顧佩月+賀文晨+周雨薇

摘 要：為了改善城市下水道日益嚴重的堵塞情況，針對基于SI1000的下水道堵塞預(yù)警裝置進行設(shè)計。采用SI1000模塊控制HC-SR04超聲波測距模塊監(jiān)測下水道水深，LWGY渦輪流量計監(jiān)測下水道水流速度，并通過SI1000無線通信模塊傳送監(jiān)測數(shù)據(jù)，并在一定情況下進行預(yù)警。本裝置通過實驗可以實現(xiàn)周期性監(jiān)測下水道情況并通過無線通信進行預(yù)警的最終目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：SI1000；超聲波測距；渦輪流量計；堵塞預(yù)警

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）03-00-02

0 引 言

中國城市下水道設(shè)施采用的是蘇聯(lián)的“地下管網(wǎng)式”，設(shè)計偏保守，口徑多在一米左右，承載能力有限，時常會出現(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，會帶來諸多不便。然而現(xiàn)階段，中國無法對城市下水道進行大規(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，也難以引起人的注意，一旦廢水外溢，往往已經(jīng)是問題比較嚴重了。

如果能有一套自動監(jiān)測系統(tǒng)，能實時監(jiān)測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)超過警戒時，以一定方式及時報警，就能防止下水道廢水外溢事故的發(fā)生。

鑒于以上問題，基于SI1000的下水道堵塞預(yù)警裝置設(shè)計被提出。該裝置通過測量距離和流速來判定下水道是否堵塞，用SI1000進行無線通訊收發(fā)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生預(yù)警。

1 控制器設(shè)計

1.1 無線通信模塊

SI1000 是一款微功耗小體積并具備強大無線通信功能的51類型的單片機，在本裝置中作為無線單元的核心器件負責(zé)采集測距模塊和流量計的信號并通過無線射頻進行通信。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與射頻模塊進行通信，SI1000將射頻模塊作為外設(shè)進行訪問，可以通過設(shè)置射頻模塊的寄存器靈活配置射頻收發(fā)的各項參數(shù)。

1.2 測控系統(tǒng)設(shè)計

單個下水道堵塞預(yù)警裝置如圖2所示。

單個下水道堵塞預(yù)警裝置主要由4個模塊構(gòu)成，包括測距模塊、測速模塊、供電模塊和無線通信模塊。測距模塊測量下水道管道頂端到液面的距離。測速模塊測量下水道管道里水的流速。無線通信模塊控制測距模塊和測速模塊，并且進行數(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給無線通信模塊進行供電，5 V給測距模塊和測速模塊進行供電。

圖 1 SI1000收發(fā)電路

圖2 單個下水道堵塞預(yù)警裝置

2 硬件介紹

2.1 測距模塊

測距模塊采用HC-SR04超聲波測距模塊，此模塊有Vcc、Gnd、Trig和Echo四個I/O口。Vcc接+5 V，Gnd接地，Trig口由SI1000送入一個高電平信號進行觸發(fā)測距，隨后模塊會自動發(fā)送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回，若有信號返回，通過I/O口Echo輸出一個高電平，高電平的持續(xù)時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。

那么測量的距離即為：

測試距離=（高電平時間*聲速）/2

2.2 測速模塊

測速模塊采用LWGY渦輪流量計，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為流體的瞬時流量（工作狀態(tài)下）（m3/h）； 3 600是換算系數(shù)。

3 軟件設(shè)計

3.1 測距程序設(shè)計

利用SI1000產(chǎn)生20 μs的觸發(fā)信號送入HC-SR04模塊的Trig口。本裝置中采用SI1000定時器2進行計時測量高電平持續(xù)時間。測距流程圖如圖3所示。

圖3 測距流程圖

3.2 測速程序設(shè)計

由式（1）可知，為獲得水流速度，需測量渦輪流量計產(chǎn)生脈沖的頻率。本裝置中采用1 s內(nèi)產(chǎn)生脈沖個數(shù)作為采樣點脈沖的頻率。當(dāng)SI1000檢測到輸入信號由低到高的一個跳變時，則認為產(chǎn)生一個脈沖。這部分程序的實現(xiàn)將在下文的主程序設(shè)計中具體說明。

3.3 無線通信

無線收發(fā)模塊之間的通信是以數(shù)據(jù)包的形式進行的，無線收發(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；

一個數(shù)據(jù)包由前導(dǎo)碼、同步字、數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)段長度、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。

程序開始運行后，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，開始檢測數(shù)據(jù)發(fā)送標(biāo)志DataTxFlag。當(dāng)DataTxFlag=1時，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)，同時在不斷檢測接收標(biāo)志RxPacketReceived，當(dāng)RxPacketReceived=1時，將接收的數(shù)據(jù)取出，再進行水速和距離值的判斷和預(yù)警。

3.4 主程序設(shè)計

3.4.1 主程序流程

對系統(tǒng)進行初始化后，進入while（1）無限循環(huán)開始具體功能實現(xiàn)。具體功能包括兩大部分：檢測功能和無線收發(fā)功能。檢測功能有測距和測速兩部分組成。

當(dāng)?shù)竭_設(shè)置的時間周期之后，開始運行檢測程序的測距部分。實際會出現(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)，說明下水管道無險情，則跳過水速的測量。若水面高度到達預(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，開啟水速的測量，若存在一定的水速，則說明下水管道未堵塞；若水速過低時，則說明下水管道即將堵塞。當(dāng)檢測部分結(jié)束后將數(shù)據(jù)發(fā)送標(biāo)志置1，將測量的數(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。若下水管道即將出現(xiàn)堵塞狀況，接收節(jié)點對外界發(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

本文中采用狀態(tài)機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)機的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，具體對應(yīng)方式見表1。

表1 任務(wù)標(biāo)志對應(yīng)狀態(tài)

taskFlag 對應(yīng)狀態(tài)

0 檢測準備

1 測距

2 測速輸出脈沖低電平

3 測速輸出脈沖高電平

4 發(fā)送準備狀態(tài)

圖4 主程序流程圖

4 結(jié) 語

本文中介紹下水道堵塞預(yù)警裝置，通過周期監(jiān)控下水道的情況，并進行無線通信向外界發(fā)布預(yù)警信息，在一定程度上解決下水道堵塞問題。但本裝置只是從原理上簡單實現(xiàn)了監(jiān)控下水道水深、水速，并進行兩個節(jié)點之間無線傳輸?shù)墓δ?，在實際的應(yīng)用中，仍需考慮到下水道的環(huán)境對裝置所帶來的影響，并對其進行進一步的完善。

參考文獻

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

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

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

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

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

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