智能管道漏水信號(hào)采集設(shè)計(jì)

湯佳慧 夏永承 桑軍 李睿誠 杜宇人

摘? ?要：水孕育和維持著地球上的全部生命，是人類生產(chǎn)和生活的重要資源，但在我國，因?yàn)楣艿缆┧斐傻乃Y源浪費(fèi)情況一直都很嚴(yán)重。解決管道漏水、保護(hù)水源不受污染、減少水資源浪費(fèi)等問題迫在眉睫。因此研發(fā)一套能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)漏水情況的儀器來發(fā)現(xiàn)漏水情況的監(jiān)測(cè)是非常有必要的。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展的今天，文章利用其低功耗、低成本、大規(guī)模等特點(diǎn)設(shè)計(jì)一個(gè)管道漏水采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)把聲音傳感器接收到的數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)傳輸給GPRS模塊，最終通過無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和漏水點(diǎn)的定位。

關(guān)鍵詞：信號(hào)采集;GPRS;無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù);上位機(jī)

作為人口大國，雖然我國資源總量十分豐富，但是人均資源占有率卻非常少，尤其是水資源方面。我國南北地區(qū)的氣候差異性，導(dǎo)致水資源的分配嚴(yán)重失調(diào)。同時(shí)，由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民對(duì)生活水平的要求日益提高，我國鋪設(shè)了大量的供水管道來保證人民的用水需求。然而，在供水管道大量鋪設(shè)的背后，管道漏水情況日益嚴(yán)重，不僅造成了水資源的大量浪費(fèi)，在漏水處還會(huì)污染管道中的水，給人們帶來供水不凈的困擾。為了減少管道破裂對(duì)水資源的浪費(fèi)和污染，減少人們的經(jīng)濟(jì)損失，開發(fā)一套完善的漏水信號(hào)采集系統(tǒng)迫在眉睫。

20世紀(jì)70年代，第一代傳感器的網(wǎng)絡(luò)雛形出現(xiàn)，其點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方式對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，經(jīng)過人們長(zhǎng)時(shí)間的探索和學(xué)習(xí)之后，第二代傳感器具備了信息處理的能力。在20世紀(jì)末，新一代的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器通過總線及無線傳輸技術(shù)上升到了一個(gè)新的高度，其強(qiáng)大的多功能傳感方式和信息處理能力在各行各業(yè)中應(yīng)用前景十分廣闊，對(duì)人們的生活方式產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。我國在國家“十一五”規(guī)劃和《國家中長(zhǎng)期科技發(fā)展綱要》中將“傳感器網(wǎng)絡(luò)及信息處理”列入其中，國家“863計(jì)劃”“973計(jì)劃”也將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）列為支持項(xiàng)目。

目前，我國對(duì)于管道漏水的檢測(cè)仍使用在聽聲辨位的原始方法，隨著城市交通的發(fā)展，噪音污染也增加了聽聲辨位漏水檢測(cè)方式的困難程度。在國外率先有人采用聲音傳感器探測(cè)管道漏水位置的方法，沿管道每隔一定距離安放一個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器都實(shí)時(shí)監(jiān)控自己附近一段距離的管道。但是，由于我國國情不同，外國的成熟系統(tǒng)不能有效地運(yùn)用到我國輸水管道之中，并且國外成熟的系統(tǒng)價(jià)格十分昂貴?，F(xiàn)在的管道漏水檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)效性較差，功能單一，無法在線查看，功耗大，并且制造成本較高，無法大規(guī)模鋪設(shè)應(yīng)用。

1? ? 管道漏水采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本套裝置大致分為3個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集端、協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)接收端。（1）數(shù)據(jù)采集端通過聲音傳感器采集管道漏水信號(hào)。（2）采集到的漏水信號(hào)通過ZigBee無線傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，通過STM32單片機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送給通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service，GPRS）模塊。（3）GPRS模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，通過上位機(jī)顯示及保存數(shù)據(jù)資料。

漏水信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1—2所示。

2? ? 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1? 傳感器模塊

首先，根據(jù)管道漏水的實(shí)際情況選擇聲音信號(hào)作為采集數(shù)據(jù)，因?yàn)楣┧艿栏采w面積廣泛，且聲音傳感器信號(hào)采集范圍較小，因此需要大量的傳感器采集模塊，聲音傳感器的制作成本需要十分低廉。其次，由于地底環(huán)境形勢(shì)復(fù)雜以及對(duì)實(shí)際情況的考量，對(duì)聲音傳感器的穩(wěn)定性和低功耗具有嚴(yán)格的要求。

CC2530是一個(gè)片上系統(tǒng)（System on a Chip，SoC）解決方案，可用于2.4 GHz IEEE 802.15.4，ZigBee和RF4CE，其低廉的制造成本可以通過大規(guī)模鋪設(shè)的建設(shè)傳感網(wǎng)絡(luò)。CC2530具有增強(qiáng)型的8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 KB RAM以及最重要的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能。除此之外，為了降低能源消耗，CC2530具有低功耗運(yùn)行模式，大大延長(zhǎng)了傳感器的使用時(shí)間。

2.2? 協(xié)調(diào)器模塊

處理器選用STM32F103ZET6芯片，除了高性能、低功耗以及價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)之外，還具備豐富的通信接口。STM32的主要作用是可以讓ZigBee和GPRS模塊協(xié)調(diào)工作，通過串口2接收ZigBee協(xié)調(diào)器傳輸過來的數(shù)據(jù)，然后將傳輸過來的數(shù)據(jù)放到相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，接著STM32處理器對(duì)GPRS模塊發(fā)送AT指令以啟用TCP數(shù)據(jù)傳輸功能。等待配置完成之后，STM32處理器通過串口1把串口2收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾PRS模塊，最后通過GPRS模塊運(yùn)用無線傳輸技術(shù)把采集的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無線發(fā)送至上位機(jī)。

2.3? GPRS模塊

GPRS模塊則選用SIM900A芯片，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧，僅有24 mm×24 mm×3 mm，和傳感器模塊一樣，功耗低、易于加工和生產(chǎn)。SIM900A芯片具有GPRS通信的功能，若與運(yùn)營商的SIM卡連接，甚至可以發(fā)短信、打電話，通過無線上網(wǎng)。

3? ? 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分主要分為開發(fā)環(huán)境、ZigBee服務(wù)原語、協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)、采集終端程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。ZigBee模塊開發(fā)環(huán)境使用IAR開發(fā)軟件，STM32則使用Keil5軟件。

3.1? ZigBee服務(wù)原語

ZigBee采用分層思想的協(xié)議棧，根據(jù)上下層的需求，每層可提供相應(yīng)的兩種功能服務(wù)。ZigBee通過服務(wù)原語來實(shí)現(xiàn)各種服務(wù)，在服務(wù)接入點(diǎn)建立連接通信，通過特定的服務(wù)來傳輸信息。

3.2? 采集終端程序設(shè)計(jì)

利用設(shè)計(jì)好的聲音傳感器電路輸出端口與CC2530事先預(yù)留的管腳相連，通過配置CC2530的ADC寄存器模塊獲取水流音頻信號(hào)，然后通過AF_DataRequest（）函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器模塊。

3.3? 上位機(jī)的設(shè)計(jì)

上位機(jī)主要用于工作人員對(duì)本套裝置的控制，通過Visual Studio進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)頁面主要有接收數(shù)據(jù)、節(jié)點(diǎn)控制、保存數(shù)據(jù)等功能。

4? ? 系統(tǒng)的無線傳輸

4.1? RS485總線

由于管道分布復(fù)雜，采集信號(hào)終端數(shù)量眾多，因此需要一個(gè)主協(xié)調(diào)器對(duì)應(yīng)多個(gè)協(xié)調(diào)器。RS285可以滿足需求，實(shí)現(xiàn)多站通信，建立設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，理論上可允許128個(gè)收發(fā)器連接，并且RS485的無線傳輸距離為1 200 m，最大傳輸速率可達(dá)10 Mbps，滿足本套裝置信號(hào)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

4.2? TCP傳輸控制協(xié)議

傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議，由IETF的RFC 793定義。TCP旨在適應(yīng)支持多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的分層協(xié)議層次結(jié)構(gòu)，連接到不同但互連的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)主計(jì)算機(jī)中的成對(duì)進(jìn)程之間、依靠TCP提供可靠的通信服務(wù)。

5? ? 結(jié)語

本文根據(jù)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管道漏水噪聲采集裝置，此裝置的原理是由聲音傳感器接收到的數(shù)據(jù)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到上位機(jī)模塊，在上位機(jī)界面可以顯示字符和波形，漏水信號(hào)的變化可以通過波形更加生動(dòng)形象地顯示出來，并且，字符數(shù)據(jù)可以保存到數(shù)據(jù)庫中，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而定位管道漏水點(diǎn)，使工作人員可以及時(shí)修復(fù)管道，減少水資源的浪費(fèi)和降低間接造成的經(jīng)濟(jì)損失。

采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)的信號(hào)收發(fā)，以CC250和STM32103系列芯片為核心，通過單片機(jī)發(fā)送AT指令集來配置GPRS通信模塊，與上位機(jī)建立TCP通信連接，將采集到的漏水信號(hào)發(fā)送到上位機(jī)端。本套裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗小，穩(wěn)定性較強(qiáng)，在今后的應(yīng)用場(chǎng)景十分廣闊。

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