基于STM32的城市地下管道檢測系統

【摘要】 針對城市地下供水供氣管道設施系統龐大、管理制度不完善等因素導致的管道漏失問題，提出了基于STM32的城市下管道檢測系統。該檢測系統以STM32單片機作為主控芯片，設計了隔音效果極佳的聲音采集系統對微弱聲音信號進行采集，通過無線傳輸技術將信號傳輸到遠端計算機，實現管道漏水、漏氣情況的實時監控。結果表明，以STM32單片機作為主控芯片的城市地下管道檢測系統，實現了地下管道漏水、漏氣的無人自動檢測，有效提高了城市檢漏的工作效率和檢測靈敏度。

【關鍵詞】 城市檢漏 STM32單片機 聲音采集系統 實時監控

隨著我國城市建設步伐的加大，城市地下管網系統也逐漸龐大，但后期檢測、檢漏系統并沒有相應完善，而存在嚴重的潛在危險。定期對供水、供氣管網進行檢測，對部分老舊管道予以更換，是保證城市用水、氣安全和減少資源浪費的重要方式。因此，城市地下管道檢漏工作意義重大。目前，我國城市地下管網的檢漏主要是由檢漏工人采用手持式聽診器或簡單的測試儀器進行檢漏。人工檢漏需要工人在安靜的深夜身著反光衣、戴耳機，一邊挪動步伐一邊用耳朵發現地下管網的暗漏。這種人工檢漏的方式，不僅漏檢率高，而且工作量大、效率低。

供水管網的漏損有兩種類型：一種是明漏，一種是暗漏。明漏多數為管道爆裂，漏水流量大，很容易被發現。暗漏為通過主動檢漏措施檢測到漏點，是常見的損漏。暗漏漏失水量一般取決于管網系統的壓力、運行情況，以及土壤情況。暗漏不易被發現，潛伏時間長。暗漏的持續時間取決于主動檢漏措施的強度和力度。因此，城市地下管道的暗漏進行持久高效的檢測是必要的。

一、城市地下管道檢測系統設計

1.1 聲波探測法

聲波探測法通過探測壓力管道漏水產生的聲音或振動來定位漏點，具有非破壞性和非侵入性，是探測地下管網漏水的最有效的方法。地下管道漏水時，由于漏點內外存在壓差，高壓高速水流沖擊管壁破口，產生持續性的振動和共振噪聲，振動和共振噪聲沿管壁傳播；高速水流沖擊漏點周圍土壤也會產生持續性的振動噪聲。

地下管網是否有漏點可以經聽漏儀檢測到。聲音的強弱取決于水壓大小、水壓部位、裂縫大小、漏點形狀和管道材質等因素共同決定。噪聲在不同的傳播介質中具有不同的傳播頻率和聲強特征。

1.2 檢漏機器人

檢漏機器人在地下管道實時采集聲音，將采集到的聲音信號處理為數字信號和位置信號發送到遠端計算機，聲音信號和位置信號顯示在控制主機的顯示屏幕上，控制主機根據聲音信號和位置信號進行分析計算，以此來實現地下管道漏損的實時監控。

1.3 檢漏機器人檢測流程

開始檢測程序前，可以通過預選功能選擇相應的操作鍵進行檢測，按下啟動按鈕，檢漏機器人按預定路線行走，根據設定的時間，控制電機降下機械耳朵進行漏損探測，并將聲音信號轉化為數字信號傳送到控制端。同時，安裝于撿漏機器人上的GPRS定位系統將漏點位置呈現在主機屏幕上。

具體的控制流程以一個控制系統檢測周期為例?？刂屏鞒涕_始，系統進行初始化設置。初始化后，人為按下控制系統啟動按鍵，命令機器人按照設置的步進前進，到達指定位置后停止待命。機器人到達指定地點后，直線電機，按照初始命令將機械耳朵降至指定高度，進行聲音檢測，將聲音信號轉化為數字信號傳送到控制端，控制系統判斷是否有漏點，如果沒有漏點，則控制系統返回初始化，重新進行檢測；當判斷有漏點時，遠程計算機實時顯示檢測狀態，并啟動報警裝置，一個檢測周期完成。

二、城市地下管道檢測系統的硬件實現

城市地下管道檢測系統主要由檢漏機器人組成，包括機械耳朵（微弱聲音信號采集器）、STM32主控器、信號存儲設備、機械耳朵直線電機、機器人行進電機和遠端計算機等功能模塊。

STM32單片機通過預先設定的時間控制程序，控制機器人按預先設定好的步進在機器人行進電機的驅動下行進，到達預設地點后，機械耳朵直線電機控制機械耳朵升降來檢測漏點，當機械耳朵檢測到微弱聲音信號時，系統將微弱聲音信號放大并傳送給STM32主控器的通信接口，同時通過無線傳輸發送到遠端計算機。STM32單片機通過程序控制將聲音信號存儲到存儲設備中。STM32單片機將聲音信號的頻率和聲強與設定的頻率和聲強相比較，以此判斷聲音信號是否為漏點。

2.1 檢測系統的硬件組成

城市地下管道檢測系統的控制單元采用美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能、低功耗的STM32F103RB單片機作為主控器。該單片機是ARM32位的Cortex-M3內核，最高工作頻率為72MHZ，具有128K字節的閃存程序存儲器和高達20K字節的SRAM，供電電壓為2.0-3.6V，有睡眠、停機和待機模式幾種低功耗模式。并且帶有2個12位的模數轉換器，16個輸入通道，轉換范圍是0至3.6V，7個定時器，3個16位定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數的通道和增量編碼器輸入，1個16位帶死區控制和緊急剎車，用于電機控制的PWM高級控制定時器，2個看門狗定時器（獨立的和窗口型的），系統時間定時器：24位自減型計數器，另有9個通信接口，2個I2C接口（支持SMBus/PMBus），3個USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和調制解調控制），2個SPI接口（18M位/秒），CAN接口（2.0B主動），USB 2.0全速接口。

2.2 檢測系統的主要功能模塊

（1）主控制器電路：基于STM32的主控制器原理電路，STM32F103RB單片機具有高性能、低成本、低功耗的特點。

（2）微弱聲音信號采集模塊（機械耳朵）：信號采集部分采用高性能語音信號采集模塊進行信號采集，為進一步進行聲音信號優化，使用良好的隔音材料進行環境噪聲隔離，對采集后的信號進行濾波降噪處理。同時，采用微信號放大檢測技術對信號進行放大。采集聲音的機械耳朵使用12V升降電機控制，機器人到達檢測地點后，升降機放下機械耳朵進行微小聲音信號檢測，一分鐘為一個檢測周期，檢測的同時將采集的信號經無線傳輸到處理終端。整個檢測周期完成后，升起機械耳朵，機器人移動至下一地點繼續檢測。聲音檢測放大由聲音放大電路實現，聲音放大電路的核心器件為LM324運算放大器，聲音信號在LM324的作用下，進行雙極放大。LM324系列器件為具有差動輸入的四運算放大器，與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優點。該四放大器可以在低到3.0V或者高到32V的電源下工作，靜態電流為MC1741的靜態電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。LM324系列由四個獨立的，高增益，內部頻率補償運算放大器，其中專為從單電源供電的電壓范圍經營。從分裂電源的操作也有可能和低電源電流消耗是獨立的電源電壓的幅度。該運算放大器可將輸入交流信號分成三路輸出，三路信號可分別用作指示、控制、分析等用途，而對信號源的影響極小。LM324運算放大器的這些特性對于聲音信號的檢測運算，噪聲的抑制具有明顯的效果。

（3）數據傳輸與存儲：主要包括數據存儲、數據傳輸與數據分析處理。存儲在機器人上的數據可用數據線讀取到電腦終端上，也可經無線模塊傳輸到耳機上。檢漏機器人將采集到的微弱聲音信號放大后，以WAV格式在機器人自帶的存儲器上進行保存，該存儲設備可連續存儲48小時的聲音信號。檢漏工人可在遠處通過聽取傳回耳機的聲音或對反饋到計算機上的數據進行實時的分析，判斷指定地點是否存在管道故障。

（4）電機運行過程：機器人行進電機行程大約60cm，降下機械耳朵探測漏點，1分鐘后升起機械耳朵繼續行走。直線電機的時間控制根據具體。

三、模塊整合與調試

完成所有模塊的軟硬件設計后，在硬件平臺完成整體的調試工作。調試工作的難點在于微弱聲音的采集和處理上，需要通過多次實驗的方法來確定周圍噪聲對機器人的影響，通過調試優化控制參數，減少環境噪聲對其干擾，提高聲音質量和電路靈敏度。調試過程中也遇到一些問題，并逐一加以解決：（1）聲音采集電路的干擾抑制問題：聲音采集電路受外界環境干擾較大，無線耳機收到的聲音信號對于有用的弱小聲音信號難以辨別，為降低噪音，在機械耳朵外圍設置隔噪外殼，使地下聲音信號的失真度大大降低。（2）電源控制模塊的整合：將電機驅動模塊供電電源與系統電源開關進行整合，使得系統的電源開關可以對整個系統進行控制。（3）程序調試問題：對于調試過程中，出現的電路工作不正常、聲音存儲效果不佳、耳機聽音時斷時續、機器人行動緩慢等問題，進行系統檢查，并通過調試相應程序使問題得到解決，機器人工作正常。

四、結論

基于STM32的城市地下管道檢測系統，對城市地下供水供氣管道設施系統龐大、管理制度不完善等導致的管道漏失、檢漏工作量大、漏檢率高等問題，以STM32單片機作為主控芯片，設計了隔音效果極佳的聲音采集系統對微弱聲音信號進行采集，通過無線傳輸技術將信號傳輸到遠端計算機，實現管道漏水、漏氣情況的實時監控。該檢測系統設計結果表明，以STM32單片機作為主控芯片的城市地下管道檢測系統，實現了地下管道漏水、漏氣的無人自動檢測，有效提高了城市檢漏的工作效率和檢測靈敏度，降低了城市檢漏的工作量。

參 考 文 獻

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