基于单片机与超声波技术的水体泥沙含量云平台监测系统

2021-11-03樊海红罗学楠周杰泉廖家标石玉瑶

电子技术与软件工程 2021年18期

樊海红罗学楠周杰泉廖家标石玉瑶

（广东海洋大学电子与信息工程学院广东省湛江市 524088）

1 引言

当前许多河流区域都存在泥沙过度淤积而导致河流流速变慢、河床变宽、水位上升、削减水利工程寿命等问题[1]。为了避免以上危害的发生，最恰当的策略是通过监测水体中泥沙的含量，并将其浓度控制在合适的范围内。目前国内外正进行对新型测量水体中泥沙含量仪器的研制。在国内，采取了较为新型便捷稳定度高的策略，主要以射线法[2]、红外线法[3]、振动法、激光法、电容式传感器测量法、超声法等方法[4]。根据超声波具有穿透性强，频带宽等特性，利用超声波衰减测量法及超声波聚焦式测量法成功研发的测量仪器已投入在特定的场合进行测试和使用，并且取得了较为理想的成绩。国外一些发达国家已经生产出可以在高浓度情况下测量的超声测量仪器，如OPUS 系列。还有运用X 射线技术的测量仪器，如DensX 系统[5]。以及运用了激光技术的测量设备，如TOPSIZER。这些仪器在测量范围大、测量精度准确的基础上，还具有稳定性强和灵敏度高的特点，但体积庞大，部分仪器设备重量大体在70kg，且价格非常昂贵，仪器仅适用于运用在特定行业及研究院。

本文设计基于单片机与超声波技术的水体泥沙含量云平台监测系统，通过云平台进行数据的反馈，能够在移动端和PC 端清晰、实时、直观且便捷地掌握水体中泥沙的含量。系统利用网络平台的通讯开发功能，对采集数据进行处理汇总，对河流泥沙淤积的处理起到一定的积极效益，与传统的抽样检测、观察计算测量法相比，既省略繁琐的检测工序，更有助于掌握和控制水体中泥沙的含量，有利于社会上各个行业的推广使用。

2 系统原理

利用超声波具有穿透力强、频带宽、方向性和放射能力强的特点，超声波测量广泛使用在检测行业中。超声波反射法是利用了声波遇到挡板反射到接收端的原理，在从发送到接收的途中，因水体中泥沙对超声波有吸收和衰减的现象，所以在接收端可通过对比发送信号和接送信号进行测量、分析水体中泥沙含量[6]。本系统中采用超声波衰减法对泥沙含量进行分析和处理。超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，超声波的能量逐渐减弱的现象称为超声波的衰减[7]。主要分为三类衰减：扩散衰减、散射衰减和吸收衰减[8]。

在水体中，声波与悬浮颗粒之间存在相互作用，使得声波会出现散射衰减，而水中的泥沙等颗粒会吸收声波导致吸收衰减的出现，因此通过对超声波衰减量的测量，根据一定的对应关系，对比得出水体中泥沙含量。而在本系统中即利用超声波衰减法的原理对单片机从超声波传感器模块收集到的数据进行分析和处理之后，利用Wi-Fi 无线通信模块的联网及实时传输数据的功能，使得在PC 端、移动端等多终端实现对水体中泥沙含量的数据进行监测。系统设计运行的结构图如图1 所示。

图1：系统结构图

3 硬件设计

系统的硬件主要有单片机控制器、超声波传感器模块、ESP8266-Wi-Fi 模块等组成。单片机控制器采用的是STM32F103 RCT6，本系统以STM32F103RCT6 为核心，搭建超声波收发电路和无线Wi-Fi 模块，将从超声波传感器模块采集到电脉冲信号转换成串口数据电平导入到单片机中，单片机根据预定的算法对收集到的数据进行分析和处理，处理后的数据被送至ESP8266-Wi-Fi 模块，利用该模块联网功能与OneNET 平台建立网络连接，将单片机处理后的数据传输到OneNET 云平台，实现数据的监测[9]。

3.1 超声波传感器模块

超声波属于频率高于20KHz 的声波，人耳并不能听见，它和声波存在相同的特点，即都是通过物质振动而产生的，并且只能在介质中传播[10]。本系统中采用的超声波传感器模块包括超声波的发射装置和接受装置[11]。在超声波发射电路中，输入一定频率的脉冲信号，接入由两个不同极性但参数相同的三极管组成的乙类推挽电路中，将输入信号放大，利用其输出信号驱动MOSFET 管，使得有足够大的功率驱动超声波换能器，发出超声波。

超声波发射电路输出波形如图2 所示。通道B 为MOS 管的驱动信号波形，输入信号为方波信号，占空比60%。通道A 为超声波发射电路的输出电压，电压波形接近方波，幅值在200mV 左右。输出电压经过放大电路后可放大到200V 左右，用于可驱动压电换能器，实现超声波的发射。该超声波发射电路是由低压电源驱动供电，可以解决需要高电压驱动的压电换能器的驱动问题。

图2：超声波发射电路输出波形图

超声波的接收电路模仿雷达和声纳、蝙蝠等接收声波特性进行设计、由于接收到的超声波信号是十分微弱的，因此在电路中需要对转换而来的电信号进行多级放大。在接收电路中，采用了耦合、放大、比较、整形，滤波等环节，利用OP37 运算放大器构成两级运放电路，放大后的电信号经过进一步滤波后输入到LM393 比较器中转换成比较规则的波形，输出到A/D 转换芯片中，将电信号转换成数据电平，最后经串口数据传输进入单片机模块中，由单片机模块进行数据的分析和处理。超声波接收电路如图3 所示。

图3：超声波接收电路

3.2 ESP8266-Wi-Fi模块

系统的物联网数据传输是利用ESP8266-Wi-Fi 模块实现的。该模块具有稳定性高、丢包率低、性价比高等特点。ESP8266-Wi-Fi模块可以与单片机进行串口通信连接，操作简单，同时利用其联网功可以与OneNET 物联网平台通信进行数据传送，常用于无线通信领域。模块有三种工作模式，在本系统中，使ESP8266-Wi-Fi 模块工作在STA+AP 模式下，通过指令的调节控制将数据传输至物联网平台，基本能实现数据的同步通信传输，保证系统监测数据的实时性。

4 软件设计

4.1 主程序设计

系统设计采用模块化编程方式，对各个功能进行模块化处理，在主程序中对各个功能进行初始化操作，同时通过设计循环函数，使系统在通电过程中一直处于运行状态。系统得电之后，进行初始化超声波传感器以及ESP8266 模块，同时等待ESP8266-Wi-Fi 模块与OneNET 云平台的连接。等待连接成功后，进入while 循环函数，启动超声波传感器测量，把接受到的结果进行A/D 转换，将转换后的数据存储至中间变量中，通过ESP8266 模块将该数据发送到OneNET 平台。系统主程序流程图如图4 所示。

图4：系统主程序流程图

4.2 超声波模块程序设计

本设计通过主控芯片STM32F103RCT6 进行对超声波模块的启动以及运行控制。将模块与主控芯片的管脚相连，启动超声波模块时需要输入至少10 微秒的高电平，且在此之后将该引脚置低电平，超声波模块将会自动发送8 个40KHz 的声波脉冲信号，此时通过设计whlie 循环函数一直保持监测超声波接收端引脚的状态，等待接受到声波数据后，将进行运算处理以及A/D 转换操作，等待转换结束后将该数据存储在预先设定的中间变量中，然后再次进行超声波的发射，循环进行以上的操作。

4.3 ESP8266-Wi-Fi模块程序设计

本设计借助ESP8266 模块实现单片机与云平台的数据传输功能。对ESP8266 模块进行初始化操作，配置该模块的工作方式。首先配置USART 串口以及定时器工作方式，需要用到USART 串口进行数据的收发，同时用定时器中断判断接收的数据是否连续的两个字符，然后进行ESP8266 模块的工作模式的设定：配置STA+AP模式、重启模块、连接自身的路由、建议TCP 连接、开启透传模式。在配置完工作模式之后便可以进行正常的发送数据。