顧佩月+賀文晨+周雨薇

摘 要：為了改善城市下水道日益嚴(yán)重的堵塞情況，針對(duì)基于SI1000的下水道堵塞預(yù)警裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用SI1000模塊控制HC-SR04超聲波測(cè)距模塊監(jiān)測(cè)下水道水深，LWGY渦輪流量計(jì)監(jiān)測(cè)下水道水流速度，并通過(guò)SI1000無(wú)線通信模塊傳送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并在一定情況下進(jìn)行預(yù)警。本裝置通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)周期性監(jiān)測(cè)下水道情況并通過(guò)無(wú)線通信進(jìn)行預(yù)警的最終目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：SI1000；超聲波測(cè)距；渦輪流量計(jì)；堵塞預(yù)警

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）03-00-02

0 引 言

中國(guó)城市下水道設(shè)施采用的是蘇聯(lián)的“地下管網(wǎng)式”，設(shè)計(jì)偏保守，口徑多在一米左右，承載能力有限，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)下水管道擁堵現(xiàn)象。而且現(xiàn)在下水道堵塞的處理從發(fā)現(xiàn)到整修的周期較長(zhǎng)，會(huì)帶來(lái)諸多不便。然而現(xiàn)階段，中國(guó)無(wú)法對(duì)城市下水道進(jìn)行大規(guī)模改造和重修。而且，下水管道常年埋在地下，當(dāng)出現(xiàn)擁堵預(yù)兆時(shí)，也難以引起人的注意，一旦廢水外溢，往往已經(jīng)是問(wèn)題比較嚴(yán)重了。

如果能有一套自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)下水道中的水位和水流速，就能大致判斷出下水道中的擁塞情況，當(dāng)超過(guò)警戒時(shí)，以一定方式及時(shí)報(bào)警，就能防止下水道廢水外溢事故的發(fā)生。

鑒于以上問(wèn)題，基于SI1000的下水道堵塞預(yù)警裝置設(shè)計(jì)被提出。該裝置通過(guò)測(cè)量距離和流速來(lái)判定下水道是否堵塞，用SI1000進(jìn)行無(wú)線通訊收發(fā)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生預(yù)警。

1 控制器設(shè)計(jì)

1.1 無(wú)線通信模塊

SI1000 是一款微功耗小體積并具備強(qiáng)大無(wú)線通信功能的51類型的單片機(jī)，在本裝置中作為無(wú)線單元的核心器件負(fù)責(zé)采集測(cè)距模塊和流量計(jì)的信號(hào)并通過(guò)無(wú)線射頻進(jìn)行通信。收發(fā)電路如圖1所示。

SI1000微控制器內(nèi)部使用四線制SPI總線，MOSIMISOSCK和NSS與射頻模塊進(jìn)行通信，SI1000將射頻模塊作為外設(shè)進(jìn)行訪問(wèn)，可以通過(guò)設(shè)置射頻模塊的寄存器靈活配置射頻收發(fā)的各項(xiàng)參數(shù)。

1.2 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單個(gè)下水道堵塞預(yù)警裝置如圖2所示。

單個(gè)下水道堵塞預(yù)警裝置主要由4個(gè)模塊構(gòu)成，包括測(cè)距模塊、測(cè)速模塊、供電模塊和無(wú)線通信模塊。測(cè)距模塊測(cè)量下水道管道頂端到液面的距離。測(cè)速模塊測(cè)量下水道管道里水的流速。無(wú)線通信模塊控制測(cè)距模塊和測(cè)速模塊，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和收發(fā)。供電模塊輸出+3.3 V和+5 V兩種電壓，3.3 V給無(wú)線通信模塊進(jìn)行供電，5 V給測(cè)距模塊和測(cè)速模塊進(jìn)行供電。

圖 1 SI1000收發(fā)電路

圖2 單個(gè)下水道堵塞預(yù)警裝置

2 硬件介紹

2.1 測(cè)距模塊

測(cè)距模塊采用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，此模塊有Vcc、Gnd、Trig和Echo四個(gè)I/O口。Vcc接+5 V，Gnd接地，Trig口由SI1000送入一個(gè)高電平信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)測(cè)距，隨后模塊會(huì)自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回，若有信號(hào)返回，通過(guò)I/O口Echo輸出一個(gè)高電平，高電平的持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。

那么測(cè)量的距離即為：

測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*聲速）/2

2.2 測(cè)速模塊

測(cè)速模塊采用LWGY渦輪流量計(jì)，其工作原理為流體流經(jīng)傳感器殼體，流體的沖力使葉片具有轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，在一定的條件下，轉(zhuǎn)速與流速成正比。旋轉(zhuǎn)的葉片切割內(nèi)部的磁力線，周期性的改變著內(nèi)部線圈的磁通量，形成矩形脈沖波并輸出。

在一定的流量范圍內(nèi)，脈沖頻率f與流經(jīng)傳感器的流體的瞬時(shí)流量Q成正比，流量方程式為：

Q=3 600×f / k （1）

其中：f為脈沖頻率（Hz）； k為傳感器的儀表系數(shù)（1/m3） ；Q為流體的瞬時(shí)流量（工作狀態(tài)下）（m3/h）； 3 600是換算系數(shù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)距程序設(shè)計(jì)

利用SI1000產(chǎn)生20 μs的觸發(fā)信號(hào)送入HC-SR04模塊的Trig口。本裝置中采用SI1000定時(shí)器2進(jìn)行計(jì)時(shí)測(cè)量高電平持續(xù)時(shí)間。測(cè)距流程圖如圖3所示。

圖3 測(cè)距流程圖

3.2 測(cè)速程序設(shè)計(jì)

由式（1）可知，為獲得水流速度，需測(cè)量渦輪流量計(jì)產(chǎn)生脈沖的頻率。本裝置中采用1 s內(nèi)產(chǎn)生脈沖個(gè)數(shù)作為采樣點(diǎn)脈沖的頻率。當(dāng)SI1000檢測(cè)到輸入信號(hào)由低到高的一個(gè)跳變時(shí)，則認(rèn)為產(chǎn)生一個(gè)脈沖。這部分程序的實(shí)現(xiàn)將在下文的主程序設(shè)計(jì)中具體說(shuō)明。

3.3 無(wú)線通信

無(wú)線收發(fā)模塊之間的通信是以數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行的，無(wú)線收發(fā)采用的數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)格式如下：

DataBuffer[0]=0x00；

DataBuffer[1]=2；

DataBuffer[2]=Dist；

DataBuffer[3]=Speedvalue；

一個(gè)數(shù)據(jù)包由前導(dǎo)碼、同步字、數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度、距離值和水速值）組成。前導(dǎo)碼的作用是確定接收模塊與發(fā)送模塊同步，同步字是為了更好的進(jìn)行同步以便找到幀頭，同步模式的標(biāo)志碼就是設(shè)好的同步字。距離與水速值儲(chǔ)存在DataBuffer第三、四位。發(fā)送程序就是采用這樣的數(shù)據(jù)包將數(shù)據(jù)發(fā)送出去的。

程序開(kāi)始運(yùn)行后，完成SI1000的參數(shù)和子程序初始化以及SPI接口和射頻的初始化后，配置寄存器寫入相應(yīng)的初始化RF控制字，系統(tǒng)初始化及參數(shù)配置完畢之后，開(kāi)始檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送標(biāo)志DataTxFlag。當(dāng)DataTxFlag=1時(shí)，調(diào)用發(fā)送程序?qū)?shù)據(jù)包發(fā)送。

接收程序類似于發(fā)送程序，接收模塊處于一直接收的工作狀態(tài)，同時(shí)在不斷檢測(cè)接收標(biāo)志RxPacketReceived，當(dāng)RxPacketReceived=1時(shí)，將接收的數(shù)據(jù)取出，再進(jìn)行水速和距離值的判斷和預(yù)警。

3.4 主程序設(shè)計(jì)

3.4.1 主程序流程

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化后，進(jìn)入while（1）無(wú)限循環(huán)開(kāi)始具體功能實(shí)現(xiàn)。具體功能包括兩大部分：檢測(cè)功能和無(wú)線收發(fā)功能。檢測(cè)功能有測(cè)距和測(cè)速兩部分組成。

當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)置的時(shí)間周期之后，開(kāi)始運(yùn)行檢測(cè)程序的測(cè)距部分。實(shí)際會(huì)出現(xiàn)以下兩種的情況：當(dāng)水面高度（即水面距離管頂?shù)母叨龋┰诤侠淼姆秶鷥?nèi)，說(shuō)明下水管道無(wú)險(xiǎn)情，則跳過(guò)水速的測(cè)量。若水面高度到達(dá)預(yù)設(shè)的警戒值，為判斷下水管道是處于堵塞狀態(tài)還是由于暴雨水位激增，開(kāi)啟水速的測(cè)量，若存在一定的水速，則說(shuō)明下水管道未堵塞；若水速過(guò)低時(shí)，則說(shuō)明下水管道即將堵塞。當(dāng)檢測(cè)部分結(jié)束后將數(shù)據(jù)發(fā)送標(biāo)志置1，將測(cè)量的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)緩沖器中，將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收節(jié)點(diǎn)。若下水管道即將出現(xiàn)堵塞狀況，接收節(jié)點(diǎn)對(duì)外界發(fā)出預(yù)警。主程序流程圖如圖4所示。

3.4.2 核心程序設(shè)計(jì)

本文中采用狀態(tài)機(jī)的思想編寫主流程核心控制程序。

設(shè)置任務(wù)標(biāo)志taskFlag控制狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，具體對(duì)應(yīng)方式見(jiàn)表1。

表1 任務(wù)標(biāo)志對(duì)應(yīng)狀態(tài)

taskFlag 對(duì)應(yīng)狀態(tài)

0 檢測(cè)準(zhǔn)備

1 測(cè)距

2 測(cè)速輸出脈沖低電平

3 測(cè)速輸出脈沖高電平

4 發(fā)送準(zhǔn)備狀態(tài)

圖4 主程序流程圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文中介紹下水道堵塞預(yù)警裝置，通過(guò)周期監(jiān)控下水道的情況，并進(jìn)行無(wú)線通信向外界發(fā)布預(yù)警信息，在一定程度上解決下水道堵塞問(wèn)題。但本裝置只是從原理上簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控下水道水深、水速，并進(jìn)行兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間無(wú)線傳輸?shù)墓δ埽趯?shí)際的應(yīng)用中，仍需考慮到下水道的環(huán)境對(duì)裝置所帶來(lái)的影響，并對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的完善。

參考文獻(xiàn)

[1]包亮，王里奧，陳萌，等.基于GPRS的市政下水道氣體安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[J].中國(guó)給水排水，2009，25（15）：39-42.

[2]楊靜，梁偉臻，孟慶強(qiáng).城市下水道可燃有毒氣體的監(jiān)測(cè)方法[J].中國(guó)給水排水，2005，21（1）：89-90.

[3]高承志，馬建倉(cāng).基于SI1000多路無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（12）：118-123.

[4]張昱，楊健， 趙修金.基于SI1000的無(wú)線閥門狀態(tài)監(jiān)控器[J].2013， 22（11）：90-94.

[5]艾海男，李茂林，何強(qiáng)，等.下水道污水處理研究進(jìn)展及展望[J].中國(guó)給水排水，2013，29（12）：1-4.

[6]李光輝，趙軍，王智.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19（6）：2760-2764.