劉艷妮

（長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430212）

供水管網(wǎng)被譽(yù)為中國(guó)城市生活供水的“大動(dòng)脈”。近年來，隨著城市供水管網(wǎng)的逐年擴(kuò)大，長(zhǎng)期埋設(shè)于地下的管道的老化和超期服役[1]，管網(wǎng)漏水問題變得愈發(fā)頻繁，導(dǎo)致供水緊張，嚴(yán)重影響生產(chǎn)生活，更是對(duì)水資源造成了大量浪費(fèi)，甚至是污染。而管道漏水檢測(cè)仍然存在人為判斷且定位不準(zhǔn)確的問題?；诖?，筆者采用STM32單片機(jī)作為微處理器，設(shè)計(jì)了一款基于聲波的管道測(cè)漏檢測(cè)系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)泄漏點(diǎn)的檢測(cè)和定位。

1 管道漏水檢測(cè)方法概述

傳統(tǒng)的管道測(cè)漏方法主要有區(qū)域裝表法、聽音法、紅外法、探地雷達(dá)法、相關(guān)檢漏法等[2]。其中，區(qū)域裝表法采用流量表統(tǒng)計(jì)對(duì)照進(jìn)行漏水計(jì)量差測(cè)量，對(duì)表的數(shù)量和裝表的密集性有特定要求，并且無法準(zhǔn)確定位漏水的位置，所以難以進(jìn)行下一步的修復(fù)工作。聽音法，是利用專用的聽音工具偵聽漏水的聲音，并根據(jù)漏水音的特質(zhì)來判斷漏水的位置，是目前應(yīng)用較為廣泛的測(cè)漏方法。對(duì)應(yīng)產(chǎn)品為漏水檢測(cè)儀，種類較多。該方法雖然可以準(zhǔn)確定位泄漏點(diǎn)，但是需要檢測(cè)人員具有相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)積累。紅外法采用紅外熱成像技術(shù)，根據(jù)不同物體熱輻射的紅外線波段不同，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。當(dāng)有管道漏水發(fā)生時(shí)，漏水管道區(qū)域與其周圍環(huán)境便形成了溫度差，通過紅外圖像可發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)。因?yàn)榈叵屡潘?、積水情況復(fù)雜，該方法的誤報(bào)率高，測(cè)量精度不高。探地雷達(dá)法是利用電磁波信號(hào)實(shí)現(xiàn)測(cè)量，電磁波發(fā)射后，根據(jù)讀取的反射波檢測(cè)管道狀態(tài)。由于地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分層較為雜亂，電磁波穿透能力受到很大限制，同時(shí)，探地雷達(dá)價(jià)格昂貴，目前尚未達(dá)到普及應(yīng)用。相關(guān)檢漏法為聲振法，是目前較為先進(jìn)的檢漏方法，能確定漏點(diǎn)位置，且不依賴檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)，是管道泄漏檢測(cè)定位的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。本系統(tǒng)利用相關(guān)檢漏的基本原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 管道泄漏信號(hào)的特性與檢測(cè)原理

當(dāng)管道產(chǎn)生泄漏時(shí)，水流會(huì)在漏點(diǎn)處與管壁碰撞產(chǎn)生振動(dòng)，形成泄漏水聲信號(hào)。經(jīng)過相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，泄漏水聲信號(hào)主要分為三種[3]：

1）泄漏點(diǎn)的水流與管道壁摩擦形成的聲音信號(hào)，頻率范圍在300 Hz～2 500 Hz之間，沿供水管道向兩側(cè)傳播；

2）泄漏點(diǎn)的水流與周圍介質(zhì)（比如石礫或者其他埋設(shè)介質(zhì)等）的碰撞產(chǎn)生的聲音信號(hào)，頻率范圍一般在100 Hz～800 Hz之間，沿介質(zhì)向四周傳播；

3）漏水振動(dòng)引起的接口處零件輕微摩擦產(chǎn)生的聲音信號(hào)和管道自身的諧振信號(hào)，頻率范圍多在300 Hz～900 Hz之間，在水中傳播。

因后兩種情況產(chǎn)生的漏水聲波相較于第一種情況，其傳播的范圍和傳播的速度相對(duì)較小，且無規(guī)律可循，所以本設(shè)計(jì)主要針對(duì)頻率范圍在300 Hz～2 500 Hz聲波信號(hào)的漏水檢測(cè)。我國(guó)的供水管道普遍使用鑄鐵管和塑料管，其中，鑄鐵管產(chǎn)生的泄漏信號(hào)主要能量頻率集中在1 000 Hz～2 000 Hz之間，塑料管道產(chǎn)生的泄漏信號(hào)主要能量頻率集中在100 Hz～700 Hz之間。檢測(cè)時(shí)，將聲波傳感器吸附在管道壁上拾取聲波信號(hào)，根據(jù)采集到的信號(hào)頻譜分布和管道材料確定管道是否存在泄漏[4]。

漏點(diǎn)定位是在漏點(diǎn)兩側(cè)安裝聲波傳感器，當(dāng)兩個(gè)傳感器與漏點(diǎn)的距離不同時(shí)，采集到的聲波信號(hào)必然會(huì)存在時(shí)間差，利用時(shí)間差可判斷出漏點(diǎn)的具體位置。

如圖1所示，1、2為漏點(diǎn)兩測(cè)管道安裝的兩個(gè)聲波傳感器，距離為L(zhǎng)，漏點(diǎn)到傳感器1的距離為L(zhǎng)1，到傳感器2的距離為L(zhǎng)2。1、2拾取信號(hào)的時(shí)間差為Δt，若聲波的傳播速度為ν，則有：

圖1 定位示意圖

得出：L1=(L+ν·Δt)/2，L2=(L-ν·Δt)/2。當(dāng)ν一定時(shí)，漏點(diǎn)位置可以確定。

3 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

檢測(cè)系統(tǒng)主要由MCU模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、人機(jī)交互模塊和電源模塊五個(gè)模塊組成。檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要由集成式的振動(dòng)傳感器、放大電路和濾波電路組成，傳感器負(fù)責(zé)拾取振動(dòng)聲波信號(hào)，并經(jīng)過放大電路、濾波電路進(jìn)行后續(xù)的放大、濾波處理。人機(jī)交互模塊主要包括按鍵和液晶界面顯示，按鍵功能主要包括采集的開始、暫停、停止、顯示模式切換、顯示字符切換、簡(jiǎn)單的菜單移位，如上下移位，并有預(yù)留鍵，使用的按鍵較多，所以系統(tǒng)采用矩陣式鍵盤；液晶界面主要顯示檢測(cè)的結(jié)果，如是否有漏水及位置信息，同時(shí)，會(huì)有啟動(dòng)、檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)是否連通標(biāo)志等。通信模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)與上位機(jī)的信號(hào)傳輸，考慮到儀器使用的便攜性，采用無線WiFi實(shí)現(xiàn)通信。MCU模塊作為核心模塊，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各功能模塊的正常運(yùn)行，對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊的聲波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理和識(shí)別,檢測(cè)和識(shí)別按鍵、響應(yīng)處理相應(yīng)的請(qǐng)求，將檢測(cè)結(jié)果和數(shù)據(jù)發(fā)往液晶屏進(jìn)行顯示，并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的無線網(wǎng)絡(luò)連接和雙向通信。電源模塊為所有的單元模塊提供工作電源。

3.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

其中，聲波傳感器負(fù)責(zé)采集管道的聲波信號(hào)，系統(tǒng)選用SKU DFR0052模擬壓電陶瓷震動(dòng)傳感器[5]，如圖4所示，輸出電流小于1 mA,當(dāng)陶瓷片感受到震動(dòng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)。因傳感器輸出的信號(hào)比較微弱，需經(jīng)放大電路進(jìn)行放大，后經(jīng)低通濾波電路得到有用信號(hào)。放大電路選用極低噪聲水平、超低失真、高動(dòng)態(tài)特性的運(yùn)算放大器TL974，工作電壓為2.7 V～12 V，工作溫度為-40℃～125℃。

圖4 SKU DFR0052模擬壓電陶瓷震動(dòng)傳感器

MCU選用意法半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)的32位的STM32F103微處理器，ARM Cortex-M3內(nèi)核，最高72 MHz的工作頻率，128 K字節(jié)的閃存、20 K字節(jié)的SRAM，豐富的增強(qiáng)I/O口，2個(gè)I2C接口，3個(gè)SPI接口，5個(gè)USART接口，提供并行LCD接口，兼容8080/6080模式，2個(gè)12位的ADC，2.0 V～3.6 V電源供電，功能強(qiáng)大。其中，ADC為逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，擁有16個(gè)采集通道，具有雙采樣和保持功能，轉(zhuǎn)換時(shí)間1μs，轉(zhuǎn)換范圍0～3.6 V。本系統(tǒng)利用STM32的ADC實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化。

無線通信模塊選用嵌入式WiFi模塊，內(nèi)置WiFi驅(qū)動(dòng)和協(xié)議，串口連接，單5 V或3.3 V供電，溫度范圍-45℃～85℃，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與上位機(jī)的雙向通信。

LCD顯示選用TM9665ACC的LCD液晶屏，ST7567驅(qū)動(dòng)。ST7567是單芯片點(diǎn)矩陣式液晶顯示屏的專用驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部集成液晶控制器和公共端、段選驅(qū)動(dòng)器，具有65×132位的內(nèi)部顯示數(shù)據(jù)內(nèi)存DDRAM、132個(gè)段輸出、64個(gè)公共輸出、1個(gè)圖標(biāo)公共輸出，功耗低，組件少，工作時(shí)無需外部時(shí)鐘或電源，提供多種通信方式：6800、8080、SPI等。其中，6800、8080是并口通信方式，SPI為4線串口通信方式。該系統(tǒng)使用SPI通信方式驅(qū)動(dòng)TM9665ACC的LCD液晶屏，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

按鍵選用4×4矩陣式鍵盤，按鍵設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是防抖，這里采用軟件去抖。去抖流程圖如圖5所示。

圖5 按鍵去抖流程圖

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的微處理器主程序主要包括外設(shè)初始化、信號(hào)采集、數(shù)據(jù)傳輸、接收上位機(jī)命令等。微處理器主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

系統(tǒng)上電后，首先完成外設(shè)的初始化工作，然后檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)是否連通，當(dāng)通信系統(tǒng)正常時(shí)，等待上位機(jī)的命令；接收到命令后，解析、執(zhí)行命令，直到命令執(zhí)行完畢，退出，等待。

4 結(jié)束語

綜上所述，本系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，實(shí)用性強(qiáng)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)能夠達(dá)到初步的預(yù)期效果，后續(xù)將繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高檢測(cè)精度，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。