基于SI1000的下水道堵塞預警裝置

顧佩月+賀文晨+周雨薇

摘 要：為了改善城市下水道日益嚴重的堵塞情況，針對基于SI1000的下水道堵塞預警裝置進行設計。采用SI1000模塊控制HC-SR04超聲波測距模塊監測下水道水深，LWGY渦輪流量計監測下水道水流速度，并通過SI1000無線通信模塊傳送監測數據，并在一定情況下進行預警。本裝置通過實驗可以實現周期性監測下水道情況并通過無線通信進行預警的最終目標。

關鍵詞：SI1000；超聲波測距；渦輪流量計；堵塞預警

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）03-00-02

0 引 言

中國城市下水道設施采用的是蘇聯的“地下管網式”，設計偏保守，口徑多在一米左右，承載能力有限，時常會出現下水管道擁堵現象。而且現在下水道堵塞的處理從發現到整修的周期較長，會帶來諸多不便。然而現階段，中國無法對城市下水道進行大規模改造和重修。而且，下水管道常年埋在地下，當出現擁堵預兆時，也難以引起人的注意，一旦廢水外溢，往往已經是問題比較嚴重了。

如果能有一套自動監測系統，能實時監測下水道中的水位和水流速，就能大致判斷出下水道中的擁塞情況，當超過警戒時，以一定方式及時報警，就能防止下水道廢水外溢事故的發生。

鑒于以上問題，基于SI1000的下水道堵塞預警裝置設計被提出。該裝置通過測量距離和流速來判定下水道是否堵塞，用SI1000進行無線通訊收發數據，產生預警。

1 控制器設計

1.1 無線通信模塊

SI1000 是一款微功耗小體積并具備強大無線通信功能的51類型的單片機，在本裝置中作為無線單元的核心器件負責采集測距模塊和流量計的信號并通過無線射頻進行通信。收發電路如圖1所示。

SI1000微控制器內部使用四線制SPI總線，MOSIMISOSCK和NSS與射頻模塊進行通信，SI1000將射頻模塊作為外設進行訪問，可以通過設置射頻模塊的寄存器靈活配置射頻收發的各項參數。

1.2 測控系統設計

單個下水道堵塞預警裝置如圖2所示。

單個下水道堵塞預警裝置主要由4個模塊構成，包括測距模塊、測速模塊、供電模塊和無線通信模塊。測距模塊測量下水道管道頂端到液面的距離。測速模塊測量下水道管道里水的流速。無線通信模塊控制測距模塊和測速模塊，并且進行數據的采集和收發。供電模塊輸出+3.3 V和+5 V兩種電壓，3.3 V給無線通信模塊進行供電，5 V給測距模塊和測速模塊進行供電。

圖 1 SI1000收發電路

圖2 單個下水道堵塞預警裝置

2 硬件介紹

2.1 測距模塊

測距模塊采用HC-SR04超聲波測距模塊，此模塊有Vcc、Gnd、Trig和Echo四個I/O口。Vcc接+5 V，Gnd接地，Trig口由SI1000送入一個高電平信號進行觸發測距，隨后模塊會自動發送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回，若有信號返回，通過I/O口Echo輸出一個高電平，高電平的持續時間就是超聲波從發射到返回的時間。

那么測量的距離即為：

測試距離=（高電平時間*聲速）/2

2.2 測速模塊

測速模塊采用LWGY渦輪流量計，其工作原理為流體流經傳感器殼體，流體的沖力使葉片具有轉動力矩，在一定的條件下，轉速與流速成正比。旋轉的葉片切割內部的磁力線，周期性的改變著內部線圈的磁通量，形成矩形脈沖波并輸出。

在一定的流量范圍內，脈沖頻率f與流經傳感器的流體的瞬時流量Q成正比，流量方程式為：

Q=3 600×f / k （1）

其中：f為脈沖頻率（Hz）； k為傳感器的儀表系數（1/m3） ；Q為流體的瞬時流量（工作狀態下）（m3/h）； 3 600是換算系數。

3 軟件設計

3.1 測距程序設計

利用SI1000產生20 μs的觸發信號送入HC-SR04模塊的Trig口。本裝置中采用SI1000定時器2進行計時測量高電平持續時間。測距流程圖如圖3所示。

圖3 測距流程圖

3.2 測速程序設計

由式（1）可知，為獲得水流速度，需測量渦輪流量計產生脈沖的頻率。本裝置中采用1 s內產生脈沖個數作為采樣點脈沖的頻率。當SI1000檢測到輸入信號由低到高的一個跳變時，則認為產生一個脈沖。這部分程序的實現將在下文的主程序設計中具體說明。

3.3 無線通信

無線收發模塊之間的通信是以數據包的形式進行的，無線收發采用的數據包的數據格式如下：

DataBuffer[0]=0x00；

DataBuffer[1]=2；

DataBuffer[2]=Dist；

DataBuffer[3]=Speedvalue；

一個數據包由前導碼、同步字、數據（數據段長度、距離值和水速值）組成。前導碼的作用是確定接收模塊與發送模塊同步，同步字是為了更好的進行同步以便找到幀頭，同步模式的標志碼就是設好的同步字。距離與水速值儲存在DataBuffer第三、四位。發送程序就是采用這樣的數據包將數據發送出去的。

程序開始運行后，完成SI1000的參數和子程序初始化以及SPI接口和射頻的初始化后，配置寄存器寫入相應的初始化RF控制字，系統初始化及參數配置完畢之后，開始檢測數據發送標志DataTxFlag。當DataTxFlag=1時，調用發送程序將數據包發送。

接收程序類似于發送程序，接收模塊處于一直接收的工作狀態，同時在不斷檢測接收標志RxPacketReceived，當RxPacketReceived=1時，將接收的數據取出，再進行水速和距離值的判斷和預警。

3.4 主程序設計

3.4.1 主程序流程

對系統進行初始化后，進入while（1）無限循環開始具體功能實現。具體功能包括兩大部分：檢測功能和無線收發功能。檢測功能有測距和測速兩部分組成。

當到達設置的時間周期之后，開始運行檢測程序的測距部分。實際會出現以下兩種的情況：當水面高度（即水面距離管頂的高度）在合理的范圍內，說明下水管道無險情，則跳過水速的測量。若水面高度到達預設的警戒值，為判斷下水管道是處于堵塞狀態還是由于暴雨水位激增，開啟水速的測量，若存在一定的水速，則說明下水管道未堵塞；若水速過低時，則說明下水管道即將堵塞。當檢測部分結束后將數據發送標志置1，將測量的數據送入數據緩沖器中，將數據發送給接收節點。若下水管道即將出現堵塞狀況，接收節點對外界發出預警。主程序流程圖如圖4所示。

3.4.2 核心程序設計

本文中采用狀態機的思想編寫主流程核心控制程序。

設置任務標志taskFlag控制狀態機的狀態跳轉，具體對應方式見表1。

表1 任務標志對應狀態

taskFlag 對應狀態

0 檢測準備

1 測距

2 測速輸出脈沖低電平

3 測速輸出脈沖高電平

4 發送準備狀態

圖4 主程序流程圖

4 結 語

本文中介紹下水道堵塞預警裝置，通過周期監控下水道的情況，并進行無線通信向外界發布預警信息，在一定程度上解決下水道堵塞問題。但本裝置只是從原理上簡單實現了監控下水道水深、水速，并進行兩個節點之間無線傳輸的功能，在實際的應用中，仍需考慮到下水道的環境對裝置所帶來的影響，并對其進行進一步的完善。

參考文獻

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