一種新型管道滲漏檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)與檢測(cè)相關(guān)的原理，設(shè)想出用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)來檢測(cè)管道滲漏，采用單片機(jī)等低功耗器件，設(shè)計(jì)出低功耗，噪聲小，可通信的檢測(cè)裝置。

生活工作中管道滲漏會(huì)帶來很大的影響，嚴(yán)重干擾了正常生活和生產(chǎn)進(jìn)度，給人們帶來了極大的不便。為防止管道滲漏帶來的不利影響，減少損失，設(shè)計(jì)一款滲漏檢測(cè)系統(tǒng)是很有必要的，能夠及時(shí)找出漏水點(diǎn)并及時(shí)修復(fù)。

本設(shè)計(jì)通過HC-05藍(lán)牙與從機(jī)與主機(jī)通信。主機(jī)采用計(jì)算機(jī)，從機(jī)以MK60單片機(jī)為主控制器，由信號(hào)采集模塊、A＼D轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)放大模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊等外圍電路組成。將探測(cè)設(shè)備安裝在消防拴、閥門、管道等易泄露位置，通過聲音采集設(shè)備100%實(shí)時(shí)聽音，一旦發(fā)生滲漏立即報(bào)警，主機(jī)顯示報(bào)警位置，及時(shí)排查出滲漏地點(diǎn)

關(guān)鍵詞：滲漏檢測(cè)；聲音采集；去噪

[Abstract] With the rapid development of science and technology in the 21st century，the pace of people's life is speeding up. Due to start construction quality and use fixed number of year of sewers is increasing，the change of geological structure，the pressure change under the action of various factors such as joint，hard to avoid can produce crack will lead to leakage，with the occurrence of leakage，loose around the foundation settlement will further drive pipe crack，make funnelled grows worse. In order to save water resources，reduce the harm of leakage to the family facilities，eliminate the safety hidden danger caused by leakage，a scientific leakage detection and control system is needed.

[Keywords] leakage detection；sound acquisition；denoising

1、課題的來源及意義

21世紀(jì)隨著科技的飛速發(fā)展，人們生活節(jié)奏的加快，由于管道漏水引起的事故也越來越多。由于開始的施工質(zhì)量，加上排水管網(wǎng)使用年限的不斷增長(zhǎng)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，外界壓力變化等各種因素共同作用下，管道難以避免會(huì)產(chǎn)生裂縫導(dǎo)致滲漏，隨著滲漏的發(fā)生，周圍地基松動(dòng)沉降會(huì)進(jìn)一步拉動(dòng)管道裂縫，使漏點(diǎn)不斷變大惡化。為了節(jié)約水資源，減少泄漏對(duì)家庭設(shè)施的危害，排除由于泄漏原因造成的安全隱患，需要一套科學(xué)的漏水檢測(cè)控制系統(tǒng)。

隨著自動(dòng)化技術(shù)及人們生活水平的提高，智能家居的概念被越來越多的人所接受。所謂智能家居，是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。在日常生活中，智能漏水檢測(cè)系統(tǒng)是在家居安全里具有十分重要的作用。通常由于一時(shí)疏忽，如停水時(shí)忘關(guān)水龍頭、下水不通暢、管道破損等意外原因所造成家居漏水，很多情況下事態(tài)嚴(yán)重，不僅是自家受損失，同一棟樓里的人也會(huì)同樣受害。因此設(shè)計(jì)一種漏水檢測(cè)控制系統(tǒng)，能自動(dòng)檢測(cè)選定區(qū)域的意外漏水，并伴隨聲光報(bào)警，提示出現(xiàn)的浸水事件，減少漏水狀況的惡化，能有效地防止各種損失進(jìn)一步擴(kuò)大。

2、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，我國(guó)供水行業(yè)普遍存在管網(wǎng)漏水問題，平均水損率約20，，其中漏損約占水損的50，，有的地方管網(wǎng)漏水問題甚至非常嚴(yán)重，這就大大地降低了供水企業(yè)的供水效益，也給水資源造成嚴(yán)重浪費(fèi)，有些甚至影響到人們的正常生產(chǎn)和生活。

目前國(guó)內(nèi)漏水檢測(cè)儀器設(shè)備和技術(shù)大多數(shù)采用聲波檢測(cè)的原理——通過檢測(cè)承壓水從漏點(diǎn)噴出而產(chǎn)生的噪聲來確定管道是否漏水和漏點(diǎn)的位置。很多公司都是做水浸傳感器，漏水檢測(cè)線的。這些公司大部分采用的點(diǎn)式，或者銅絲短路的方式進(jìn)行檢測(cè)，相比國(guó)外同類產(chǎn)品比較簡(jiǎn)單，低端，不能精確定位。

國(guó)外漏水檢測(cè)技術(shù)一直走在世界的前線，隨著時(shí)代的發(fā)展，當(dāng)然漏測(cè)檢測(cè)技術(shù)也是發(fā)展的越來越好，漏水查漏，當(dāng)最初的簡(jiǎn)單的聽漏技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在各種的漏水檢測(cè)設(shè)備和自動(dòng)化漏水檢測(cè)。其中加拿大對(duì)塑料自來水管漏水檢測(cè)做出很大的貢獻(xiàn)，塑料自來水管漏水檢測(cè)的研究主要利用流動(dòng)體在通過漏孔漏水流動(dòng)的水聲和噪聲。

3、論文研究的內(nèi)容

本系統(tǒng)為漏水檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)完成對(duì)家庭樓房的監(jiān)控，對(duì)暖通空調(diào)設(shè)備區(qū)、關(guān)鍵管道、儲(chǔ)存室、消防栓與閥門等易泄露位置進(jìn)行漏水檢測(cè)。當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)，感應(yīng)傳感器通過聽聲，進(jìn)行信號(hào)的分析，就會(huì)立即將信號(hào)傳給報(bào)警控制器。通過微處理器可顯示泄漏具體位置。因系統(tǒng)較大，所以采用多個(gè)單片機(jī)處理，可采用HC-05通信，組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。下節(jié)點(diǎn)完成現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、控制、記錄、報(bào)警，上節(jié)點(diǎn)完成遠(yuǎn)程監(jiān)控。

該系統(tǒng)能精確檢測(cè)到是否有漏水發(fā)生，并且報(bào)告具體漏水位置，因此這種方案適合于日常家居。

4、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

4.1系統(tǒng)控制方案

本系統(tǒng)采用MK60單片機(jī)作為主控制器。MK60是一種低功耗、高性能32位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用NXP公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的32位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得MK60在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)。

4.2電源模塊

方案一：采用半波整流電路。半波整流是一種利用二極管的單向?qū)ㄌ匦詠磉M(jìn)行整流的常見電路，除去半周、下半周的整流方法，叫半波整流。作用是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，也就是整流。變壓器的次級(jí)繞組與負(fù)載相接，中間串聯(lián)一個(gè)整流二極管，就是半波整流。利用二極管的單向?qū)щ娦?，只有半個(gè)周期內(nèi)有電流流過負(fù)載，另半個(gè)周期被二極管所阻，沒有電流。這種電路，變壓器中有直流分量流過，降低了變壓器的效率；整流電流的脈動(dòng)成分太大，對(duì)濾波電路的要求高。只適用于小電流整流電路。

方案二：采用單相橋式整流電路。單相橋式整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路。單相橋式整流電路在帶電感性負(fù)載的工作情況理想。單相橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便。單相橋式整流電路具有輸出電流脈動(dòng)小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個(gè)等大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)。

綜合以上方案，根據(jù)本系統(tǒng)的控制要求，選擇方案二單相橋式整流電路更為合理更為合適。

4.3 顯示模塊

方案一：采用LCD顯示電路。采用兩片HD61202作為列驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)使用一片HD61203作為行驅(qū)動(dòng)器的液晶模塊。HY12864具有簡(jiǎn)單而功能較強(qiáng)的指令集，與微控制器的數(shù)據(jù)傳輸采用8位并行傳輸方式。在HY12864中，兩片HD61202的ADO均接高電平，RST也接高電平，這樣在使用HY12864時(shí)就不必再考慮這兩個(gè)引腳的作用了。片內(nèi)Flash中存入了需要使用的字符庫(kù)，通過調(diào)用LCD字符顯示程序，可以顯示中英文字符，市場(chǎng)價(jià)格比較高。

方案二：采用LED數(shù)碼管顯示電路。數(shù)碼管實(shí)際上是由七個(gè)發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點(diǎn)就是8個(gè)。這些段分別由字母a，b，c，d，e，f，g，dp來表示。當(dāng)數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會(huì)發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的 2個(gè)8數(shù)碼管字樣了。LED數(shù)碼管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸數(shù)碼管的顯示筆畫常用一個(gè)發(fā)光二極管組成，而大尺寸的數(shù)碼管由二個(gè)或多個(gè)發(fā)光二極管組成，一般情況下，單個(gè)發(fā)光二極管的管壓降為1.8V左右，電流不超過30mA。發(fā)光二極管的陽(yáng)極連接到一起連接到電源正極的稱為共陽(yáng)數(shù)碼管，發(fā)光二極管的陰極連接到一起連接到電源負(fù)極的稱為共陰數(shù)碼管。常用LED數(shù)碼管顯示的數(shù)字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。電路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)適用、實(shí)現(xiàn)起來比較容易。

由于本系統(tǒng)顯示模塊對(duì)漏水位置進(jìn)行顯示，四位靜態(tài)顯示就可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，而LED數(shù)碼管顯示恰恰可以很好完成本系統(tǒng)的任務(wù)要求，所以選擇方案二更為合適。

4.4 傳感器模塊

方案一：采用咪頭模塊，采用5V供電，對(duì)周圍聲音進(jìn)行采集，可以檢測(cè)周圍聲音的有無(wú)，輸出形式為0和1高低電平，當(dāng)聲音強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)定的閾值時(shí)，輸出低電平，反之輸出高電平，且靈敏度可調(diào)。缺點(diǎn)是只能識(shí)別聲音的強(qiáng)度，不能識(shí)別聲音的大小和特定頻率的聲音。

方案二：采用高敏度麥克風(fēng)模塊。該模塊采用5V供電。該模塊輸出形式有DO和AO兩種形式。除了能輸出高低電平外，還有AO形式輸出，實(shí)時(shí)輸出麥克風(fēng)的電壓信號(hào)。且靈敏度高，并且價(jià)格合適。

由于本系統(tǒng)對(duì)聲音采集要求比較嚴(yán)格，需要分析聲音的大小，所以選擇方案二比較合適。傳感器如圖4.4.1所示。

5、系統(tǒng)功能

5.1 系統(tǒng)功能框圖

5.2 聲音采集

本系統(tǒng)通過高敏度麥克風(fēng)采集聲音，通過傳感器內(nèi)置芯片輸出電壓信號(hào)，通過放大電路將電壓信號(hào)放大，并通過A/D轉(zhuǎn)換程序?qū)⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)化位數(shù)字信號(hào)。放大電路由LM358為核心的直流放大電路，電路圖如5.2.1所示。

5.3 噪聲抑制

本系統(tǒng)對(duì)聲音的準(zhǔn)確性要求極高，因此對(duì)噪聲的處理必不可少。由于無(wú)法直接觀察聲音的大小，所以將傳感器輸出的電壓通過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，輸出波形，通過觀察波形來分析聲音。傳感器放置在管道附近，日常的人的腳步，電梯的運(yùn)動(dòng)都會(huì)引起震動(dòng)，對(duì)漏水的檢測(cè)造成很大干擾，所以必須降噪。分別采集了發(fā)生滲漏時(shí)的波形和未發(fā)生滲漏時(shí)日常的波形，通過對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)生滲漏時(shí)水滴的聲音對(duì)波形影響占主導(dǎo)地位，其他的噪聲干擾影響較小，所以決定通過采用濾波的方式去除噪聲引起的雜波，去除噪聲干擾。本系統(tǒng)采用MATLAB對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

方案一：無(wú)限長(zhǎng)沖激響應(yīng)（IIR）濾波器，該濾波器傳輸函數(shù)的極點(diǎn)可位于單位圓內(nèi)的任何地方，因此可用于較低的階數(shù)，以獲得高的選擇性，所用的貯存單元少，但卻以犧牲相位的非線性為代價(jià)。

方案二：有限長(zhǎng)沖激響應(yīng)（FIR）濾波器，該濾波器可以得到嚴(yán)格的線性相位輸出，但只能用較高的階數(shù)來達(dá)到高的選擇性。

因?yàn)镕IR沒有穩(wěn)定性問題，所以選擇方案二。

濾波效果如圖5.3.1所示。

6、結(jié)論

本設(shè)計(jì)是以HC-05通信方式的漏水檢測(cè)控制系統(tǒng)。下節(jié)點(diǎn)完成現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、控制、記錄、報(bào)警。上節(jié)點(diǎn)完成遠(yuǎn)程監(jiān)控。本系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心部件配合相應(yīng)外圍電路構(gòu)成的漏水檢測(cè)控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)用于家居樓房的監(jiān)控，對(duì)暖通空調(diào)設(shè)備區(qū)、關(guān)鍵管道、儲(chǔ)存室、消防栓與閥門等易泄露位置進(jìn)行漏水檢測(cè)。

主機(jī)采用計(jì)算機(jī)，從機(jī)以單片機(jī)MK60為主控制器，由信號(hào)采集模塊、A＼D轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)放大模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊等外圍電路組成.軟件部分由控制軟件和單片機(jī)匯編程序組成。通過硬件和軟件的協(xié)調(diào)工作，泄露發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)檢測(cè)到漏水信號(hào)并通過顯示電路和報(bào)警電路顯示泄露點(diǎn)并報(bào)警。本系統(tǒng)性能穩(wěn)定、硬件器件使用少、成本低廉、具有推廣意義，軟件部分功能全面，操作簡(jiǎn)單，結(jié)合當(dāng)代最流行最科學(xué)的定位式檢測(cè)模式很好的對(duì)家居樓房實(shí)時(shí)監(jiān)控。

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作者簡(jiǎn)介：尹瀚（1998.01.08——），性別：男，民族：漢族，就讀于臨沂大學(xué)。

（作者單位：臨沂大學(xué)）