嵌入式供水终端漏水监测节点及网络设计

摘要：针对传统供水终端漏水监测系统存在的不足和易造成水资源大量浪费的具体情况，讨论了利用嵌入式单片机技术所实现的系统硬件和软件设计，通过超声流量传感器和人体探测热释电传感器的配合实现漏水的准确判断。从人员监测与定位、抗干扰和多种报警形式相结合等方面，研究了系统设计采用的关键技术。
关键词：供水终端；漏水监测；节点；超声流量检测；嵌入式单片机

0 引言
    近年来，国内外出现了一些漏水检测设备，对于供水主管道的漏水检测起到了重要作用，如：美国Kay公司生产的漏水检测系统，功能强大，但价格较高，在单位和家庭大面积的推广应用受到很大限制。我国的某公司生产的F系列漏水、漏液检测器设备，由于没有组网，设备未设置电话拨号、短信发送、邮件发送等多种报警功能，在很大程度上制约了设备的推广应用范围。因此需要研究一种功耗小，价格低，能被大部分单位和个人能接受的，特别适合于供水终端附近漏水检测的设备和系统，以便减少因供水终端的意外损坏而不能得到及时维修所造成的水资源大量浪费现象的发生。

1 系统组网与总体设计
    系统组网主要由一个主监控系统模块和多个现场监控节点模块组成漏水监测网络。主监控系统模块完成信息的接收处理，并通过电话拨号、发送短信和声光等形式实现报警，使产生漏水的终端在最短时间内得到及时维修。现场监控节点实现供水终端漏水位置的准确检测与识别，若有终端漏水的现象，通过数据收发模块发送报警信息给主监控系统模块，再通过主监控系统发送报警信息通知维修人员。系统组网与总体设计成如图1所示。

2 现场监控节点的硬件设计
    监控节点主要包括嵌入式工控模板、超声流量检测模块、热释电人体探测模块、无线收发电路、声光报警电路、电磁阀控制等电路组成。硬件组成如图2所示。

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2．1 嵌入式工控模板M2080
    M2080-U20是高性价比的MiniARM工控模块，采用了LPC2220工业级嵌入式微控制器，将ARM最小系统、以太网／CAN／USB控制器、电子硬盘(Flash on Board)等设备高度集成于小巧的模块之上，预装μC／OS-II实时操作系统、底层基础驱动函数库、中间件软件函数库(FAT文件管理系统、以太网、CAN-bus、USB Device／Host／OTG、CF／SD／MMC卡、ZLG500、GPRS／CDMA等模块)，提供总线保护设计，使模块具有良好的EMC性能及稳定性。
2．2 超声流量检测模块
2．2．1 超声流量监测的原理
    超声流量监测采用非侵入式或称夹紧式超声流量传感器，安装在已有管道上，亦可做成管段式。其基本的构成如图3所示。超声波通过由塑料制品或金属材料制成的声楔进入管道和液体，按照斯奈尔定律，始发的声波在钢管的界面上出现横波和纵波，横波进入液体，而将纵波全反射掉。超声波进入液体后又变成纵波，穿越液体后，经斜对面的管壁、声楔，被超声换能器2接收。从超声换能器1到超声换能器2的声信号为顺向；反之为逆向。
    时差法流量测量是利用测量超声波脉冲在液体中顺向传播和逆向传播的时间差来检测流量，具体计算公式与测量方法见文献。
    图3超声流量检测原理

2．2．2 超声流量传感器选择
   系统选用DTFX系列小管径超声流量传感器DN20-50， 它的换能器是突发至多达每组约100个脉冲，提供近100～1000倍的信号强度，即使发射脉冲中断，仍能满足精确测量流量所需的足够信号，在有一定量的气泡和悬浮物存在的情况下也能可靠测量。 它不受流体性质变化的影响，这样就允许单个的换能器在很宽的频率范围内发射和接收，在管道上使用时可以发射不失真、稳定性好及高振幅的声波信号，单组传感器即可达到较高的测量精度。
2．3 人体探测与调理模块
    人体探测模块的作用是配合超声流量传感器的测量，判断是否是非正常用水，即是否存在漏水现象。具体判断方法：若超声流量传感器检测到供水终端已经打开，再通过人体探测模块判断是否有人在该终端附近，如果有人在，则是正常用水，否则是存在漏水现象，然后延时十五分钟再判断，若仍然无人关掉水龙头，证明该终端确实存在漏水现象，再通过现场测试节点向主控系统发出漏水的指令，通知维修人员及时维护。
    人体探测模块采用多个热释电传感器组成的探测阵列，实现相应区域的探测。每个供水终端(如：水龙头)采用一个热释电传感器，由微处理器轮流采集每个传感器的信号，在一个区域(如一个洗手间，或者卫生间)的所有传感器中只要有一个探测到有人存在即可。
热释电传感器及其信号调理电路，如图4所示。利用三级放大电路，通过调节电位器W1和W2，可使输出信号的幅度为0～3．3V的信号，然后通过单片机内部的模数转换电路转换成相应的数字量。

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2．4 无线收发模块
    系统设计选用RFC-33A远距离无线通信模块，采用nRF905无线通信芯片，工作于433MHz，开放ISM频段免许可证使用，最大发射功率达到2W，在开阔地带最大传输距离可达2000m以上。在+33dBm情况下，发送模式：平均工作电流小于300mA；接收状态：平均工作电流为12．5mA。模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据并提供中断指示，可直接连接单片机，软件编程非常方便，具有超强穿透能力，灵敏度高，可达到一100dBm，性能稳定，可靠性高，适合超远距离或复杂情况下的无线通信、工业遥控系统等。

3 主监控系统的硬件设计
    主监控系统是以AT89S52为控制芯片，配以电话拨号芯片、短信收发GSM模块、声光报警电路等多种报警方式电路，将漏水位置报警信息发送给维修人员，以得到及时维修。同时主监控系统配有LCD显示电路和无线收发模块，前者用以显示供水管网中漏水终端的具体位置，后者用以接收现场检测节点发送过来的漏水位置信息。
    GSM无线短信收发模块采用TC35系列模块TC35i，它的性价比很高，并且已经有国内的无线电设备入网证，是西门子推出的最新无线模块，功能上与TC35兼容，设计紧凑。TC35i与GSM 2／2+兼容、双频(GSM900／GSM1800)、RS232数据口、符合ETSI标准GSM0707和GSM0705，且易于升级为GPRS模块。该模块集射频电路和基带于一体，提供标准的AT命令接口，为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输，方便应用开发及设计。

4 软件设计
    主要包括主监控系统的软件和现场检测节点的软件两部分。主监控系统的软件主要由无线报警信号收发、短信发送、电话拨号、声光报警和液晶显示等子程序组成。现场检测节点部分软件主要由流量采集、人体定位与识别、无线收发、声光报警、电磁阀控制和延时等子程序构成。该部分软件的主处理流程如图5所示。

5 关键技术
    (1)采用了嵌入式单片机技术，实现现场信息的快速测量；
    (2)采用多热释电传感器实现人员的探测与定位，准确判断有无人员，提高了报警的准确度，减少了误报警的发生；
    (3)采用了多种报警形式相结合的报警方式，尤其是电话拨号和短信收发模块的运用，提高了报警的及时性。

6 结束语
    将高性价比的MiniARM工控模块M2080-U20应用于本系统，其性能指标完全满足设计要求，大大缩短了系统的开发周期，降低了整个产品的设计成本。系统具有很强的可移植性和广阔的应用前景。此系统已经成功应用于实际的供水生产中，效果较好。