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

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)供水終端漏水監(jiān)測(cè)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(jì)，通過(guò)超聲流量傳感器和人體探測(cè)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(cè)與定位、抗干擾和多種報(bào)警形式相結(jié)合等方面，研究了系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的關(guān)鍵技術(shù)。
關(guān)鍵詞：供水終端；漏水監(jiān)測(cè)；節(jié)點(diǎn)；超聲流量檢測(cè)；嵌入式單片機(jī)

0 引言
    近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了一些漏水檢測(cè)設(shè)備，對(duì)于供水主管道的漏水檢測(cè)起到了重要作用，如：美國(guó)Kay公司生產(chǎn)的漏水檢測(cè)系統(tǒng)，功能強(qiáng)大，但價(jià)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(guó)的某公司生產(chǎn)的F系列漏水、漏液檢測(cè)器設(shè)備，由于沒(méi)有組網(wǎng)，設(shè)備未設(shè)置電話撥號(hào)、短信發(fā)送、郵件發(fā)送等多種報(bào)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(jià)格低，能被大部分單位和個(gè)人能接受的，特別適合于供水終端附近漏水檢測(cè)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(shí)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(jì)
    系統(tǒng)組網(wǎng)主要由一個(gè)主監(jiān)控系統(tǒng)模塊和多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)模塊組成漏水監(jiān)測(cè)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(guò)電話撥號(hào)、發(fā)送短信和聲光等形式實(shí)現(xiàn)報(bào)警，使產(chǎn)生漏水的終端在最短時(shí)間內(nèi)得到及時(shí)維修?，F(xiàn)場(chǎng)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(cè)與識(shí)別，若有終端漏水的現(xiàn)象，通過(guò)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊發(fā)送報(bào)警信息給主監(jiān)控系統(tǒng)模塊，再通過(guò)主監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信息通知維修人員。系統(tǒng)組網(wǎng)與總體設(shè)計(jì)成如圖1所示。

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

[!--empirenews.page--]
2．1 嵌入式工控模板M2080
    M2080-U20是高性價(jià)比的MiniARM工控模塊，采用了LPC2220工業(yè)級(jí)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(shí)操作系統(tǒng)、底層基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫(kù)、中間件軟件函數(shù)庫(kù)(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(jì)，使模塊具有良好的EMC性能及穩(wěn)定性。
2．2 超聲流量檢測(cè)模塊
2．2．1 超聲流量監(jiān)測(cè)的原理
    超聲流量監(jiān)測(cè)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(guò)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(duì)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(hào)為順向；反之為逆向。
    時(shí)差法流量測(cè)量是利用測(cè)量超聲波脈沖在液體中順向傳播和逆向傳播的時(shí)間差來(lái)檢測(cè)流量，具體計(jì)算公式與測(cè)量方法見文獻(xiàn)。
    圖3超聲流量檢測(cè)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(gè)脈沖，提供近100～1000倍的信號(hào)強(qiáng)度，即使發(fā)射脈沖中斷，仍能滿足精確測(cè)量流量所需的足夠信號(hào)，在有一定量的氣泡和懸浮物存在的情況下也能可靠測(cè)量。 它不受流體性質(zhì)變化的影響，這樣就允許單個(gè)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(shí)可以發(fā)射不失真、穩(wěn)定性好及高振幅的聲波信號(hào)，單組傳感器即可達(dá)到較高的測(cè)量精度。
2．3 人體探測(cè)與調(diào)理模塊
    人體探測(cè)模塊的作用是配合超聲流量傳感器的測(cè)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(cè)到供水終端已經(jīng)打開，再通過(guò)人體探測(cè)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(shí)十五分鐘再判斷，若仍然無(wú)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(shí)維護(hù)。
    人體探測(cè)模塊采用多個(gè)熱釋電傳感器組成的探測(cè)陣列，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)區(qū)域的探測(cè)。每個(gè)供水終端(如：水龍頭)采用一個(gè)熱釋電傳感器，由微處理器輪流采集每個(gè)傳感器的信號(hào)，在一個(gè)區(qū)域(如一個(gè)洗手間，或者衛(wèi)生間)的所有傳感器中只要有一個(gè)探測(cè)到有人存在即可。
熱釋電傳感器及其信號(hào)調(diào)理電路，如圖4所示。利用三級(jí)放大電路，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器W1和W2，可使輸出信號(hào)的幅度為0～3．3V的信號(hào)，然后通過(guò)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。

[!--empirenews.page--]
2．4 無(wú)線收發(fā)模塊
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用RFC-33A遠(yuǎn)距離無(wú)線通信模塊，采用nRF905無(wú)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(shí)才會(huì)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(wú)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(jì)
    主監(jiān)控系統(tǒng)是以AT89S52為控制芯片，配以電話撥號(hào)芯片、短信收發(fā)GSM模塊、聲光報(bào)警電路等多種報(bào)警方式電路，將漏水位置報(bào)警信息發(fā)送給維修人員，以得到及時(shí)維修。同時(shí)主監(jiān)控系統(tǒng)配有LCD顯示電路和無(wú)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(chǎng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的漏水位置信息。
    GSM無(wú)線短信收發(fā)模塊采用TC35系列模塊TC35i，它的性價(jià)比很高，并且已經(jīng)有國(guó)內(nèi)的無(wú)線電設(shè)備入網(wǎng)證，是西門子推出的最新無(wú)線模塊，功能上與TC35兼容，設(shè)計(jì)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(jí)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(yǔ)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(jì)。

4 軟件設(shè)計(jì)
    主要包括主監(jiān)控系統(tǒng)的軟件和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的軟件兩部分。主監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主要由無(wú)線報(bào)警信號(hào)收發(fā)、短信發(fā)送、電話撥號(hào)、聲光報(bào)警和液晶顯示等子程序組成?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)部分軟件主要由流量采集、人體定位與識(shí)別、無(wú)線收發(fā)、聲光報(bào)警、電磁閥控制和延時(shí)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(chǎng)信息的快速測(cè)量；
    (2)采用多熱釋電傳感器實(shí)現(xiàn)人員的探測(cè)與定位，準(zhǔn)確判斷有無(wú)人員，提高了報(bào)警的準(zhǔn)確度，減少了誤報(bào)警的發(fā)生；
    (3)采用了多種報(bào)警形式相結(jié)合的報(bào)警方式，尤其是電話撥號(hào)和短信收發(fā)模塊的運(yùn)用，提高了報(bào)警的及時(shí)性。

6 結(jié)束語(yǔ)
    將高性價(jià)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(jì)要求，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，降低了整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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。