一種新型管道滲漏檢測系統的設計

摘要：根據與檢測相關的原理，設想出用相關檢測技術來檢測管道滲漏，采用單片機等低功耗器件，設計出低功耗，噪聲小，可通信的檢測裝置。

生活工作中管道滲漏會帶來很大的影響，嚴重干擾了正常生活和生產進度，給人們帶來了極大的不便。為防止管道滲漏帶來的不利影響，減少損失，設計一款滲漏檢測系統是很有必要的，能夠及時找出漏水點并及時修復。

本設計通過HC-05藍牙與從機與主機通信。主機采用計算機，從機以MK60單片機為主控制器，由信號采集模塊、A＼D轉換模塊、信號放大模塊、報警模塊、顯示模塊等外圍電路組成。將探測設備安裝在消防拴、閥門、管道等易泄露位置，通過聲音采集設備100%實時聽音，一旦發生滲漏立即報警，主機顯示報警位置，及時排查出滲漏地點

關鍵詞：滲漏檢測；聲音采集；去噪

[Abstract] With the rapid development of science and technology in the 21st century，the pace of people's life is speeding up. Due to start construction quality and use fixed number of year of sewers is increasing，the change of geological structure，the pressure change under the action of various factors such as joint，hard to avoid can produce crack will lead to leakage，with the occurrence of leakage，loose around the foundation settlement will further drive pipe crack，make funnelled grows worse. In order to save water resources，reduce the harm of leakage to the family facilities，eliminate the safety hidden danger caused by leakage，a scientific leakage detection and control system is needed.

[Keywords] leakage detection；sound acquisition；denoising

1、課題的來源及意義

21世紀隨著科技的飛速發展，人們生活節奏的加快，由于管道漏水引起的事故也越來越多。由于開始的施工質量，加上排水管網使用年限的不斷增長，地質結構的變化，外界壓力變化等各種因素共同作用下，管道難以避免會產生裂縫導致滲漏，隨著滲漏的發生，周圍地基松動沉降會進一步拉動管道裂縫，使漏點不斷變大惡化。為了節約水資源，減少泄漏對家庭設施的危害，排除由于泄漏原因造成的安全隱患，需要一套科學的漏水檢測控制系統。

隨著自動化技術及人們生活水平的提高，智能家居的概念被越來越多的人所接受。所謂智能家居，是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境。在日常生活中，智能漏水檢測系統是在家居安全里具有十分重要的作用。通常由于一時疏忽，如停水時忘關水龍頭、下水不通暢、管道破損等意外原因所造成家居漏水，很多情況下事態嚴重，不僅是自家受損失，同一棟樓里的人也會同樣受害。因此設計一種漏水檢測控制系統，能自動檢測選定區域的意外漏水，并伴隨聲光報警，提示出現的浸水事件，減少漏水狀況的惡化，能有效地防止各種損失進一步擴大。

2、國內外研究現狀

目前，我國供水行業普遍存在管網漏水問題，平均水損率約20，，其中漏損約占水損的50，，有的地方管網漏水問題甚至非常嚴重，這就大大地降低了供水企業的供水效益，也給水資源造成嚴重浪費，有些甚至影響到人們的正常生產和生活。

目前國內漏水檢測儀器設備和技術大多數采用聲波檢測的原理——通過檢測承壓水從漏點噴出而產生的噪聲來確定管道是否漏水和漏點的位置。很多公司都是做水浸傳感器，漏水檢測線的。這些公司大部分采用的點式，或者銅絲短路的方式進行檢測，相比國外同類產品比較簡單，低端，不能精確定位。

國外漏水檢測技術一直走在世界的前線，隨著時代的發展，當然漏測檢測技術也是發展的越來越好，漏水查漏，當最初的簡單的聽漏技術發展到現在各種的漏水檢測設備和自動化漏水檢測。其中加拿大對塑料自來水管漏水檢測做出很大的貢獻，塑料自來水管漏水檢測的研究主要利用流動體在通過漏孔漏水流動的水聲和噪聲。

3、論文研究的內容

本系統為漏水檢測系統，系統完成對家庭樓房的監控，對暖通空調設備區、關鍵管道、儲存室、消防栓與閥門等易泄露位置進行漏水檢測。當泄漏發生時，感應傳感器通過聽聲，進行信號的分析，就會立即將信號傳給報警控制器。通過微處理器可顯示泄漏具體位置。因系統較大，所以采用多個單片機處理，可采用HC-05通信，組成一個網絡監測系統。下節點完成現場檢測、控制、記錄、報警，上節點完成遠程監控。

該系統能精確檢測到是否有漏水發生，并且報告具體漏水位置，因此這種方案適合于日常家居。

4、系統設計方案

4.1系統控制方案

本系統采用MK60單片機作為主控制器。MK60是一種低功耗、高性能32位微控制器，具有8K 在系統可編程Flash存儲器。使用NXP公司高密度非易失性存儲器技術制造，片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的32位CPU和在系統可編程Flash，使得MK60在眾多嵌入式控制應用系統。

4.2電源模塊

方案一：采用半波整流電路。半波整流是一種利用二極管的單向導通特性來進行整流的常見電路，除去半周、下半周的整流方法，叫半波整流。作用是將交流電轉換為直流電，也就是整流。變壓器的次級繞組與負載相接，中間串聯一個整流二極管，就是半波整流。利用二極管的單向導電性，只有半個周期內有電流流過負載，另半個周期被二極管所阻，沒有電流。這種電路，變壓器中有直流分量流過，降低了變壓器的效率；整流電流的脈動成分太大，對濾波電路的要求高。只適用于小電流整流電路。

方案二：采用單相橋式整流電路。單相橋式整流電路是最基本的將交流轉換為直流的電路。單相橋式整流電路在帶電感性負載的工作情況理想。單相橋式整流電路的優點是：線路簡單、調整方便。單相橋式整流電路具有輸出電流脈動小，功率因數高，變壓器二次電流為兩個等大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優點。

綜合以上方案，根據本系統的控制要求，選擇方案二單相橋式整流電路更為合理更為合適。

4.3 顯示模塊

方案一：采用LCD顯示電路。采用兩片HD61202作為列驅動器，同時使用一片HD61203作為行驅動器的液晶模塊。HY12864具有簡單而功能較強的指令集，與微控制器的數據傳輸采用8位并行傳輸方式。在HY12864中，兩片HD61202的ADO均接高電平，RST也接高電平，這樣在使用HY12864時就不必再考慮這兩個引腳的作用了。片內Flash中存入了需要使用的字符庫，通過調用LCD字符顯示程序，可以顯示中英文字符，市場價格比較高。

方案二：采用LED數碼管顯示電路。數碼管實際上是由七個發光管組成8字形構成的，加上小數點就是8個。這些段分別由字母a，b，c，d，e，f，g，dp來表示。當數碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會發亮，以形成我們眼睛看到的 2個8數碼管字樣了。LED數碼管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸數碼管的顯示筆畫常用一個發光二極管組成，而大尺寸的數碼管由二個或多個發光二極管組成，一般情況下，單個發光二極管的管壓降為1.8V左右，電流不超過30mA。發光二極管的陽極連接到一起連接到電源正極的稱為共陽數碼管，發光二極管的陰極連接到一起連接到電源負極的稱為共陰數碼管。常用LED數碼管顯示的數字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。電路簡單、經濟適用、實現起來比較容易。

由于本系統顯示模塊對漏水位置進行顯示，四位靜態顯示就可以滿足系統的設計要求，而LED數碼管顯示恰恰可以很好完成本系統的任務要求，所以選擇方案二更為合適。

4.4 傳感器模塊

方案一：采用咪頭模塊，采用5V供電，對周圍聲音進行采集，可以檢測周圍聲音的有無，輸出形式為0和1高低電平，當聲音強度達不到設定的閾值時，輸出低電平，反之輸出高電平，且靈敏度可調。缺點是只能識別聲音的強度，不能識別聲音的大小和特定頻率的聲音。

方案二：采用高敏度麥克風模塊。該模塊采用5V供電。該模塊輸出形式有DO和AO兩種形式。除了能輸出高低電平外，還有AO形式輸出，實時輸出麥克風的電壓信號。且靈敏度高，并且價格合適。

由于本系統對聲音采集要求比較嚴格，需要分析聲音的大小，所以選擇方案二比較合適。傳感器如圖4.4.1所示。

5、系統功能

5.1 系統功能框圖

5.2 聲音采集

本系統通過高敏度麥克風采集聲音，通過傳感器內置芯片輸出電壓信號，通過放大電路將電壓信號放大，并通過A/D轉換程序將模擬信號轉化位數字信號。放大電路由LM358為核心的直流放大電路，電路圖如5.2.1所示。

5.3 噪聲抑制

本系統對聲音的準確性要求極高，因此對噪聲的處理必不可少。由于無法直接觀察聲音的大小，所以將傳感器輸出的電壓通過A/D轉換變為數字信號，輸出波形，通過觀察波形來分析聲音。傳感器放置在管道附近，日常的人的腳步，電梯的運動都會引起震動，對漏水的檢測造成很大干擾，所以必須降噪。分別采集了發生滲漏時的波形和未發生滲漏時日常的波形，通過對比分析，發現發生滲漏時水滴的聲音對波形影響占主導地位，其他的噪聲干擾影響較小，所以決定通過采用濾波的方式去除噪聲引起的雜波，去除噪聲干擾。本系統采用MATLAB對聲音信號進行濾波處理。

方案一：無限長沖激響應（IIR）濾波器，該濾波器傳輸函數的極點可位于單位圓內的任何地方，因此可用于較低的階數，以獲得高的選擇性，所用的貯存單元少，但卻以犧牲相位的非線性為代價。

方案二：有限長沖激響應（FIR）濾波器，該濾波器可以得到嚴格的線性相位輸出，但只能用較高的階數來達到高的選擇性。

因為FIR沒有穩定性問題，所以選擇方案二。

濾波效果如圖5.3.1所示。

6、結論

本設計是以HC-05通信方式的漏水檢測控制系統。下節點完成現場檢測、控制、記錄、報警。上節點完成遠程監控。本系統是以單片機為核心部件配合相應外圍電路構成的漏水檢測控制系統，本系統用于家居樓房的監控，對暖通空調設備區、關鍵管道、儲存室、消防栓與閥門等易泄露位置進行漏水檢測。

主機采用計算機，從機以單片機MK60為主控制器，由信號采集模塊、A＼D轉換模塊、信號放大模塊、報警模塊、顯示模塊等外圍電路組成.軟件部分由控制軟件和單片機匯編程序組成。通過硬件和軟件的協調工作，泄露發生時，系統能及時檢測到漏水信號并通過顯示電路和報警電路顯示泄露點并報警。本系統性能穩定、硬件器件使用少、成本低廉、具有推廣意義，軟件部分功能全面，操作簡單，結合當代最流行最科學的定位式檢測模式很好的對家居樓房實時監控。

參考文獻

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作者簡介：尹瀚（1998.01.08——），性別：男，民族：漢族，就讀于臨沂大學。

（作者單位：臨沂大學）