基于計算機(jī)控制的窨井管網(wǎng)探測系統(tǒng)的研究

呂東芳 宋雷震

（1.淮南聯(lián)合大學(xué)計算機(jī)系；2.淮南聯(lián)合大學(xué)機(jī)電系 安徽淮南 232001）

伴隨著城市中污水排放量的不斷遞增，道路上污水溢流的現(xiàn)象時有發(fā)生，甚至已經(jīng)成了城市環(huán)境污染源的一分子，尤其在夏季，溢流現(xiàn)象尤為突出。在多雨的長江、黃淮一帶，每逢多雨季節(jié)，河道水位急速上升，不但對城市道路造成影響，也嚴(yán)重困擾了人們正常的工作、生活，因此針對地下管網(wǎng)檢測技術(shù)的研究是非常有必要的，對城市排水系統(tǒng)的健康、穩(wěn)定發(fā)展有著十分積極的意義。城市中各類管網(wǎng)為維修方便，都會留置窨井，方便在使用過程中對管網(wǎng)維護(hù)。窨井通常置于地表以下，以城市污水管網(wǎng)為例，污水中含有各類生活垃圾，容易導(dǎo)致管道淤塞，形成道路積水、內(nèi)澇，且隨著時間的增長出現(xiàn)事故的可能性不斷增加，若不能及時采取有效措施，會造成嚴(yán)重的安全隱患。目前檢測堵塞位置的方式是利用人工作業(yè)，由專業(yè)工作人員攜帶工具深入到窨井下進(jìn)行實(shí)地查看解決，因窨井內(nèi)環(huán)境極度惡劣，所以一方面影響人工作業(yè)的準(zhǔn)確性，維修困難；另一方面也會給工作人員帶來人身傷害，增加維修成本。基于窨井及管網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計出一種代替人為工作的探測手段是符合當(dāng)前的實(shí)際需要并在一定程度上可以提高運(yùn)行、維修效率。

一、現(xiàn)有檢測方式

現(xiàn)有窨井檢測方式效率低，不能準(zhǔn)確辨別窨井故障位置，常用檢測方式如下：

（一）觀察法。維護(hù)人員通過對窨井內(nèi)的液位高度的觀察判斷管線是否堵塞，通過窨井內(nèi)部污水狀態(tài)判斷管線中間是否有塌陷、斷裂等。該種方式需要維修人員具有豐富的現(xiàn)場作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，失誤率高。現(xiàn)有液位檢測技術(shù)有以下幾類：

1.差壓式液位檢測技術(shù)。在這種檢測方法中需要差壓傳感器獲得液體壓強(qiáng)，將其與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓強(qiáng)進(jìn)行對比，利用對比值判斷實(shí)際情況。近年來由于半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，壓差式傳感器中平衡電橋部件的制作技術(shù)也逐步成熟，該部件利用被檢測污水底部壓強(qiáng)引起傳感器電橋不平衡，水位高度與電路輸出相對應(yīng)的高度來獲得信號。

2.浮球式液位檢測技術(shù)。這種檢測技術(shù)最常見，是使用最多的一種檢測技術(shù)，其基本原理是：在固定好的鋼管中放置一個具有強(qiáng)磁性的浮球，在鋼管的外壁設(shè)置傳感器，當(dāng)浮球隨著水面高度上下變化時，外壁的傳感器就可以獲得當(dāng)前液位的高度。浮球式液位檢測技術(shù)雖然簡單但適用于水質(zhì)較為清潔的環(huán)境，否則由于垃圾較多，勢必會影響浮球的上下移動從而導(dǎo)致檢測的結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

3.聲波液位檢測技術(shù)。該技術(shù)利用了聲波反射的特性，所以在真空環(huán)境中該技術(shù)無法使用，因?yàn)椴痪邆渎暡▊鞑サ臈l件。該技術(shù)的原理將聲波從發(fā)射到被檢測水面所隨用的時間利用算法進(jìn)行分析，得到聲波發(fā)射源與被檢測水面的距離，適用于水中垃圾較多的檢測。

4.光纖液位檢測技術(shù)。這種檢測技術(shù)是近幾年新興的技術(shù)，目前國外針對光線液位檢測技術(shù)開展了一些研究，并應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品當(dāng)中。主要原理是利用光導(dǎo)纖維中光在不同介質(zhì)中傳輸特性的不同對水面高度進(jìn)行檢測。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：重量輕、攜帶方便、體積小，適用各種類型的水質(zhì)檢測。缺點(diǎn)是目前我國的光纖液位檢測技術(shù)發(fā)展的還不夠成熟，希望在我國科技創(chuàng)新的大潮下，該技術(shù)能很快應(yīng)用在各個領(lǐng)域。

5.直流電極式液位檢測技術(shù)。這種檢測技術(shù)中當(dāng)液位與電極相通時即為電路閉合態(tài)，因此液位的升高能夠被間接的反映出來，以便后續(xù)電路完成進(jìn)一步的處理。由于在空心棒內(nèi)縱向放置的電極是由金屬材料制成的，所以其放置狀態(tài)直接影響測量精度，準(zhǔn)確度有待提高。

（二）維修人員實(shí)地檢查。當(dāng)觀察法不能確定具體故障原因，就需要維修人員實(shí)地察看故障原因，首先要確保人身安全，采取必要的安全措施，且管線內(nèi)部環(huán)境惡劣、效率低，其存在的問題如下：（1）城市污水管網(wǎng)的分布主要是沿道路分布，路網(wǎng)分散、延伸遍布主城區(qū)的各個角落，人工巡檢則需要大量的人工、車輛進(jìn)行巡查，不易發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。（2）溢流反饋是個被動的管理方法，污水溢流后才進(jìn)行疏通，很被動。（3）通過污水處理廠及污水提升泵站的瞬時流量反饋雖然可以了解每日瞬時水量的激增或銳減，但無法檢測到具體偷排或滲漏位置。（4）由于污水管網(wǎng)常年流水，在無法判斷破損的情況下是無法人工或機(jī)器檢修的，所能檢修的管網(wǎng)管徑通常也在D600以上。以上各種處理主要方案均而實(shí)際運(yùn)行過程所遇到的問題各不相同，因?yàn)槊總€地區(qū)污水水量、管網(wǎng)管徑、材質(zhì)、深度、污水PH值等等均不相同，因此，針對以淮南污水管網(wǎng)實(shí)際情況，結(jié)合多年的污水運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，研究出可行的污水運(yùn)行預(yù)防系統(tǒng)方案是急待解決的問題。

二、窨井探測系統(tǒng)的組成

采用無線網(wǎng)絡(luò)控制，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、超聲波等傳感器的應(yīng)用對污水窨井內(nèi)的污水運(yùn)行情況建立數(shù)學(xué)模型，能夠以窨井為采集點(diǎn)、主干管為節(jié)點(diǎn)把發(fā)散的污水管網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)劃分成若干子系統(tǒng)，由中控對全城區(qū)的污水進(jìn)行分析，能夠快速定位突變點(diǎn)。

整體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 窨井探測系統(tǒng)組成

（一）上位機(jī)。城市污水管網(wǎng)通常50至100米一個窨井，每條路放置2-4處采集終端，借助Zigbee無線組網(wǎng)，把以路為單位的污水管網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)，將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時上傳至地面基站，由GPRS或CDMA等公網(wǎng)發(fā)送至中控室的上位機(jī)中，以組態(tài)的形態(tài)供用戶瀏覽。

上位機(jī)還承擔(dān)著收集道路節(jié)點(diǎn)信息的功能，把每個采集點(diǎn)的信息添加至數(shù)據(jù)庫中，從而對近1天、1周、1月、1年等歷史數(shù)據(jù)建立對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，在使用過程中可直觀查看城區(qū)所有污水干管的運(yùn)行情況，以及所存在隱性風(fēng)險，如在部分管網(wǎng)上游水位正常，中段持續(xù)增高，下游水量減少，則說明中段有堵塞風(fēng)險，可提前進(jìn)行疏通。從而實(shí)現(xiàn)智能化的污水管網(wǎng)，減少人才、物、錢的投入，有效的實(shí)現(xiàn)污水運(yùn)行管理。

（二）井內(nèi)探測裝置。整個窨井探測系統(tǒng)由若干單個節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)配合上位機(jī)構(gòu)成，單個節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)的作用是收集道路的采集終端數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)將節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行編碼發(fā)送至上位機(jī)。將污水窨井及井蓋設(shè)計成可根據(jù)液位的高低反饋對應(yīng)此井的瞬時流速及此路段的管網(wǎng)污水液面相對高度；通過無線自組網(wǎng)技術(shù)將道路上若干個采集終端自行關(guān)聯(lián)起來，并把相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至基站節(jié)點(diǎn)。

單個節(jié)點(diǎn)包括以下四個模塊：處理器模塊、無線通信模塊、水位檢測模塊和電源供電模塊，如圖2所示。其中處理器模塊是整個體系結(jié)構(gòu)的核心部分，包括處理器和存儲器，用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析處理；無線通信模塊可實(shí)現(xiàn)單個節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定組網(wǎng)、傳感器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信，與上位機(jī)數(shù)據(jù)收發(fā)和控制信息的傳輸；水位檢測模塊可針對當(dāng)前管網(wǎng)液位高度信息進(jìn)行獲取，供上位機(jī)工作人員進(jìn)行查看；電源供電模塊實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的供電，確保整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行，考慮到普通的干電池在更換和維護(hù)時不夠方便，并且窨井下環(huán)境潮濕，因此單個節(jié)點(diǎn)采用太陽能供電模塊來供電。

圖2 單個節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.水位檢測模塊。在水位檢測模塊的設(shè)計中，利用超聲波的原理來實(shí)現(xiàn)水位探測。由于超聲波是由傳感器發(fā)射而來的，在發(fā)射過程中總是向特定方向發(fā)射，一旦發(fā)射開始立刻開始計時，如果在傳播過程中遇到阻礙物，就會在阻礙物的表面反射回來，當(dāng)超聲波反向傳輸又回歸到起點(diǎn)處，計時模塊就會立即停止工作，根據(jù)計時器獲取的時間t，以及超聲波在空氣中每秒的傳輸速度v是340米，由公式s=v*t/2就能夠計算出超聲波發(fā)出位置與阻礙物之間的距離。利用超聲波探測當(dāng)前管網(wǎng)中水量信息，若檢測到管網(wǎng)為半管水狀態(tài)，那么結(jié)合管徑可由此計算管網(wǎng)流速和流量，若流速逐步增大則表示管網(wǎng)中水量正常，進(jìn)一步計算可獲得當(dāng)前區(qū)域內(nèi)污水產(chǎn)生量、收納情況，通過大數(shù)據(jù)分析可呈現(xiàn)污水產(chǎn)生的分布情況、管網(wǎng)運(yùn)行情況，可以更加詳細(xì)、準(zhǔn)確的了解：（a）污水產(chǎn)生時間，污水主要集中在每天的什么時間段，何時水量較大。（b）管網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷。當(dāng)檢測到水位高度較低、流速較慢時，可考慮是因?yàn)楣芫W(wǎng)出現(xiàn)破損或者部分堵塞導(dǎo)致管網(wǎng)中水流量低；當(dāng)檢測到水位過高且流速不明時，考慮因?yàn)榍胺侥程幊霈F(xiàn)堵塞導(dǎo)致污水排水不暢，使當(dāng)前窨井中水位不斷上升，容易造成道路漫水，建立數(shù)學(xué)模型反應(yīng)出污水管網(wǎng)中的實(shí)際情況。

2.無線通信模塊設(shè)計。由于在實(shí)際使用中，含有多個節(jié)點(diǎn)，對應(yīng)多個無線通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸，因此需要將中繼器節(jié)點(diǎn)設(shè)置成直線分布，正好適應(yīng)于排水管網(wǎng)的形狀。同時為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳送，必須使中繼器能夠自動組網(wǎng)，如果有新的節(jié)點(diǎn)加入進(jìn)來可以自動分配網(wǎng)絡(luò)地址，自主加入到通信網(wǎng)絡(luò)中，確保將傳感器采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時、可靠的發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)?？紤]到管網(wǎng)環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，本系統(tǒng)中采用CC2530芯片，并對芯片的輔助電路加以擴(kuò)展，完全適應(yīng)于通信距離較遠(yuǎn)的窨井。

CC2530 模塊是基于TI 的zigbee 模塊，支持zigbee 無線組網(wǎng)，多用于物聯(lián)網(wǎng)中無線數(shù)據(jù)的采集和傳輸控制，集成度高，使用時只需要極少的外部連接元件，內(nèi)部已經(jīng)包含CPU和內(nèi)存相關(guān)模塊、時鐘和電源模塊和無線信號收發(fā)模塊等。Zigbee組網(wǎng)方式十分靈活，一個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型結(jié)構(gòu)的Zigbee 網(wǎng)絡(luò)，有效范圍內(nèi)可存在上百個zigbee 網(wǎng)絡(luò)，尤其適合于管網(wǎng)中大量分布的窨井。每個節(jié)點(diǎn)都配置有zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊，一旦某個節(jié)點(diǎn)體系發(fā)出數(shù)據(jù)時，凡是位于整個通信范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通信模塊會彼此自動搜索，短時間內(nèi)就會組建成一個可以相互通信的無線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有所變化時，通信模塊會在原有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上刷新，以便尋找相互通信的對象，明確要通信聯(lián)絡(luò)的對象，鑒于窨井中單節(jié)點(diǎn)體系傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大， zigbee 技術(shù)通信的一系列優(yōu)點(diǎn)，相對于其它類型的無線通信技術(shù)，它做為單節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)的組網(wǎng)通信方式最為合適。

軟件部分的開發(fā)環(huán)境選用IAR，應(yīng)用層程序在協(xié)議棧的基礎(chǔ)上編寫，單個節(jié)點(diǎn)體系采用5個節(jié)點(diǎn)組成一個星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建，初始狀態(tài)下將協(xié)調(diào)器設(shè)置為自啟動模式，并利用函數(shù)對其做初始化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)組建完畢后就會發(fā)出任務(wù)事件，接著網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)會顯示在調(diào)試窗口，會對各個串口進(jìn)行輪流檢測，若發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)寫入，那么就通過回調(diào)函數(shù)進(jìn)行發(fā)送。

CC2530芯片帶有2個Uart外設(shè)，分別為Uart0、Uart12個串口，這兩個結(jié)構(gòu)都具備SPI功能，并且提供異步串行接口，具有相同的功能。通過其數(shù)據(jù)引腳表可以知道：

Urat0的外部設(shè)備IO引腳映射關(guān)系如下：P0_2對應(yīng)RX，P0_3對應(yīng)TX；Urat1的外部設(shè)備IO引腳映射關(guān)系如下：P0_5對應(yīng) RX，P0_4 對應(yīng) TX，在 cc2530 的數(shù)據(jù)傳輸中，Uart 模式是Usart所有功能中最常見的模式。當(dāng)Uart0全部配置完畢后，開始接收數(shù)據(jù)，同時開啟CPU接收中斷和總中斷。

當(dāng)偵測有數(shù)據(jù)開始寫入數(shù)據(jù)緩沖器時和寄存器時，立刻發(fā)出中斷請求，將接收中斷標(biāo)識置為1，可利用中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。在字節(jié)傳送時，UxCSR.ACTIV置為高電平，當(dāng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖綍r代表某字節(jié)已傳送完畢，待全部數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，UxCSR.TX_BYTE 位則變?yōu)?。

部分代碼如下：

/**

* @brief 串口初始化函數(shù)

* @param None

* @retval None

*/

void initUARTSEND(void)

{

//時鐘配置

CLKCONCMD &= ～0x40;

while(CLKCONSTA & 0x40);

CLKCONCMD &= ～0x47;

//主時鐘頻率設(shè)為32MHZ

//端口配置

PERCFG = 0x00; //位置1 P0口

P0SEL = 0x0c; //P0_2,P0_3用作串口

P2DIR&= ～0XC0;

//P0優(yōu)先作為UART0

//串口配置

U0CSR |= 0x80;//UART方式

U0GCR |= 11;

//U0GCR.BAUD_E

U0BAUD |= 216;

//將波特率定義為115200

UxBAUD.BAUD_M

UTX0IF=0;

//UART0 TX中斷標(biāo)志初始置位0

}

/**

* @brief 串口發(fā)送字符串函數(shù)

* @param Date 數(shù)據(jù)

len 長度

* @retval None

*/

void UartTX_Send_String(char *Data,int len)

{

int j;

for(j=0;j＜len;j++)

{

U0DBUF = *Data++;

while(UTX0IF == 0);

UTX0IF = 0;

}

}

CC2530 芯片含有外部時鐘32MHz crystal oscillator，同時還包括內(nèi)部時鐘16MHz RC oscillator，兩種類型可任選其一，都能夠滿足系統(tǒng)的需要。需要注意的是，當(dāng)RF芯片工作時必須選擇外部時鐘。由于RC的起振時間較短，在上電運(yùn)行開始時，內(nèi)部自帶的時鐘先開始工作，當(dāng)運(yùn)行正常后再切換為32MHZ，以便于通信效率的提高。

由傳感器采集的各類數(shù)據(jù)經(jīng)過Zigbee傳輸?shù)礁骶W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，接著網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將由各個單體節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)匯聚后與監(jiān)控中心通信，中控室與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)間通信方式既可以選擇無線通信也可以選擇有線通信，本方案之所以采用GPRS無線通信是基于以下幾個方面的考慮：

①城市中地下排水管網(wǎng)分布范圍廣泛，尤其是大型城市，遍布于城市各個小區(qū)、街道，有線通信方式下需要考慮硬件的安裝問題，而無線通信方式卻很容易實(shí)現(xiàn)。②街道數(shù)量多導(dǎo)致網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，有線通信的布線問題受到挑戰(zhàn)，相對于無線通信方式的傳輸方式太過于復(fù)雜，成本高。對于線性分布的排水管網(wǎng)，一條街道設(shè)置有一個協(xié)調(diào)器即可，正好適應(yīng)中繼點(diǎn)的分布。每一個協(xié)調(diào)器只要把匯集到的數(shù)據(jù)通過GPRS節(jié)點(diǎn)傳遞到中控室即可。

三、總結(jié)

本方案采用基于無線傳輸?shù)男切屯負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，并基于CC2530芯片為核心進(jìn)行設(shè)計了單個節(jié)點(diǎn)體系，利用無線傳輸與上位機(jī)形成整個窨井探測系統(tǒng)。通過對實(shí)驗(yàn)室搭建的2組模塊測試證明系統(tǒng)是切實(shí)可行的：單個節(jié)點(diǎn)體系的數(shù)據(jù)獲取以及數(shù)據(jù)收發(fā)較為穩(wěn)定、準(zhǔn)確，可以實(shí)時準(zhǔn)確監(jiān)測到各個節(jié)點(diǎn)的水位等各項(xiàng)信息，根據(jù)水位情況判斷當(dāng)前管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。較原來得人工巡檢方式相比，巡檢得效率得到大大提高，并且能夠大量減少人工作業(yè)，進(jìn)一步減少人員開支。通過模型參數(shù)可調(diào)，凸顯項(xiàng)目方案可行性將無線與物聯(lián)引入污水管理。可確實(shí)解決城市污水運(yùn)行問題，大大減少人力、物力等上的極大支出，從被動管理轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?、預(yù)防式管理。從特定情況下流速、流量、液位高度、截面之間的關(guān)系通過對窨井設(shè)計擬通過液位高度反饋相關(guān)流速、流量等動態(tài)信息。周時對管網(wǎng)、窨井進(jìn)行標(biāo)定，可從上位機(jī)與現(xiàn)實(shí)地點(diǎn)的結(jié)合，清楚每一節(jié)點(diǎn)、采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。

但系統(tǒng)在運(yùn)行中不可避免的存在一些問題，雖然兩組實(shí)驗(yàn)通訊正常，接收數(shù)據(jù)都很良好，但在實(shí)際窨井的改造后，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)因?yàn)槌睔膺^大密封效果不夠理想，導(dǎo)致電路板損傷，建議改造成密封一體式結(jié)構(gòu)。井面太陽能板尺寸直接影響發(fā)電效率，因系統(tǒng)所用單片機(jī)功耗高需要大尺寸太陽能板才能滿足，但會影響井面承重效果，若考慮承重效果縮小太陽能板尺寸又不能滿足供電需要，建議在使用時將單片機(jī)不工作時設(shè)置為休眠模式，以減少功耗。另外現(xiàn)有窨井內(nèi)引流槽高低不同，安裝超聲波傳感器存在偏差，偏差過多影響超聲波采集效果。