摘要：針對傳統供水終端漏水監測系統存在的不足和易造成水資源大量浪費的具體情況，討論了利用嵌入式單片機技術所實現的系統硬件和軟件設計，通過超聲流量傳感器和人體探測熱釋電傳感器的配合實現漏水的準確判斷。從人員監測與定位、抗干擾和多種報警形式相結合等方面，研究了系統設計采用的關鍵技術。
關鍵詞：供水終端；漏水監測；節點；超聲流量檢測；嵌入式單片機
0 引言
近年來，國內外出現了一些漏水檢測設備，對于供水主管道的漏水檢測起到了重要作用，如：美國Kay公司生產的漏水檢測系統，功能強大，但價格較高，在單位和家庭大面積的推廣應用受到很大限制。我國的某公司生產的F系列漏水、漏液檢測器設備，由于沒有組網，設備未設置電話撥號、短信發送、郵件發送等多種報警功能，在很大程度上制約了設備的推廣應用范圍。因此需要研究一種功耗小，價格低，能被大部分單位和個人能接受的，特別適合于供水終端附近漏水檢測的設備和系統，以便減少因供水終端的意外損壞而不能得到及時維修所造成的水資源大量浪費現象的發生。
1 系統組網與總體設計
系統組網主要由一個主監控系統模塊和多個現場監控節點模塊組成漏水監測網絡。主監控系統模塊完成信息的接收處理，并通過電話撥號、發送短信和聲光等形式實現報警，使產生漏水的終端在最短時間內得到及時維修。現場監控節點實現供水終端漏水位置的準確檢測與識別，若有終端漏水的現象，通過數據收發模塊發送報警信息給主監控系統模塊，再通過主監控系統發送報警信息通知維修人員。系統組網與總體設計成如圖1所示。
2 現場監控節點的硬件設計
監控節點主要包括嵌入式工控模板、超聲流量檢測模塊、熱釋電人體探測模塊、無線收發電路、聲光報警電路、電磁閥控制等電路組成。硬件組成如圖2所示。
2．1 嵌入式工控模板M2080
M2080-U20是高性價比的MiniARM工控模塊，采用了LPC2220工業級嵌入式微控制器，將ARM最小系統、以太網／CAN／USB控制器、電子硬盤(Flash on Board)等設備高度集成于小巧的模塊之上，預裝μC／OS-II實時操作系統、底層基礎驅動函數庫、中間件軟件函數庫(FAT文件管理系統、以太網、CAN-bus、USB Device／Host／OTG、CF／SD／MMC卡、ZLG500、GPRS／CDMA等模塊)，提供總線保護設計，使模塊具有良好的EMC性能及穩定性。
2．2 超聲流量檢測模塊
2．2．1 超聲流量監測的原理
超聲流量監測采用非侵入式或稱夾緊式超聲流量傳感器，安裝在已有管道上，亦可做成管段式。其基本的構成如圖3所示。超聲波通過由塑料制品或金屬材料制成的聲楔進入管道和液體，按照斯奈爾定律，始發的聲波在鋼管的界面上出現橫波和縱波，橫波進入液體，而將縱波全反射掉。超聲波進入液體后又變成縱波，穿越液體后，經斜對面的管壁、聲楔，被超聲換能器2接收。從超聲換能器1到超聲換能器2的聲信號為順向；反之為逆向。
時差法流量測量是利用測量超聲波脈沖在液體中順向傳播和逆向傳播的時間差來檢測流量，具體計算公式與測量方法見文獻。
圖3超聲流量檢測原理
2．2．2 超聲流量傳感器選擇
系統選用DTFX系列小管徑超聲流量傳感器DN20-50， 它的換能器是突發至多達每組約100個脈沖，提供近100～1000倍的信號強度，即使發射脈沖中斷，仍能滿足精確測量流量所需的足夠信號，在有一定量的氣泡和懸浮物存在的情況下也能可靠測量。 它不受流體性質變化的影響，這樣就允許單個的換能器在很寬的頻率范圍內發射和接收，在管道上使用時可以發射不失真、穩定性好及高振幅的聲波信號，單組傳感器即可達到較高的測量精度。
2．3 人體探測與調理模塊
人體探測模塊的作用是配合超聲流量傳感器的測量，判斷是否是非正常用水，即是否存在漏水現象。具體判斷方法：若超聲流量傳感器檢測到供水終端已經打開，再通過人體探測模塊判斷是否有人在該終端附近，如果有人在，則是正常用水，否則是存在漏水現象，然后延時十五分鐘再判斷，若仍然無人關掉水龍頭，證明該終端確實存在漏水現象，再通過現場測試節點向主控系統發出漏水的指令，通知維修人員及時維護。
人體探測模塊采用多個熱釋電傳感器組成的探測陣列，實現相應區域的探測。每個供水終端(如：水龍頭)采用一個熱釋電傳感器，由微處理器輪流采集每個傳感器的信號，在一個區域(如一個洗手間，或者衛生間)的所有傳感器中只要有一個探測到有人存在即可。
熱釋電傳感器及其信號調理電路，如圖4所示。利用三級放大電路，通過調節電位器W1和W2，可使輸出信號的幅度為0～3．3V的信號，然后通過單片機內部的模數轉換電路轉換成相應的數字量。
2．4 無線收發模塊
系統設計選用RFC-33A遠距離無線通信模塊，采用nRF905無線通信芯片，工作于433MHz，開放ISM頻段免許可證使用，最大發射功率達到2W，在開闊地帶最大傳輸距離可達2000m以上。在+33dBm情況下，發送模式：平均工作電流小于300mA；接收狀態：平均工作電流為12．5mA。模塊可軟件設地址，只有收到本機地址時才會輸出數據并提供中斷指示，可直接連接單片機，軟件編程非常方便，具有超強穿透能力，靈敏度高，可達到一100dBm，性能穩定，可靠性高，適合超遠距離或復雜情況下的無線通信、工業遙控系統等。
3 主監控系統的硬件設計
主監控系統是以AT89S52為控制芯片，配以電話撥號芯片、短信收發GSM模塊、聲光報警電路等多種報警方式電路，將漏水位置報警信息發送給維修人員，以得到及時維修。同時主監控系統配有LCD顯示電路和無線收發模塊，前者用以顯示供水管網中漏水終端的具體位置，后者用以接收現場檢測節點發送過來的漏水位置信息。
GSM無線短信收發模塊采用TC35系列模塊TC35i，它的性價比很高，并且已經有國內的無線電設備入網證，是西門子推出的最新無線模塊，功能上與TC35兼容，設計緊湊。TC35i與GSM 2／2+兼容、雙頻(GSM900／GSM1800)、RS232數據口、符合ETSI標準GSM0707和GSM0705，且易于升級為GPRS模塊。該模塊集射頻電路和基帶于一體，提供標準的AT命令接口，為數據、語音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便應用開發及設計。
4 軟件設計
主要包括主監控系統的軟件和現場檢測節點的軟件兩部分。主監控系統的軟件主要由無線報警信號收發、短信發送、電話撥號、聲光報警和液晶顯示等子程序組成。現場檢測節點部分軟件主要由流量采集、人體定位與識別、無線收發、聲光報警、電磁閥控制和延時等子程序構成。該部分軟件的主處理流程如圖5所示。
5 關鍵技術
(1)采用了嵌入式單片機技術，實現現場信息的快速測量；
(2)采用多熱釋電傳感器實現人員的探測與定位，準確判斷有無人員，提高了報警的準確度，減少了誤報警的發生；
(3)采用了多種報警形式相結合的報警方式，尤其是電話撥號和短信收發模塊的運用，提高了報警的及時性。
6 結束語
將高性價比的MiniARM工控模塊M2080-U20應用于本系統，其性能指標完全滿足設計要求，大大縮短了系統的開發周期，降低了整個產品的設計成本。系統具有很強的可移植性和廣闊的應用前景。此系統已經成功應用于實際的供水生產中，效果較好。