不好时自动切到 4G Cat.1。但不要标配 4G因为很多 4G 模块在弱信号环境下会频繁尝试驻网功耗飙升电池扛不住。2.3 供电方案对比一次性电池还是太阳能加锂电池排水管网监测点位大多在道路绿化带或者机动车道上,光照条件差用太阳能板并不现实。而且太阳能板加蓄电池意味着设备要露出地面一是影响市容二是有被盗风险三是做防水非常折腾。所以绝大多数情况下的最优解是一次性锂亚电池组 超级电容。锂亚硫酰氯电池Li-SOCl2是低功耗物联网设备的传统选择它的优点是能量密度极高、年自放电率低于 1%很适合“长时间小电流放电”的场景。但它的缺点也很明显大电流脉冲能力差。通信模块唤醒时瞬间需要几百毫安甚至 1A 以上的电流直接向锂亚电池索取会拉低电压严重时电池会钝化导致设备重启。解决办法就是并联一个超级电容或大容量钽电容通信模块的瞬时大电流由电容提供电池只负责平滑充电。这相当于“水库供水”供电稳定且不伤电池。选购电池时还要注意是否带保护板防过放、防短路。井下安装时容易磕碰一旦电池短路冒烟后续麻烦很大。3. 安装与调试安装不到位数据全白费3.1 检查井工况勘察先摸清家底再动手安装前我习惯带队先做一次“井况摸排”这一步看似额外成本却能避免后面大量返工。需要记录的信息包括井深、井径井筒是砖砌还是塑料材质管道口径、管底标高、管口位置井内是否有积水、淤泥深度井盖材质铸铁、复合、水泥这会直接影响天线的安装方式周边是否有遮挡比如路沿石、绿化带、停车场这一步的经验是不要只看图纸。图纸上标注的管径和实际相差很大的情况很常见尤其是老城区一段管道改造过很多次井内甚至会出现管口错位、跌水、侧向接入等复杂情况。只有打开井盖亲眼看了才能确定液位计的安装位置和量程。3.2 液位计安装的三条细节位置、探头的固定方式、线缆保护液位计的安装看起来是“把探头丢进井里”实际远没那么简单。第一位置选择要合理。探头要避开管口上下游的直冲水流区域。比如在合流制管道中如果探头正对着上游管口的来水方向水流会持续冲击探头数据会出现较快的波动而且污水中的砂石会直接磨损探头膜片。常见的做法是把探头安装在井壁偏下游的一侧离管底有一定距离保证探头能测到低液位又不会直接受到水流冲击。第二固定方式是关键。有些施工队图省事直接把探头绑在一根绳子上丢进井里这是最糟糕的做法。因为管网内水位波动时绳子会漂移探头的位置就不固定了数据完全不可靠。推荐的做法是在井壁上打几个膨胀螺栓装一条不锈钢支架或者卡箍把探头固定在一个固定标高处然后用钢丝或工程塑料扎带绑牢。对于安装了雷达液位计的场景要特别注意探头的安装角度和与井顶的距离预留出足够的盲区。第三线缆保护。这个细节百分之八十的项目都会忽略。液位计的线缆从井下延伸到井盖上方这一段如果直接裸露长期在污水的硫化氢气体和水汽环境中外皮很容易老化开裂严重时线缆内部进水信号直接丢失。我用的标准做法是套上不锈钢软管并在井口处做密封处理防止井内气体沿电缆空隙一直倒灌到设备舱。提示安装投入式液位计时务必把导气管口朝下安装并确认它处于不被水淹的高度。否则雨后积水沿着导气管流入传感器整个探头就会报废。3.3 遥测终端安装与天线井盖之下如何保证信号遥测终端一般安装在井壁内侧或者井盖下方的专用支架上也可以放进一体化的井盖监测设备中。特别要提醒的是天线不能直接埋进土里或紧贴金属井盖。很多桩点选在机动车道上的铸铁井盖上金属井盖对无线信号的屏蔽非常严重。实测下来如果内部天线紧贴铸铁井盖NB-IoT 的信号强度会下降 20dB 以上甚至无法驻网。解决办法有几个使用带外置天线接口的终端天线用工程塑料支架固定在井筒侧壁头部朝向井口方向在井盖上开一个专用的“天线孔”使用专用的盖装天线做成一个完整的安装方案使用带磁吸底座的延长天线把天线固定在井口边缘的金属框架上此外井内湿度特别大很多终端在安装时做好防水远远不够电路板还要再灌封一层三防漆。否则运行几个月后检查井的潮湿气体顺着线缆进入设备舱电路板上的金属触点会氧化发黑出现数据时好时坏的诡异故障。3.4 调试验收上线前必须做三件事设备装完不代表项目结束。在上线验收前我一般会做这样三个动作量程校准。用标尺实测井底到探头的实际安装高度和终端配置的量程做比对。如果差 20cm后续平台上的所有数据都偏 20cm这种错误非常隐蔽必须现场纠正。信号测试。把终端放在井内合上井盖连续测三次信号强度和上报成功率。注意测试时要模拟真实工作状态不能开着井盖测完就算过了。我碰过不少设备开着盖信号好得不行一盖盖就掉线就是因为天线位置不对。数据上云验证。在平台端查看上传的数据和手持液位计实测值做对比误差一般要求不超过满量程的 1%。如果只是微小的偏差可以通过软件的修正值补偿掉。4. 微功耗原理与电池续航估算4.1 设备功耗由哪些部分构成说完了外围的安装回到核心的功耗问题。一台微功耗遥测终端的日均耗电量可以用一个公式来估算日均功耗mWh 待机功耗 × 24h 单次采样功耗 × 采样次数 单次上报功耗 × 上报次数注意这里的“上报次数”和“采样次数”经常不一样——很多设备配置成“多次采样、一次打包上报”。比如每 5 分钟采一次液位每 30 分钟上报一次那就是每天采样 288 次上报 48 次。通信模块只在 48 次上报时才会被唤醒这就能省下大量能量。4.2 一个具体的电池续航测算案例我拿一个比较典型的配置来算一笔账大家感受一下数字量级。假设电池组容量19Ah 锂亚电池额定电压 3.6V总能量约为 68.4Wh待机电流10uA待机功耗约 0.036mW采样周期5 分钟一次每次采样时间 2 秒平均电流 20mA折算能量约为 0.04mWh/次上报周期30 分钟一次每次上报 5 秒平均电流 200mA折算能量约为 1mWh/次电池组放电效率按 85% 折算低温、自放电、内阻损耗等计算待机一年耗电0.036mW × 24h × 365 315mWh采样一年耗电0.04mWh × 288次/天 × 365 ≈ 4205mWh上报一年耗电1mWh × 48次/天 × 365 ≈ 17520mWh全年合计约 22040mWh可用能量68.4Wh × 0.85 58.14Wh续航时间约等于 58140mWh ÷ 22040mWh ≈ 2.6 年。这个结果在行业内比较常见——一年半到三年的续航正好是一个合理的运维周期。如果你把上报频率改成 5 分钟一次上报功耗会翻 6 倍续航会迅速跌破一年半。注意上表中的数字是近似估算实际功耗受信号质量影响极大。在弱信号区域通信模块会提高发射功率并且延长连接时间实测功耗可能比估算值翻倍。所以做方案时一定要预留至少 20% 的余量。4.3 微功耗策略的两种升级玩法除了定时上报很多时候我们需要“事件触发上报”这也是微功耗终端区别于传统 RTU 的重要能力。比如阈值触发液位超过某个设定高度立即上报一次这是防洪排涝报警的基础逻辑变化率触发液位在短时间内剧烈上升比如 5 分钟内上涨超过 20cm判断可能有突发外来水立即上报平台下行远程唤醒平台端可以主动下发命令让休眠中的终端立刻醒来执行一次临时采样上报这些功能本质上都是在“低功耗”和“实时性”之间做权衡。没有这些逻辑的终端哪怕硬件功耗设计得再好实际投入使用仍会觉得不灵活。5. 常见问题与排查技巧实录5.1 数据长期不变监控曲线“画直线”的真相这个是我遇到频率最高的故障。某点位液位曲线连续几天都是横向直线平台上看不出任何波动但人工掀开井盖一看井里明明有水。排查思路要按下面的顺序来先确认探头是否被淤泥或垃圾埋住。排水管网中雨天的泥沙和厨余垃圾最容易把投入式液位计的探头埋住。被埋后探头感受到的是泥沙压力而不是液位变化数据自然就不动了。检查探头是否被卡在井壁上。有些井内安装支架老化松脱探头晃动后卡在管口或井壁凸起上测量位置已经脱离了实际水位。检查线缆是否断线或接头松动。液位计是模拟信号输出通常是 4-20mA 或 RS485 数字信号如果断线终端读到的数值会固定在一个极值。对这类问题平台侧的判断逻辑也很重要。可以在报警规则里配置“液位在 X 时间内无任何变化且与上次有效均值差异过大”系统自动生成一条疑似失效预警这样运维人员不用等接报就能主动处理。5.2 数据漂移与零点漂移液位读数和实测对不上另一种常见的现象是设备刚装好时液位读数准的过两三个月之后同一个井里用便携式液位计实测发现差值越来越大甚至偏了 20-30cm。这基本上是传感器零点漂移导致的。投入式液位计的敏感元件长期处于污水中膜片受到温度变化、化学腐蚀、机械应力等影响零点会缓慢漂移。解决办法要分层现场维护人员每三个月做一次零点校准。具体做法是把探头从井中提出放到大气压下此时输出应为 0或 4mA如果读数不为 0记录下来在终端或平台上做偏移补偿。如果漂移量很大且反复出现就要考虑探头是否已经损坏直接换新。有条件的话多做一次“干湿两态校验”把探头放到已知水深的水桶里校一次量程保证满量程输出也准确。5.3 数据上报中断设备“失联”了怎么办这类问题往往是最棘手的因为设备在井下你没有直观手段。先看是不是电池亏电。很多终端有电池电压遥测功能可以在平台上查看电池电压曲线。如果数据显示电压在不断下降最后掉到保护阈值以下那就是没电了直接安排换电池。这里有个经验值锂亚电池的电压在放电末端会有一个比较明显的“拐点突然下跌”并不是一条平滑下降的曲线所以日常看电压变化时如果发现异常跳变就要警惕了。再看是不是通信模块掉网。NB-IoT 模块时间久了偶尔会“死模”——模块进入到某种异常状态不再主动注册网络。这种情况可以通过平台下发指令让终端远程重启一遍模块。具备远程维护功能的终端会省很多事否则就要到现场打开井盖人工断电重启。最后看是不是存储满了或者程序卡死。如果终端本地存储的数据量太大或者程序在某个特殊分支上出了 bug设备会进入异常状态。好的终端厂商会支持远程升级固件能在不拆机的情况下修复大部分问题。所以招标采购时远程升级能力应该作为关键指标列入。5.4 安装设计与调试环节最容易犯的四个错误这里把我在现场反复纠正过的问题集中列一下都是真实教训量程配置错误。液位计量程选了 0-5 米但现场井深只有 2 米导致平台端整个数据曲线被“压缩”在底部看不清细节变化白白浪费了 ADC 的分辨率。正确做法是量程应是实测可能最高液位的 1.2-1.5 倍留出合理裕度但不要过大。天线安装不规范。内部天线紧贴金属井盖或者线缆被压在终端底下这两种情况都会造成信号大面积衰减。最稳妥的做法是拿信号测试仪现场测一遍找到一个信号最好的位置再固定。忽视了井下的冷凝水问题。夏季的昼夜温差让井壁大量结露水珠会顺着线缆流向接头导致绝缘下降。安装时把所有对外接头都朝向下方并涂抹硅脂增强密封这是低成本但非常有效的方法。应急预案考虑不周。排水管网监测点位在汛期是排涝调度的“眼睛”如果设备在暴雨前失联是一件非常致命的事。所以在系统设计之初就要想好“备用链路”NB-IoT 掉线时能否通过 4G 补传数据是否同步存在终端本地恢复后能不能补报6. 平台侧的使用心得与数据价值挖掘设备安装完成只是第一步真正让这套系统发挥价值的环节是数据应用。同行里有个说法液位计是收集数据的平台是让数据“开口说话”的。我参与的几个项目里做得好的平台一般会有这么几个特性一是液位过程曲线叠加降雨量数据。在平台上把液位曲线和附近雨量站的降雨强度曲线放到同一个时间轴上你能直观看到管道液位对降雨的响应时间是多久、峰值滞后多少、退水是否缓慢。这些信息对判断管网是否存在雨水挤占污水空间、是否存在下游瓶颈非常有帮助。二是上下游液位关联分析。在一个排水片区里如果上游液位不高但下游液位长期偏高那大概率是下游管道存在淤积或者下游泵站能力不足。两个点位的数据互相印证比单点看曲线有效得多。三是夜间最小液位对比。正常情况下污水管网凌晨 2 点到 5 点之间的液位应该是最低的。如果某个点位夜间液位降不下去甚至不降反升往往出现在外水入侵严重或者地下水渗入的区域。这个特征是做管网健康诊断的一个重要依据。我自己的体会是微功耗液位监测设备的硬件部分其实已经非常成熟了选型对了、安装规范了大部分项目都能安安稳稳跑上两三年。真正拉开差距的是能不能把液位数据用起来和降雨、流量、泵站运行数据一起形成一个完整的管网运行画像。在管网监测这件事上“装上”只是开始“用好”才是目的。