嵌入式供水終端漏水監(jiān)測節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

摘要：針對傳統(tǒng)供水終端漏水監(jiān)測系統(tǒng)存在的不足和易造成水資源大量浪費(fèi)的具體情況，討論了利用嵌入式單片機(jī)技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計，通過超聲流量傳感器和人體探測熱釋電傳感器的配合實(shí)現(xiàn)漏水的準(zhǔn)確判斷。從人員監(jiān)測與定位、抗干擾和多種報警形式相結(jié)合等方面，研究了系統(tǒng)設(shè)計采用的關(guān)鍵技術(shù)。
關(guān)鍵詞：供水終端；漏水監(jiān)測；節(jié)點(diǎn)；超聲流量檢測；嵌入式單片機(jī)

0 引言
    近年來，國內(nèi)外出現(xiàn)了一些漏水檢測設(shè)備，對于供水主管道的漏水檢測起到了重要作用，如：美國Kay公司生產(chǎn)的漏水檢測系統(tǒng)，功能強(qiáng)大，但價格較高，在單位和家庭大面積的推廣應(yīng)用受到很大限制。我國的某公司生產(chǎn)的F系列漏水、漏液檢測器設(shè)備，由于沒有組網(wǎng)，設(shè)備未設(shè)置電話撥號、短信發(fā)送、郵件發(fā)送等多種報警功能，在很大程度上制約了設(shè)備的推廣應(yīng)用范圍。因此需要研究一種功耗小，價格低，能被大部分單位和個人能接受的，特別適合于供水終端附近漏水檢測的設(shè)備和系統(tǒng)，以便減少因供水終端的意外損壞而不能得到及時維修所造成的水資源大量浪費(fèi)現(xiàn)象的發(fā)生。

1 系統(tǒng)組網(wǎng)與總體設(shè)計
    系統(tǒng)組網(wǎng)主要由一個主監(jiān)控系統(tǒng)模塊和多個現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點(diǎn)模塊組成漏水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。主監(jiān)控系統(tǒng)模塊完成信息的接收處理，并通過電話撥號、發(fā)送短信和聲光等形式實(shí)現(xiàn)報警，使產(chǎn)生漏水的終端在最短時間內(nèi)得到及時維修?，F(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)供水終端漏水位置的準(zhǔn)確檢測與識別，若有終端漏水的現(xiàn)象，通過數(shù)據(jù)收發(fā)模塊發(fā)送報警信息給主監(jiān)控系統(tǒng)模塊，再通過主監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送報警信息通知維修人員。系統(tǒng)組網(wǎng)與總體設(shè)計成如圖1所示。

2 現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計
    監(jiān)控節(jié)點(diǎn)主要包括嵌入式工控模板、超聲流量檢測模塊、熱釋電人體探測模塊、無線收發(fā)電路、聲光報警電路、電磁閥控制等電路組成。硬件組成如圖2所示。

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2．1 嵌入式工控模板M2080
    M2080-U20是高性價比的MiniARM工控模塊，采用了LPC2220工業(yè)級嵌入式微控制器，將ARM最小系統(tǒng)、以太網(wǎng)／CAN／USB控制器、電子硬盤(Flash on Board)等設(shè)備高度集成于小巧的模塊之上，預(yù)裝μC／OS-II實(shí)時操作系統(tǒng)、底層基礎(chǔ)驅(qū)動函數(shù)庫、中間件軟件函數(shù)庫(FAT文件管理系統(tǒng)、以太網(wǎng)、CAN-bus、USB Device／Host／OTG、CF／SD／MMC卡、ZLG500、GPRS／CDMA等模塊)，提供總線保護(hù)設(shè)計，使模塊具有良好的EMC性能及穩(wěn)定性。
2．2 超聲流量檢測模塊
2．2．1 超聲流量監(jiān)測的原理
    超聲流量監(jiān)測采用非侵入式或稱夾緊式超聲流量傳感器，安裝在已有管道上，亦可做成管段式。其基本的構(gòu)成如圖3所示。超聲波通過由塑料制品或金屬材料制成的聲楔進(jìn)入管道和液體，按照斯奈爾定律，始發(fā)的聲波在鋼管的界面上出現(xiàn)橫波和縱波，橫波進(jìn)入液體，而將縱波全反射掉。超聲波進(jìn)入液體后又變成縱波，穿越液體后，經(jīng)斜對面的管壁、聲楔，被超聲換能器2接收。從超聲換能器1到超聲換能器2的聲信號為順向；反之為逆向。
    時差法流量測量是利用測量超聲波脈沖在液體中順向傳播和逆向傳播的時間差來檢測流量，具體計算公式與測量方法見文獻(xiàn)。
    圖3超聲流量檢測原理

2．2．2 超聲流量傳感器選擇
   系統(tǒng)選用DTFX系列小管徑超聲流量傳感器DN20-50， 它的換能器是突發(fā)至多達(dá)每組約100個脈沖，提供近100～1000倍的信號強(qiáng)度，即使發(fā)射脈沖中斷，仍能滿足精確測量流量所需的足夠信號，在有一定量的氣泡和懸浮物存在的情況下也能可靠測量。 它不受流體性質(zhì)變化的影響，這樣就允許單個的換能器在很寬的頻率范圍內(nèi)發(fā)射和接收，在管道上使用時可以發(fā)射不失真、穩(wěn)定性好及高振幅的聲波信號，單組傳感器即可達(dá)到較高的測量精度。
2．3 人體探測與調(diào)理模塊
    人體探測模塊的作用是配合超聲流量傳感器的測量，判斷是否是非正常用水，即是否存在漏水現(xiàn)象。具體判斷方法：若超聲流量傳感器檢測到供水終端已經(jīng)打開，再通過人體探測模塊判斷是否有人在該終端附近，如果有人在，則是正常用水，否則是存在漏水現(xiàn)象，然后延時十五分鐘再判斷，若仍然無人關(guān)掉水龍頭，證明該終端確實(shí)存在漏水現(xiàn)象，再通過現(xiàn)場測試節(jié)點(diǎn)向主控系統(tǒng)發(fā)出漏水的指令，通知維修人員及時維護(hù)。
    人體探測模塊采用多個熱釋電傳感器組成的探測陣列，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)區(qū)域的探測。每個供水終端(如：水龍頭)采用一個熱釋電傳感器，由微處理器輪流采集每個傳感器的信號，在一個區(qū)域(如一個洗手間，或者衛(wèi)生間)的所有傳感器中只要有一個探測到有人存在即可。
熱釋電傳感器及其信號調(diào)理電路，如圖4所示。利用三級放大電路，通過調(diào)節(jié)電位器W1和W2，可使輸出信號的幅度為0～3．3V的信號，然后通過單片機(jī)內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。

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2．4 無線收發(fā)模塊
    系統(tǒng)設(shè)計選用RFC-33A遠(yuǎn)距離無線通信模塊，采用nRF905無線通信芯片，工作于433MHz，開放ISM頻段免許可證使用，最大發(fā)射功率達(dá)到2W，在開闊地帶最大傳輸距離可達(dá)2000m以上。在+33dBm情況下，發(fā)送模式：平均工作電流小于300mA；接收狀態(tài)：平均工作電流為12．5mA。模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機(jī)地址時才會輸出數(shù)據(jù)并提供中斷指示，可直接連接單片機(jī)，軟件編程非常方便，具有超強(qiáng)穿透能力，靈敏度高，可達(dá)到一100dBm，性能穩(wěn)定，可靠性高，適合超遠(yuǎn)距離或復(fù)雜情況下的無線通信、工業(yè)遙控系統(tǒng)等。

3 主監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計
    主監(jiān)控系統(tǒng)是以AT89S52為控制芯片，配以電話撥號芯片、短信收發(fā)GSM模塊、聲光報警電路等多種報警方式電路，將漏水位置報警信息發(fā)送給維修人員，以得到及時維修。同時主監(jiān)控系統(tǒng)配有LCD顯示電路和無線收發(fā)模塊，前者用以顯示供水管網(wǎng)中漏水終端的具體位置，后者用以接收現(xiàn)場檢測節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的漏水位置信息。
    GSM無線短信收發(fā)模塊采用TC35系列模塊TC35i，它的性價比很高，并且已經(jīng)有國內(nèi)的無線電設(shè)備入網(wǎng)證，是西門子推出的最新無線模塊，功能上與TC35兼容，設(shè)計緊湊。TC35i與GSM 2／2+兼容、雙頻(GSM900／GSM1800)、RS232數(shù)據(jù)口、符合ETSI標(biāo)準(zhǔn)GSM0707和GSM0705，且易于升級為GPRS模塊。該模塊集射頻電路和基帶于一體，提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為數(shù)據(jù)、語音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便應(yīng)用開發(fā)及設(shè)計。

4 軟件設(shè)計
    主要包括主監(jiān)控系統(tǒng)的軟件和現(xiàn)場檢測節(jié)點(diǎn)的軟件兩部分。主監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主要由無線報警信號收發(fā)、短信發(fā)送、電話撥號、聲光報警和液晶顯示等子程序組成?，F(xiàn)場檢測節(jié)點(diǎn)部分軟件主要由流量采集、人體定位與識別、無線收發(fā)、聲光報警、電磁閥控制和延時等子程序構(gòu)成。該部分軟件的主處理流程如圖5所示。

5 關(guān)鍵技術(shù)
    (1)采用了嵌入式單片機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信息的快速測量；
    (2)采用多熱釋電傳感器實(shí)現(xiàn)人員的探測與定位，準(zhǔn)確判斷有無人員，提高了報警的準(zhǔn)確度，減少了誤報警的發(fā)生；
    (3)采用了多種報警形式相結(jié)合的報警方式，尤其是電話撥號和短信收發(fā)模塊的運(yùn)用，提高了報警的及時性。

6 結(jié)束語
    將高性價比的MiniARM工控模塊M2080-U20應(yīng)用于本系統(tǒng)，其性能指標(biāo)完全滿足設(shè)計要求，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，降低了整個產(chǎn)品的設(shè)計成本。系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可移植性和廣闊的應(yīng)用前景。此系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于實(shí)際的供水生產(chǎn)中，效果較好。