基于計(jì)算機(jī)控制的窨井管網(wǎng)探測系統(tǒng)的研究

呂東芳 宋雷震

（1.淮南聯(lián)合大學(xué)計(jì)算機(jī)系；2.淮南聯(lián)合大學(xué)機(jī)電系 安徽淮南 232001）

伴隨著城市中污水排放量的不斷遞增，道路上污水溢流的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，甚至已經(jīng)成了城市環(huán)境污染源的一分子，尤其在夏季，溢流現(xiàn)象尤為突出。在多雨的長江、黃淮一帶，每逢多雨季節(jié)，河道水位急速上升，不但對城市道路造成影響，也嚴(yán)重困擾了人們正常的工作、生活，因此針對地下管網(wǎng)檢測技術(shù)的研究是非常有必要的，對城市排水系統(tǒng)的健康、穩(wěn)定發(fā)展有著十分積極的意義。城市中各類管網(wǎng)為維修方便，都會(huì)留置窨井，方便在使用過程中對管網(wǎng)維護(hù)。窨井通常置于地表以下，以城市污水管網(wǎng)為例，污水中含有各類生活垃圾，容易導(dǎo)致管道淤塞，形成道路積水、內(nèi)澇，且隨著時(shí)間的增長出現(xiàn)事故的可能性不斷增加，若不能及時(shí)采取有效措施，會(huì)造成嚴(yán)重的安全隱患。目前檢測堵塞位置的方式是利用人工作業(yè)，由專業(yè)工作人員攜帶工具深入到窨井下進(jìn)行實(shí)地查看解決，因窨井內(nèi)環(huán)境極度惡劣，所以一方面影響人工作業(yè)的準(zhǔn)確性，維修困難；另一方面也會(huì)給工作人員帶來人身傷害，增加維修成本?；隈烤肮芫W(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種代替人為工作的探測手段是符合當(dāng)前的實(shí)際需要并在一定程度上可以提高運(yùn)行、維修效率。

一、現(xiàn)有檢測方式

現(xiàn)有窨井檢測方式效率低，不能準(zhǔn)確辨別窨井故障位置，常用檢測方式如下：

（一）觀察法。維護(hù)人員通過對窨井內(nèi)的液位高度的觀察判斷管線是否堵塞，通過窨井內(nèi)部污水狀態(tài)判斷管線中間是否有塌陷、斷裂等。該種方式需要維修人員具有豐富的現(xiàn)場作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，失誤率高?，F(xiàn)有液位檢測技術(shù)有以下幾類：

1.差壓式液位檢測技術(shù)。在這種檢測方法中需要差壓傳感器獲得液體壓強(qiáng)，將其與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓強(qiáng)進(jìn)行對比，利用對比值判斷實(shí)際情況。近年來由于半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，壓差式傳感器中平衡電橋部件的制作技術(shù)也逐步成熟，該部件利用被檢測污水底部壓強(qiáng)引起傳感器電橋不平衡，水位高度與電路輸出相對應(yīng)的高度來獲得信號。

2.浮球式液位檢測技術(shù)。這種檢測技術(shù)最常見，是使用最多的一種檢測技術(shù)，其基本原理是：在固定好的鋼管中放置一個(gè)具有強(qiáng)磁性的浮球，在鋼管的外壁設(shè)置傳感器，當(dāng)浮球隨著水面高度上下變化時(shí)，外壁的傳感器就可以獲得當(dāng)前液位的高度。浮球式液位檢測技術(shù)雖然簡單但適用于水質(zhì)較為清潔的環(huán)境，否則由于垃圾較多，勢必會(huì)影響浮球的上下移動(dòng)從而導(dǎo)致檢測的結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

3.聲波液位檢測技術(shù)。該技術(shù)利用了聲波反射的特性，所以在真空環(huán)境中該技術(shù)無法使用，因?yàn)椴痪邆渎暡▊鞑サ臈l件。該技術(shù)的原理將聲波從發(fā)射到被檢測水面所隨用的時(shí)間利用算法進(jìn)行分析，得到聲波發(fā)射源與被檢測水面的距離，適用于水中垃圾較多的檢測。

4.光纖液位檢測技術(shù)。這種檢測技術(shù)是近幾年新興的技術(shù)，目前國外針對光線液位檢測技術(shù)開展了一些研究，并應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品當(dāng)中。主要原理是利用光導(dǎo)纖維中光在不同介質(zhì)中傳輸特性的不同對水面高度進(jìn)行檢測。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：重量輕、攜帶方便、體積小，適用各種類型的水質(zhì)檢測。缺點(diǎn)是目前我國的光纖液位檢測技術(shù)發(fā)展的還不夠成熟，希望在我國科技創(chuàng)新的大潮下，該技術(shù)能很快應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。

5.直流電極式液位檢測技術(shù)。這種檢測技術(shù)中當(dāng)液位與電極相通時(shí)即為電路閉合態(tài)，因此液位的升高能夠被間接的反映出來，以便后續(xù)電路完成進(jìn)一步的處理。由于在空心棒內(nèi)縱向放置的電極是由金屬材料制成的，所以其放置狀態(tài)直接影響測量精度，準(zhǔn)確度有待提高。

（二）維修人員實(shí)地檢查。當(dāng)觀察法不能確定具體故障原因，就需要維修人員實(shí)地察看故障原因，首先要確保人身安全，采取必要的安全措施，且管線內(nèi)部環(huán)境惡劣、效率低，其存在的問題如下：（1）城市污水管網(wǎng)的分布主要是沿道路分布，路網(wǎng)分散、延伸遍布主城區(qū)的各個(gè)角落，人工巡檢則需要大量的人工、車輛進(jìn)行巡查，不易發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。（2）溢流反饋是個(gè)被動(dòng)的管理方法，污水溢流后才進(jìn)行疏通，很被動(dòng)。（3）通過污水處理廠及污水提升泵站的瞬時(shí)流量反饋雖然可以了解每日瞬時(shí)水量的激增或銳減，但無法檢測到具體偷排或滲漏位置。（4）由于污水管網(wǎng)常年流水，在無法判斷破損的情況下是無法人工或機(jī)器檢修的，所能檢修的管網(wǎng)管徑通常也在D600以上。以上各種處理主要方案均而實(shí)際運(yùn)行過程所遇到的問題各不相同，因?yàn)槊總€(gè)地區(qū)污水水量、管網(wǎng)管徑、材質(zhì)、深度、污水PH值等等均不相同，因此，針對以淮南污水管網(wǎng)實(shí)際情況，結(jié)合多年的污水運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，研究出可行的污水運(yùn)行預(yù)防系統(tǒng)方案是急待解決的問題。

二、窨井探測系統(tǒng)的組成

采用無線網(wǎng)絡(luò)控制，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、超聲波等傳感器的應(yīng)用對污水窨井內(nèi)的污水運(yùn)行情況建立數(shù)學(xué)模型，能夠以窨井為采集點(diǎn)、主干管為節(jié)點(diǎn)把發(fā)散的污水管網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)劃分成若干子系統(tǒng)，由中控對全城區(qū)的污水進(jìn)行分析，能夠快速定位突變點(diǎn)。

整體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 窨井探測系統(tǒng)組成

（一）上位機(jī)。城市污水管網(wǎng)通常50至100米一個(gè)窨井，每條路放置2-4處采集終端，借助Zigbee無線組網(wǎng)，把以路為單位的污水管網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)，將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至地面基站，由GPRS或CDMA等公網(wǎng)發(fā)送至中控室的上位機(jī)中，以組態(tài)的形態(tài)供用戶瀏覽。

上位機(jī)還承擔(dān)著收集道路節(jié)點(diǎn)信息的功能，把每個(gè)采集點(diǎn)的信息添加至數(shù)據(jù)庫中，從而對近1天、1周、1月、1年等歷史數(shù)據(jù)建立對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，在使用過程中可直觀查看城區(qū)所有污水干管的運(yùn)行情況，以及所存在隱性風(fēng)險(xiǎn)，如在部分管網(wǎng)上游水位正常，中段持續(xù)增高，下游水量減少，則說明中段有堵塞風(fēng)險(xiǎn)，可提前進(jìn)行疏通。從而實(shí)現(xiàn)智能化的污水管網(wǎng)，減少人才、物、錢的投入，有效的實(shí)現(xiàn)污水運(yùn)行管理。

（二）井內(nèi)探測裝置。整個(gè)窨井探測系統(tǒng)由若干單個(gè)節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)配合上位機(jī)構(gòu)成，單個(gè)節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)的作用是收集道路的采集終端數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)將節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行編碼發(fā)送至上位機(jī)。將污水窨井及井蓋設(shè)計(jì)成可根據(jù)液位的高低反饋對應(yīng)此井的瞬時(shí)流速及此路段的管網(wǎng)污水液面相對高度；通過無線自組網(wǎng)技術(shù)將道路上若干個(gè)采集終端自行關(guān)聯(lián)起來，并把相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至基站節(jié)點(diǎn)。

單個(gè)節(jié)點(diǎn)包括以下四個(gè)模塊：處理器模塊、無線通信模塊、水位檢測模塊和電源供電模塊，如圖2所示。其中處理器模塊是整個(gè)體系結(jié)構(gòu)的核心部分，包括處理器和存儲(chǔ)器，用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析處理；無線通信模塊可實(shí)現(xiàn)單個(gè)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定組網(wǎng)、傳感器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信，與上位機(jī)數(shù)據(jù)收發(fā)和控制信息的傳輸；水位檢測模塊可針對當(dāng)前管網(wǎng)液位高度信息進(jìn)行獲取，供上位機(jī)工作人員進(jìn)行查看；電源供電模塊實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的供電，確保整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，考慮到普通的干電池在更換和維護(hù)時(shí)不夠方便，并且窨井下環(huán)境潮濕，因此單個(gè)節(jié)點(diǎn)采用太陽能供電模塊來供電。

圖2 單個(gè)節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.水位檢測模塊。在水位檢測模塊的設(shè)計(jì)中，利用超聲波的原理來實(shí)現(xiàn)水位探測。由于超聲波是由傳感器發(fā)射而來的，在發(fā)射過程中總是向特定方向發(fā)射，一旦發(fā)射開始立刻開始計(jì)時(shí)，如果在傳播過程中遇到阻礙物，就會(huì)在阻礙物的表面反射回來，當(dāng)超聲波反向傳輸又回歸到起點(diǎn)處，計(jì)時(shí)模塊就會(huì)立即停止工作，根據(jù)計(jì)時(shí)器獲取的時(shí)間t，以及超聲波在空氣中每秒的傳輸速度v是340米，由公式s=v*t/2就能夠計(jì)算出超聲波發(fā)出位置與阻礙物之間的距離。利用超聲波探測當(dāng)前管網(wǎng)中水量信息，若檢測到管網(wǎng)為半管水狀態(tài)，那么結(jié)合管徑可由此計(jì)算管網(wǎng)流速和流量，若流速逐步增大則表示管網(wǎng)中水量正常，進(jìn)一步計(jì)算可獲得當(dāng)前區(qū)域內(nèi)污水產(chǎn)生量、收納情況，通過大數(shù)據(jù)分析可呈現(xiàn)污水產(chǎn)生的分布情況、管網(wǎng)運(yùn)行情況，可以更加詳細(xì)、準(zhǔn)確的了解：（a）污水產(chǎn)生時(shí)間，污水主要集中在每天的什么時(shí)間段，何時(shí)水量較大。（b）管網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷。當(dāng)檢測到水位高度較低、流速較慢時(shí)，可考慮是因?yàn)楣芫W(wǎng)出現(xiàn)破損或者部分堵塞導(dǎo)致管網(wǎng)中水流量低；當(dāng)檢測到水位過高且流速不明時(shí)，考慮因?yàn)榍胺侥程幊霈F(xiàn)堵塞導(dǎo)致污水排水不暢，使當(dāng)前窨井中水位不斷上升，容易造成道路漫水，建立數(shù)學(xué)模型反應(yīng)出污水管網(wǎng)中的實(shí)際情況。

2.無線通信模塊設(shè)計(jì)。由于在實(shí)際使用中，含有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，對應(yīng)多個(gè)無線通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸，因此需要將中繼器節(jié)點(diǎn)設(shè)置成直線分布，正好適應(yīng)于排水管網(wǎng)的形狀。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳送，必須使中繼器能夠自動(dòng)組網(wǎng)，如果有新的節(jié)點(diǎn)加入進(jìn)來可以自動(dòng)分配網(wǎng)絡(luò)地址，自主加入到通信網(wǎng)絡(luò)中，確保將傳感器采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、可靠的發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)?？紤]到管網(wǎng)環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，本系統(tǒng)中采用CC2530芯片，并對芯片的輔助電路加以擴(kuò)展，完全適應(yīng)于通信距離較遠(yuǎn)的窨井。

CC2530 模塊是基于TI 的zigbee 模塊，支持zigbee 無線組網(wǎng)，多用于物聯(lián)網(wǎng)中無線數(shù)據(jù)的采集和傳輸控制，集成度高，使用時(shí)只需要極少的外部連接元件，內(nèi)部已經(jīng)包含CPU和內(nèi)存相關(guān)模塊、時(shí)鐘和電源模塊和無線信號收發(fā)模塊等。Zigbee組網(wǎng)方式十分靈活，一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型結(jié)構(gòu)的Zigbee 網(wǎng)絡(luò)，有效范圍內(nèi)可存在上百個(gè)zigbee 網(wǎng)絡(luò)，尤其適合于管網(wǎng)中大量分布的窨井。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配置有zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊，一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)體系發(fā)出數(shù)據(jù)時(shí)，凡是位于整個(gè)通信范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通信模塊會(huì)彼此自動(dòng)搜索，短時(shí)間內(nèi)就會(huì)組建成一個(gè)可以相互通信的無線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有所變化時(shí)，通信模塊會(huì)在原有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上刷新，以便尋找相互通信的對象，明確要通信聯(lián)絡(luò)的對象，鑒于窨井中單節(jié)點(diǎn)體系傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大， zigbee 技術(shù)通信的一系列優(yōu)點(diǎn)，相對于其它類型的無線通信技術(shù)，它做為單節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)的組網(wǎng)通信方式最為合適。

軟件部分的開發(fā)環(huán)境選用IAR，應(yīng)用層程序在協(xié)議棧的基礎(chǔ)上編寫，單個(gè)節(jié)點(diǎn)體系采用5個(gè)節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建，初始狀態(tài)下將協(xié)調(diào)器設(shè)置為自啟動(dòng)模式，并利用函數(shù)對其做初始化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)組建完畢后就會(huì)發(fā)出任務(wù)事件，接著網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)會(huì)顯示在調(diào)試窗口，會(huì)對各個(gè)串口進(jìn)行輪流檢測，若發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)寫入，那么就通過回調(diào)函數(shù)進(jìn)行發(fā)送。

CC2530芯片帶有2個(gè)Uart外設(shè)，分別為Uart0、Uart12個(gè)串口，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)都具備SPI功能，并且提供異步串行接口，具有相同的功能。通過其數(shù)據(jù)引腳表可以知道：

Urat0的外部設(shè)備IO引腳映射關(guān)系如下：P0_2對應(yīng)RX，P0_3對應(yīng)TX；Urat1的外部設(shè)備IO引腳映射關(guān)系如下：P0_5對應(yīng) RX，P0_4 對應(yīng) TX，在 cc2530 的數(shù)據(jù)傳輸中，Uart 模式是Usart所有功能中最常見的模式。當(dāng)Uart0全部配置完畢后，開始接收數(shù)據(jù)，同時(shí)開啟CPU接收中斷和總中斷。

當(dāng)偵測有數(shù)據(jù)開始寫入數(shù)據(jù)緩沖器時(shí)和寄存器時(shí)，立刻發(fā)出中斷請求，將接收中斷標(biāo)識置為1，可利用中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。在字節(jié)傳送時(shí)，UxCSR.ACTIV置為高電平，當(dāng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)代表某字節(jié)已傳送完畢，待全部數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，UxCSR.TX_BYTE 位則變?yōu)?。

部分代碼如下：

/**

* @brief 串口初始化函數(shù)

* @param None

* @retval None

*/

void initUARTSEND(void)

{

//時(shí)鐘配置

CLKCONCMD &= ～0x40;

while(CLKCONSTA & 0x40);

CLKCONCMD &= ～0x47;

//主時(shí)鐘頻率設(shè)為32MHZ

//端口配置

PERCFG = 0x00; //位置1 P0口

P0SEL = 0x0c; //P0_2,P0_3用作串口

P2DIR&= ～0XC0;

//P0優(yōu)先作為UART0

//串口配置

U0CSR |= 0x80;//UART方式

U0GCR |= 11;

//U0GCR.BAUD_E

U0BAUD |= 216;

//將波特率定義為115200

UxBAUD.BAUD_M

UTX0IF=0;

//UART0 TX中斷標(biāo)志初始置位0

}

/**

* @brief 串口發(fā)送字符串函數(shù)

* @param Date 數(shù)據(jù)

len 長度

* @retval None

*/

void UartTX_Send_String(char *Data,int len)

{

int j;

for(j=0;j＜len;j++)

{

U0DBUF = *Data++;

while(UTX0IF == 0);

UTX0IF = 0;

}

}

CC2530 芯片含有外部時(shí)鐘32MHz crystal oscillator，同時(shí)還包括內(nèi)部時(shí)鐘16MHz RC oscillator，兩種類型可任選其一，都能夠滿足系統(tǒng)的需要。需要注意的是，當(dāng)RF芯片工作時(shí)必須選擇外部時(shí)鐘。由于RC的起振時(shí)間較短，在上電運(yùn)行開始時(shí)，內(nèi)部自帶的時(shí)鐘先開始工作，當(dāng)運(yùn)行正常后再切換為32MHZ，以便于通信效率的提高。

由傳感器采集的各類數(shù)據(jù)經(jīng)過Zigbee傳輸?shù)礁骶W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，接著網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將由各個(gè)單體節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)匯聚后與監(jiān)控中心通信，中控室與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)間通信方式既可以選擇無線通信也可以選擇有線通信，本方案之所以采用GPRS無線通信是基于以下幾個(gè)方面的考慮：

①城市中地下排水管網(wǎng)分布范圍廣泛，尤其是大型城市，遍布于城市各個(gè)小區(qū)、街道，有線通信方式下需要考慮硬件的安裝問題，而無線通信方式卻很容易實(shí)現(xiàn)。②街道數(shù)量多導(dǎo)致網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，有線通信的布線問題受到挑戰(zhàn)，相對于無線通信方式的傳輸方式太過于復(fù)雜，成本高。對于線性分布的排水管網(wǎng)，一條街道設(shè)置有一個(gè)協(xié)調(diào)器即可，正好適應(yīng)中繼點(diǎn)的分布。每一個(gè)協(xié)調(diào)器只要把匯集到的數(shù)據(jù)通過GPRS節(jié)點(diǎn)傳遞到中控室即可。

三、總結(jié)

本方案采用基于無線傳輸?shù)男切屯負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，并基于CC2530芯片為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)了單個(gè)節(jié)點(diǎn)體系，利用無線傳輸與上位機(jī)形成整個(gè)窨井探測系統(tǒng)。通過對實(shí)驗(yàn)室搭建的2組模塊測試證明系統(tǒng)是切實(shí)可行的：單個(gè)節(jié)點(diǎn)體系的數(shù)據(jù)獲取以及數(shù)據(jù)收發(fā)較為穩(wěn)定、準(zhǔn)確，可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的水位等各項(xiàng)信息，根據(jù)水位情況判斷當(dāng)前管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。較原來得人工巡檢方式相比，巡檢得效率得到大大提高，并且能夠大量減少人工作業(yè)，進(jìn)一步減少人員開支。通過模型參數(shù)可調(diào)，凸顯項(xiàng)目方案可行性將無線與物聯(lián)引入污水管理?？纱_實(shí)解決城市污水運(yùn)行問題，大大減少人力、物力等上的極大支出，從被動(dòng)管理轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)、預(yù)防式管理。從特定情況下流速、流量、液位高度、截面之間的關(guān)系通過對窨井設(shè)計(jì)擬通過液位高度反饋相關(guān)流速、流量等動(dòng)態(tài)信息。周時(shí)對管網(wǎng)、窨井進(jìn)行標(biāo)定，可從上位機(jī)與現(xiàn)實(shí)地點(diǎn)的結(jié)合，清楚每一節(jié)點(diǎn)、采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。

但系統(tǒng)在運(yùn)行中不可避免的存在一些問題，雖然兩組實(shí)驗(yàn)通訊正常，接收數(shù)據(jù)都很良好，但在實(shí)際窨井的改造后，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)因?yàn)槌睔膺^大密封效果不夠理想，導(dǎo)致電路板損傷，建議改造成密封一體式結(jié)構(gòu)。井面太陽能板尺寸直接影響發(fā)電效率，因系統(tǒng)所用單片機(jī)功耗高需要大尺寸太陽能板才能滿足，但會(huì)影響井面承重效果，若考慮承重效果縮小太陽能板尺寸又不能滿足供電需要，建議在使用時(shí)將單片機(jī)不工作時(shí)設(shè)置為休眠模式，以減少功耗。另外現(xiàn)有窨井內(nèi)引流槽高低不同，安裝超聲波傳感器存在偏差，偏差過多影響超聲波采集效果。