基于计算机控制的窨井管网探测系统的研究

吕东芳 宋雷震

（1.淮南联合大学计算机系；2.淮南联合大学机电系 安徽淮南 232001）

伴随着城市中污水排放量的不断递增，道路上污水溢流的现象时有发生，甚至已经成了城市环境污染源的一分子，尤其在夏季，溢流现象尤为突出。在多雨的长江、黄淮一带，每逢多雨季节，河道水位急速上升，不但对城市道路造成影响，也严重困扰了人们正常的工作、生活，因此针对地下管网检测技术的研究是非常有必要的，对城市排水系统的健康、稳定发展有着十分积极的意义。城市中各类管网为维修方便，都会留置窨井，方便在使用过程中对管网维护。窨井通常置于地表以下，以城市污水管网为例，污水中含有各类生活垃圾，容易导致管道淤塞，形成道路积水、内涝，且随着时间的增长出现事故的可能性不断增加，若不能及时采取有效措施，会造成严重的安全隐患。目前检测堵塞位置的方式是利用人工作业，由专业工作人员携带工具深入到窨井下进行实地查看解决，因窨井内环境极度恶劣，所以一方面影响人工作业的准确性，维修困难；另一方面也会给工作人员带来人身伤害，增加维修成本。基于窨井及管网的运行特点，设计出一种代替人为工作的探测手段是符合当前的实际需要并在一定程度上可以提高运行、维修效率。

一、现有检测方式

现有窨井检测方式效率低，不能准确辨别窨井故障位置，常用检测方式如下：

（一）观察法。维护人员通过对窨井内的液位高度的观察判断管线是否堵塞，通过窨井内部污水状态判断管线中间是否有塌陷、断裂等。该种方式需要维修人员具有丰富的现场作业经验，失误率高。现有液位检测技术有以下几类：

1.差压式液位检测技术。在这种检测方法中需要差压传感器获得液体压强，将其与标准大气压的压强进行对比，利用对比值判断实际情况。近年来由于半导体技术的迅猛发展，压差式传感器中平衡电桥部件的制作技术也逐步成熟，该部件利用被检测污水底部压强引起传感器电桥不平衡，水位高度与电路输出相对应的高度来获得信号。

2.浮球式液位检测技术。这种检测技术最常见，是使用最多的一种检测技术，其基本原理是：在固定好的钢管中放置一个具有强磁性的浮球，在钢管的外壁设置传感器，当浮球随着水面高度上下变化时，外壁的传感器就可以获得当前液位的高度。浮球式液位检测技术虽然简单但适用于水质较为清洁的环境，否则由于垃圾较多，势必会影响浮球的上下移动从而导致检测的结果不够准确。

3.声波液位检测技术。该技术利用了声波反射的特性，所以在真空环境中该技术无法使用，因为不具备声波传播的条件。该技术的原理将声波从发射到被检测水面所随用的时间利用算法进行分析，得到声波发射源与被检测水面的距离，适用于水中垃圾较多的检测。

4.光纤液位检测技术。这种检测技术是近几年新兴的技术，目前国外针对光线液位检测技术开展了一些研究，并应用到实际产品当中。主要原理是利用光导纤维中光在不同介质中传输特性的不同对水面高度进行检测。这种技术的优点是：重量轻、携带方便、体积小，适用各种类型的水质检测。缺点是目前我国的光纤液位检测技术发展的还不够成熟，希望在我国科技创新的大潮下，该技术能很快应用在各个领域。

5.直流电极式液位检测技术。这种检测技术中当液位与电极相通时即为电路闭合态，因此液位的升高能够被间接的反映出来，以便后续电路完成进一步的处理。由于在空心棒内纵向放置的电极是由金属材料制成的，所以其放置状态直接影响测量精度，准确度有待提高。

（二）维修人员实地检查。当观察法不能确定具体故障原因，就需要维修人员实地察看故障原因，首先要确保人身安全，采取必要的安全措施，且管线内部环境恶劣、效率低，其存在的问题如下：（1）城市污水管网的分布主要是沿道路分布，路网分散、延伸遍布主城区的各个角落，人工巡检则需要大量的人工、车辆进行巡查，不易发现故障点。（2）溢流反馈是个被动的管理方法，污水溢流后才进行疏通，很被动。（3）通过污水处理厂及污水提升泵站的瞬时流量反馈虽然可以了解每日瞬时水量的激增或锐减，但无法检测到具体偷排或渗漏位置。（4）由于污水管网常年流水，在无法判断破损的情况下是无法人工或机器检修的，所能检修的管网管径通常也在D600以上。以上各种处理主要方案均而实际运行过程所遇到的问题各不相同，因为每个地区污水水量、管网管径、材质、深度、污水PH值等等均不相同，因此，针对以淮南污水管网实际情况，结合多年的污水运行管理经验，研究出可行的污水运行预防系统方案是急待解决的问题。

二、窨井探测系统的组成

采用无线网络控制，结合物联网、超声波等传感器的应用对污水窨井内的污水运行情况建立数学模型，能够以窨井为采集点、主干管为节点把发散的污水管网运行系统划分成若干子系统，由中控对全城区的污水进行分析，能够快速定位突变点。

整体结构如图1所示：

图1 窨井探测系统组成

（一）上位机。城市污水管网通常50至100米一个窨井，每条路放置2-4处采集终端，借助Zigbee无线组网，把以路为单位的污水管网进行组网，将采集的数据实时上传至地面基站，由GPRS或CDMA等公网发送至中控室的上位机中，以组态的形态供用户浏览。

上位机还承担着收集道路节点信息的功能，把每个采集点的信息添加至数据库中，从而对近1天、1周、1月、1年等历史数据建立对应的数学模型，在使用过程中可直观查看城区所有污水干管的运行情况，以及所存在隐性风险，如在部分管网上游水位正常，中段持续增高，下游水量减少，则说明中段有堵塞风险，可提前进行疏通。从而实现智能化的污水管网，减少人才、物、钱的投入，有效的实现污水运行管理。

（二）井内探测装置。整个窨井探测系统由若干单个节点体系结构配合上位机构成，单个节点体系结构的作用是收集道路的采集终端数据，通过无线网络将节点信息进行编码发送至上位机。将污水窨井及井盖设计成可根据液位的高低反馈对应此井的瞬时流速及此路段的管网污水液面相对高度；通过无线自组网技术将道路上若干个采集终端自行关联起来，并把相关数据发送至基站节点。

单个节点包括以下四个模块：处理器模块、无线通信模块、水位检测模块和电源供电模块，如图2所示。其中处理器模块是整个体系结构的核心部分，包括处理器和存储器，用于对数据进行采集和分析处理；无线通信模块可实现单个节点的稳定组网、传感器节点之间的数据通信，与上位机数据收发和控制信息的传输；水位检测模块可针对当前管网液位高度信息进行获取，供上位机工作人员进行查看；电源供电模块实现整个系统的供电，确保整个系统的正常运行，考虑到普通的干电池在更换和维护时不够方便，并且窨井下环境潮湿，因此单个节点采用太阳能供电模块来供电。

图2 单个节点体系结构设计

1.水位检测模块。在水位检测模块的设计中，利用超声波的原理来实现水位探测。由于超声波是由传感器发射而来的，在发射过程中总是向特定方向发射，一旦发射开始立刻开始计时，如果在传播过程中遇到阻碍物，就会在阻碍物的表面反射回来，当超声波反向传输又回归到起点处，计时模块就会立即停止工作，根据计时器获取的时间t，以及超声波在空气中每秒的传输速度v是340米，由公式s=v*t/2就能够计算出超声波发出位置与阻碍物之间的距离。利用超声波探测当前管网中水量信息，若检测到管网为半管水状态，那么结合管径可由此计算管网流速和流量，若流速逐步增大则表示管网中水量正常，进一步计算可获得当前区域内污水产生量、收纳情况，通过大数据分析可呈现污水产生的分布情况、管网运行情况，可以更加详细、准确的了解：（a）污水产生时间，污水主要集中在每天的什么时间段，何时水量较大。（b）管网运行负荷。当检测到水位高度较低、流速较慢时，可考虑是因为管网出现破损或者部分堵塞导致管网中水流量低；当检测到水位过高且流速不明时，考虑因为前方某处出现堵塞导致污水排水不畅，使当前窨井中水位不断上升，容易造成道路漫水，建立数学模型反应出污水管网中的实际情况。

2.无线通信模块设计。由于在实际使用中，含有多个节点，对应多个无线通信模块的数据传输，因此需要将中继器节点设置成直线分布，正好适应于排水管网的形状。同时为了实现数据的稳定传送，必须使中继器能够自动组网，如果有新的节点加入进来可以自动分配网络地址，自主加入到通信网络中，确保将传感器采集到的数据实时、可靠的发送至网关节点。考虑到管网环境的复杂性和特殊性，本系统中采用CC2530芯片，并对芯片的辅助电路加以扩展，完全适应于通信距离较远的窨井。

CC2530 模块是基于TI 的zigbee 模块，支持zigbee 无线组网，多用于物联网中无线数据的采集和传输控制，集成度高，使用时只需要极少的外部连接元件，内部已经包含CPU和内存相关模块、时钟和电源模块和无线信号收发模块等。Zigbee组网方式十分灵活，一个拓扑结构为星型结构的Zigbee 网络，有效范围内可存在上百个zigbee 网络，尤其适合于管网中大量分布的窨井。每个节点都配置有zigbee网络模块，一旦某个节点体系发出数据时，凡是位于整个通信范围内的网络通信模块会彼此自动搜索，短时间内就会组建成一个可以相互通信的无线网络。当网络有所变化时，通信模块会在原有网络的基础上刷新，以便寻找相互通信的对象，明确要通信联络的对象，鉴于窨井中单节点体系传输的数据量不大， zigbee 技术通信的一系列优点，相对于其它类型的无线通信技术，它做为单节点体系结构的组网通信方式最为合适。

软件部分的开发环境选用IAR，应用层程序在协议栈的基础上编写，单个节点体系采用5个节点组成一个星型的拓扑结构，由协调器负责整个网络的创建，初始状态下将协调器设置为自启动模式，并利用函数对其做初始化。当网络组建完毕后就会发出任务事件，接着网络的工作状态会显示在调试窗口，会对各个串口进行轮流检测，若发现有数据写入，那么就通过回调函数进行发送。

CC2530芯片带有2个Uart外设，分别为Uart0、Uart12个串口，这两个结构都具备SPI功能，并且提供异步串行接口，具有相同的功能。通过其数据引脚表可以知道：

Urat0的外部设备IO引脚映射关系如下：P0_2对应RX，P0_3对应TX；Urat1的外部设备IO引脚映射关系如下：P0_5对应 RX，P0_4 对应 TX，在 cc2530 的数据传输中，Uart 模式是Usart所有功能中最常见的模式。当Uart0全部配置完毕后，开始接收数据，同时开启CPU接收中断和总中断。

当侦测有数据开始写入数据缓冲器时和寄存器时，立刻发出中断请求，将接收中断标识置为1，可利用中断服务程序实现数据的接收。在字节传送时，UxCSR.ACTIV置为高电平，当转变为低电平时代表某字节已传送完毕，待全部数据传送结束后，UxCSR.TX_BYTE 位则变为1。

部分代码如下：

/**

* @brief 串口初始化函数

* @param None

* @retval None

*/

void initUARTSEND(void)

{

//时钟配置

CLKCONCMD &= ～0x40;

while(CLKCONSTA & 0x40);

CLKCONCMD &= ～0x47;

//主时钟频率设为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优先作为UART0

//串口配置

U0CSR |= 0x80;//UART方式

U0GCR |= 11;

//U0GCR.BAUD_E

U0BAUD |= 216;

//将波特率定义为115200

UxBAUD.BAUD_M

UTX0IF=0;

//UART0 TX中断标志初始置位0

}

/**

* @brief 串口发送字符串函数

* @param Date 数据

len 长度

* @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 芯片含有外部时钟32MHz crystal oscillator，同时还包括内部时钟16MHz RC oscillator，两种类型可任选其一，都能够满足系统的需要。需要注意的是，当RF芯片工作时必须选择外部时钟。由于RC的起振时间较短，在上电运行开始时，内部自带的时钟先开始工作，当运行正常后再切换为32MHZ，以便于通信效率的提高。

由传感器采集的各类数据经过Zigbee传输到各网关节点，接着网关节点将由各个单体节点产生的数据汇聚后与监控中心通信，中控室与网关节点间通信方式既可以选择无线通信也可以选择有线通信，本方案之所以采用GPRS无线通信是基于以下几个方面的考虑：

①城市中地下排水管网分布范围广泛，尤其是大型城市，遍布于城市各个小区、街道，有线通信方式下需要考虑硬件的安装问题，而无线通信方式却很容易实现。②街道数量多导致网关节点数量庞大，有线通信的布线问题受到挑战，相对于无线通信方式的传输方式太过于复杂，成本高。对于线性分布的排水管网，一条街道设置有一个协调器即可，正好适应中继点的分布。每一个协调器只要把汇集到的数据通过GPRS节点传递到中控室即可。

三、总结

本方案采用基于无线传输的星型拓扑结构，并基于CC2530芯片为核心进行设计了单个节点体系，利用无线传输与上位机形成整个窨井探测系统。通过对实验室搭建的2组模块测试证明系统是切实可行的：单个节点体系的数据获取以及数据收发较为稳定、准确，可以实时准确监测到各个节点的水位等各项信息，根据水位情况判断当前管网运行状态。较原来得人工巡检方式相比，巡检得效率得到大大提高，并且能够大量减少人工作业，进一步减少人员开支。通过模型参数可调，凸显项目方案可行性将无线与物联引入污水管理。可确实解决城市污水运行问题，大大减少人力、物力等上的极大支出，从被动管理转变为主动、预防式管理。从特定情况下流速、流量、液位高度、截面之间的关系通过对窨井设计拟通过液位高度反馈相关流速、流量等动态信息。周时对管网、窨井进行标定，可从上位机与现实地点的结合，清楚每一节点、采集点的数据信息。

但系统在运行中不可避免的存在一些问题，虽然两组实验通讯正常，接收数据都很良好，但在实际窨井的改造后，测试结果发现因为潮气过大密封效果不够理想，导致电路板损伤，建议改造成密封一体式结构。井面太阳能板尺寸直接影响发电效率，因系统所用单片机功耗高需要大尺寸太阳能板才能满足，但会影响井面承重效果，若考虑承重效果缩小太阳能板尺寸又不能满足供电需要，建议在使用时将单片机不工作时设置为休眠模式，以减少功耗。另外现有窨井内引流槽高低不同，安装超声波传感器存在偏差，偏差过多影响超声波采集效果。