供暖管道智能监控系统设计

王 婷，丁明琪

（安徽文达信息工程学院 电子电气工程学院，安徽合肥 231201）

1 供暖管道监控现状

为了满足基本的生产生活需求，国家大力建设集中供暖设施。在国家政策的大力扶持下，供暖用户逐渐增多，供暖管道负担也越来越大。由于多数城市管道陈旧或者铺设管道的空间狭小，当供暖管道发生异常时很难及时发现，因此在这个过程中实现对供暖管道实时检测就显得尤为重要。

传统检测方法采用的是人工检测。随着信息化时代的到来，以及各种处理系统的出现，对设备运行环境数据的获取精度要求也越来越高。传统数据的精确度已经不能够满足不同的应用环境。使用传统方法进行相关设备数据检测既不方便，在一定程度上也不能够适应时代发展的趋势。

为了解决上述问题，近年我国在新铺设的供暖管道中大量运用传感器来进行管道检测，但是早期铺设或者老旧的管道仍然只能靠人力检测。而且早期供暖管大多数铺设不规范且铺设地方较为狭小，管道发生大面积破损，作业人员无法及时到达现场进行修理，导致大量水资源被浪费。为了弥补现有监控系统的不足之处，相对智能且易于安装的供暖管道智能监控系统就应运而生，它能自行处理一部分管道问题。目前市场上检测水管漏水的仪器主要有相关仪、管线仪和非金属管道探测仪。相关仪是一种基于声学原理的泄漏检测仪器，可以快速、准确、可靠地定位泄漏点。随着电子技术的不断发展，人们研发出了各种各样的智能监控设备，使得供暖管道监控系统朝着体积小、运行速度快的方向迅速发展，这也为智能监控系统运行提供可靠保障。

在此背景下，本文设计了一款基于STM32的供暖管道智能监控系统，该系统包含温度、压力和流量检测模块，通过温度检测模块检测供暖管道的温度；通过压力传感器检测管内压力；通过单片机控制步进电机关闭阀门，减少热水的流失；通过流量检测模块检测供暖所消耗的用水量，并且与水表上显示的用水量对比，从而达到检测用户或管道用水量是否正常的目的。

2 系统设计思路

供暖管道智能监控系统的具体工作流程是：通过传感器模块对供暖管道进行温度、压力及水流量检测，测量数据经控制器分析处理。当数据发生异常时，控制器进行报警并通过步进电机控制阀门的开启和关闭。此外，为避免水压过大导致管道破裂的情况，本设计还额外添加了自动泄压阀。供暖管道智能监控系统的安装结构如图1所示。

图1 供暖管道智能监控系统安装结构

3 系统硬件设计

本文利用Altium Designer软件设计供暖管道智能监控系统的电路，如图2所示。该系统电路主要由单片机核心电路、温度检测电路、压力检测电路、液体流量监测电路、声光报警电路和步进电机电路组成。

图2 电路原理

温度检测模块主要采用DS18B20温度传感器实现温度测量。该传感器能够直接获取环境中的温度数据且体积较小，可在空间狭小的地方使用。该传感器检测到环境温度数据后会把模拟数据转换为数字信号进行传输，对于环境模拟数据能够快速进行获取，不用独立提供电源。

液体流量检测电路主要采用YF-S201霍尔流量传感器实现液体流量测量。YF-S201霍尔流量传感器是一种易于学习和使用且低成本高效益的检测传感器。其基本工作原理是：当水通过该传感器的水流转子组件时，会带动磁性转子转动，同时霍尔传感器输出相应脉冲信号并发送给STM32单片机。STM32单片机根据检测到的脉冲数即可计算水流量，最终由显示模块显示具体数据。

压力检测模块由以下两部分组成。

（1）压力检测电路。本设计采用的XGZP6847型压力传感器适用于非腐蚀性气体和液体，标准信号输出、宽温度补偿。其工作原理是：当外界压强发生变化时其OUT角输出不同电压值，通过STM32单片机PB1引脚检测电压变化，从而得到具体压强值，并通过显示模块显示具体压强值。当测得的压力低于设定阈值时，声光报警电路报警，STM32单片机通过ULN2003芯片驱动步进电机反转一圈半，关闭阀门，避免水管破裂导致大量水资源浪费。当压力高于设定阈值时，通过ULN2003芯片驱动步进电机正转一圈半，开启阀门，同时声光报警电路报警提示已打开阀门，防止水压过大对供暖系统造成损坏。

（2）自动泄压阀模块。该模块主要解决避免水压过大导致管道爆裂的问题。其工作原理相对简单，当水压小于泄压阀阈值时阀门关闭；当水压超过泄压阀阈值时阀门自动打开。本系统在设置高压阈值时，将管道供暖时所能承受的最大压力值设为略高于自动泄压阀临界阈值，以达到提前泄压的目的。

4 软件设计流程

本文设计的供暖管道智能监控系统，是通过主控单片机、外围检测设备进行管道运行数据的采集以及转化。通电后，首先要对各个检测模块、传输引脚初始化。各个检测模块初始化成功后，再进行数据的逻辑处理工作。根据逻辑处理使得系统能够进行数据自主化处理、判断等工作，系统面临紧急情况的处理方式都进行逻辑编程控制。系统的软件流程如图3所示。

图3 软件流程

5 实物调试

本设计的硬件实物如图4所示，通电后能够看到液晶显示当前环境下的温度T、压强P以及流量flow。长按K1进入设置界面，按下K2、K3对温度上限进行调整，第一次按下K4后，按K2、K3对温度下限进行调整。第二次按K4键，进入设置压力界面，按下K2或K3调整压力设定值。

图4 硬件实物图

当用注射器打入或者抽取空气模拟压力变化时，压力检测模块能够正常检测出气压的变化，并且步进电机会随着气压超出设定值正转一圈半（模拟打开阀门），低于设定值反转一圈半（模拟关闭阀门）。对温度传感器加热时，当温度超出上限和低于下限时则报警，温度在上限和下限之间时不报警，低于下限时报警。对霍尔水流量传感器通水时，传感器能够正常测量，测量数据经过单片机处理后由液晶显示器显示。

6 结束语

本设计实现了对供暖管道温度、流量和压力的实时检测，不仅可以有效避免因地下供暖管道损坏没有及时处理，导致水资源浪费及公共财产损失的问题，还节约了大量的人力成本。此外，本设计装置体积相对较小，易于安装，可以有效弥补现有供暖管道系统监控不足的问题。本设计具有一定的市场应用价值。