智能管道漏水信號采集設計

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，是人類生產和生活的重要資源，但在我國，因為管道漏水而造成的水資源浪費情況一直都很嚴重。解決管道漏水、保護水源不受污染、減少水資源浪費等問題迫在眉睫。因此研發一套能實時監測漏水情況的儀器來發現漏水情況的監測是非常有必要的。在無線傳感網絡飛速發展的今天，文章利用其低功耗、低成本、大規模等特點設計一個管道漏水采集系統。該系統把聲音傳感器接收到的數據通過協調器網關傳輸給GPRS模塊，最終通過無線網絡技術發送到上位機進行數據分析和漏水點的定位。

關鍵詞：信號采集;GPRS;無線網絡技術;上位機

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。我國南北地區的氣候差異性，導致水資源的分配嚴重失調。同時，由于經濟的快速發展，人民對生活水平的要求日益提高，我國鋪設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的背后，管道漏水情況日益嚴重，不僅造成了水資源的大量浪費，在漏水處還會污染管道中的水，給人們帶來供水不凈的困擾。為了減少管道破裂對水資源的浪費和污染，減少人們的經濟損失，開發一套完善的漏水信號采集系統迫在眉睫。

20世紀70年代，第一代傳感器的網絡雛形出現，其點對點的傳輸方式對傳感器網絡產生了深遠的影響，經過人們長時間的探索和學習之后，第二代傳感器具備了信息處理的能力。在20世紀末，新一代的無線網絡傳感器通過總線及無線傳輸技術上升到了一個新的高度，其強大的多功能傳感方式和信息處理能力在各行各業中應用前景十分廣闊，對人們的生活方式產生了深遠的影響。我國在國家“十一五”規劃和《國家中長期科技發展綱要》中將“傳感器網絡及信息處理”列入其中，國家“863計劃”“973計劃”也將無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）列為支持項目。

目前，我國對于管道漏水的檢測仍使用在聽聲辨位的原始方法，隨著城市交通的發展，噪音污染也增加了聽聲辨位漏水檢測方式的困難程度。在國外率先有人采用聲音傳感器探測管道漏水位置的方法，沿管道每隔一定距離安放一個傳感器，每個傳感器都實時監控自己附近一段距離的管道。但是，由于我國國情不同，外國的成熟系統不能有效地運用到我國輸水管道之中，并且國外成熟的系統價格十分昂貴。現在的管道漏水檢測系統時效性較差，功能單一，無法在線查看，功耗大，并且制造成本較高，無法大規模鋪設應用。

1? ? 管道漏水采集系統的總體結構

本套裝置大致分為3個部分：數據采集端、協調器網關和數據接收端。（1）數據采集端通過聲音傳感器采集管道漏水信號。（2）采集到的漏水信號通過ZigBee無線傳輸到協調器，通過STM32單片機將數據發送給通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service，GPRS）模塊。（3）GPRS模塊通過無線網絡把數據傳送至上位機，通過上位機顯示及保存數據資料。

漏水信號采集系統結構如圖1—2所示。

2? ? 系統的硬件設計

2.1? 傳感器模塊

首先，根據管道漏水的實際情況選擇聲音信號作為采集數據，因為供水管道覆蓋面積廣泛，且聲音傳感器信號采集范圍較小，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，由于地底環境形勢復雜以及對實際情況的考量，對聲音傳感器的穩定性和低功耗具有嚴格的要求。

CC2530是一個片上系統（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模鋪設的建設傳感網絡。CC2530具有增強型的8051 CPU，系統內可編程閃存，8 KB RAM以及最重要的RF收發器的優良性能。除此之外，為了降低能源消耗，CC2530具有低功耗運行模式，大大延長了傳感器的使用時間。

2.2? 協調器模塊

處理器選用STM32F103ZET6芯片，除了高性能、低功耗以及價格低廉的優點之外，還具備豐富的通信接口。STM32的主要作用是可以讓ZigBee和GPRS模塊協調工作，通過串口2接收ZigBee協調器傳輸過來的數據，然后將傳輸過來的數據放到相對應的數據緩沖區，接著STM32處理器對GPRS模塊發送AT指令以啟用TCP數據傳輸功能。等待配置完成之后，STM32處理器通過串口1把串口2收到的數據傳輸到GPRS模塊，最后通過GPRS模塊運用無線傳輸技術把采集的數據遠程無線發送至上位機。

2.3? GPRS模塊

GPRS模塊則選用SIM900A芯片，其結構緊湊、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。SIM900A芯片具有GPRS通信的功能，若與運營商的SIM卡連接，甚至可以發短信、打電話，通過無線上網。

3? ? 系統的軟件設計

系統的軟件部分主要分為開發環境、ZigBee服務原語、協調器的軟件設計、采集終端程序設計和上位機軟件設計。ZigBee模塊開發環境使用IAR開發軟件，STM32則使用Keil5軟件。

3.1? ZigBee服務原語

ZigBee采用分層思想的協議棧，根據上下層的需求，每層可提供相應的兩種功能服務。ZigBee通過服務原語來實現各種服務，在服務接入點建立連接通信，通過特定的服務來傳輸信息。

3.2? 采集終端程序設計

利用設計好的聲音傳感器電路輸出端口與CC2530事先預留的管腳相連，通過配置CC2530的ADC寄存器模塊獲取水流音頻信號，然后通過AF_DataRequest（）函數將數據發送到協調器模塊。

3.3? 上位機的設計

上位機主要用于工作人員對本套裝置的控制，通過Visual Studio進行設計，設計頁面主要有接收數據、節點控制、保存數據等功能。

4? ? 系統的無線傳輸

4.1? RS485總線

由于管道分布復雜，采集信號終端數量眾多，因此需要一個主協調器對應多個協調器。RS285可以滿足需求，實現多站通信，建立設備網絡，理論上可允許128個收發器連接，并且RS485的無線傳輸距離為1 200 m，最大傳輸速率可達10 Mbps，滿足本套裝置信號傳輸的需求。

4.2? TCP傳輸控制協議

傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的傳輸層通信協議，由IETF的RFC 793定義。TCP旨在適應支持多網絡應用的分層協議層次結構，連接到不同但互連的計算機通信網絡主計算機中的成對進程之間、依靠TCP提供可靠的通信服務。

5? ? 結語

本文根據現實的應用需求，設計了一種無線傳感器網絡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據通過無線傳感網絡發送到上位機模塊，在上位機界面可以顯示字符和波形，漏水信號的變化可以通過波形更加生動形象地顯示出來，并且，字符數據可以保存到數據庫中，最后對數據進行處理，從而定位管道漏水點，使工作人員可以及時修復管道，減少水資源的浪費和降低間接造成的經濟損失。

采用ZigBee技術實現多節點的信號收發，以CC250和STM32103系列芯片為核心，通過單片機發送AT指令集來配置GPRS通信模塊，與上位機建立TCP通信連接，將采集到的漏水信號發送到上位機端。本套裝置結構簡單，功耗小，穩定性較強，在今后的應用場景十分廣闊。

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