智能管道漏水信号采集设计

汤佳慧 夏永承 桑军 李睿诚 杜宇人

摘   要：水孕育和维持着地球上的全部生命，是人类生产和生活的重要资源，但在我国，因为管道漏水而造成的水资源浪费情况一直都很严重。解决管道漏水、保护水源不受污染、减少水资源浪费等问题迫在眉睫。因此研发一套能实时监测漏水情况的仪器来发现漏水情况的监测是非常有必要的。在无线传感网络飞速发展的今天，文章利用其低功耗、低成本、大规模等特点设计一个管道漏水采集系统。该系统把声音传感器接收到的数据通过协调器网关传输给GPRS模块，最终通过无线网络技术发送到上位机进行数据分析和漏水点的定位。

关键词：信号采集;GPRS;无线网络技術;上位机

作为人口大国，虽然我国资源总量十分丰富，但是人均资源占有率却非常少，尤其是水资源方面。我国南北地区的气候差异性，导致水资源的分配严重失调。同时，由于经济的快速发展，人民对生活水平的要求日益提高，我国铺设了大量的供水管道来保证人民的用水需求。然而，在供水管道大量铺设的背后，管道漏水情况日益严重，不仅造成了水资源的大量浪费，在漏水处还会污染管道中的水，给人们带来供水不净的困扰。为了减少管道破裂对水资源的浪费和污染，减少人们的经济损失，开发一套完善的漏水信号采集系统迫在眉睫。

20世纪70年代，第一代传感器的网络雏形出现，其点对点的传输方式对传感器网络产生了深远的影响，经过人们长时间的探索和学习之后，第二代传感器具备了信息处理的能力。在20世纪末，新一代的无线网络传感器通过总线及无线传输技术上升到了一个新的高度，其强大的多功能传感方式和信息处理能力在各行各业中应用前景十分广阔，对人们的生活方式产生了深远的影响。我国在国家“十一五”规划和《国家中长期科技发展纲要》中将“传感器网络及信息处理”列入其中，国家“863计划”“973计划”也将无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）列为支持项目。

目前，我国对于管道漏水的检测仍使用在听声辨位的原始方法，随着城市交通的发展，噪音污染也增加了听声辨位漏水检测方式的困难程度。在国外率先有人采用声音传感器探测管道漏水位置的方法，沿管道每隔一定距离安放一个传感器，每个传感器都实时监控自己附近一段距离的管道。但是，由于我国国情不同，外国的成熟系统不能有效地运用到我国输水管道之中，并且国外成熟的系统价格十分昂贵。现在的管道漏水检测系统时效性较差，功能单一，无法在线查看，功耗大，并且制造成本较高，无法大规模铺设应用。

1    管道漏水采集系统的总体结构

本套装置大致分为3个部分：数据采集端、协调器网关和数据接收端。（1）数据采集端通过声音传感器采集管道漏水信号。（2）采集到的漏水信号通过ZigBee无线传输到协调器，通过STM32单片机将数据发送给通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service，GPRS）模块。（3）GPRS模块通过无线网络把数据传送至上位机，通过上位机显示及保存数据资料。

漏水信号采集系统结构如图1—2所示。

2    系统的硬件设计

2.1  传感器模块

首先，根据管道漏水的实际情况选择声音信号作为采集数据，因为供水管道覆盖面积广泛，且声音传感器信号采集范围较小，因此需要大量的传感器采集模块，声音传感器的制作成本需要十分低廉。其次，由于地底环境形势复杂以及对实际情况的考量，对声音传感器的稳定性和低功耗具有严格的要求。

CC2530是一个片上系统（System on a Chip，SoC）解决方案，可用于2.4 GHz IEEE 802.15.4，ZigBee和RF4CE，其低廉的制造成本可以通过大规模铺设的建设传感网络。CC2530具有增强型的8051 CPU，系统内可编程闪存，8 KB RAM以及最重要的RF收发器的优良性能。除此之外，为了降低能源消耗，CC2530具有低功耗运行模式，大大延长了传感器的使用时间。

2.2  协调器模块

处理器选用STM32F103ZET6芯片，除了高性能、低功耗以及价格低廉的优点之外，还具备丰富的通信接口。STM32的主要作用是可以让ZigBee和GPRS模块协调工作，通过串口2接收ZigBee协调器传输过来的数据，然后将传输过来的数据放到相对应的数据缓冲区，接着STM32处理器对GPRS模块发送AT指令以启用TCP数据传输功能。等待配置完成之后，STM32处理器通过串口1把串口2收到的数据传输到GPRS模块，最后通过GPRS模块运用无线传输技术把采集的数据远程无线发送至上位机。

2.3  GPRS模块

GPRS模块则选用SIM900A芯片，其结构紧凑、体积小巧，仅有24 mm×24 mm×3 mm，和传感器模块一样，功耗低、易于加工和生产。SIM900A芯片具有GPRS通信的功能，若与运营商的SIM卡连接，甚至可以发短信、打电话，通过无线上网。

3    系统的软件设计

系统的软件部分主要分为开发环境、ZigBee服务原语、协调器的软件设计、采集终端程序设计和上位机软件设计。ZigBee模块开发环境使用IAR开发软件，STM32则使用Keil5软件。

3.1  ZigBee服务原语

ZigBee采用分层思想的协议栈，根据上下层的需求，每层可提供相应的两种功能服务。ZigBee通过服务原语来实现各种服务，在服务接入点建立连接通信，通过特定的服务来传输信息。

3.2  采集终端程序设计

利用设计好的声音传感器电路输出端口与CC2530事先预留的管脚相连，通过配置CC2530的ADC寄存器模块获取水流音频信号，然后通过AF_DataRequest（）函数将数据发送到协调器模块。

3.3  上位机的设计

上位机主要用于工作人员对本套装置的控制，通过Visual Studio进行设计，设计页面主要有接收数据、节点控制、保存数据等功能。

4    系统的无线传输

4.1  RS485总线

由于管道分布复杂，采集信号终端数量众多，因此需要一个主协调器对应多个协调器。RS285可以满足需求，实现多站通信，建立设备网络，理论上可允许128个收发器连接，并且RS485的无线传输距离为1 200 m，最大传输速率可达10 Mbps，满足本套装置信号传输的需求。

4.2  TCP传输控制协议

传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。TCP旨在适应支持多网络应用的分层协议层次结构，连接到不同但互连的计算机通信网络主计算机中的成对进程之间、依靠TCP提供可靠的通信服务。

5    结语

本文根据现实的应用需求，设计了一种无线传感器网络的管道漏水噪声采集装置，此装置的原理是由声音传感器接收到的数据通过无线传感网络发送到上位机模块，在上位机界面可以显示字符和波形，漏水信号的变化可以通过波形更加生动形象地显示出来，并且，字符数据可以保存到数据库中，最后对数据进行处理，从而定位管道漏水点，使工作人员可以及时修复管道，减少水资源的浪费和降低间接造成的经济损失。

采用ZigBee技术实现多节点的信号收发，以CC250和STM32103系列芯片为核心，通过单片机发送AT指令集来配置GPRS通信模块，与上位机建立TCP通信连接，将采集到的漏水信号发送到上位机端。本套装置结构简单，功耗小，稳定性较强，在今后的应用场景十分广阔。

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