基于計算機控制的窨井管網探測系統的研究

呂東芳 宋雷震

（1.淮南聯合大學計算機系；2.淮南聯合大學機電系 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象時有發生，甚至已經成了城市環境污染源的一分子，尤其在夏季，溢流現象尤為突出。在多雨的長江、黃淮一帶，每逢多雨季節，河道水位急速上升，不但對城市道路造成影響，也嚴重困擾了人們正常的工作、生活，因此針對地下管網檢測技術的研究是非常有必要的，對城市排水系統的健康、穩定發展有著十分積極的意義。城市中各類管網為維修方便，都會留置窨井，方便在使用過程中對管網維護。窨井通常置于地表以下，以城市污水管網為例，污水中含有各類生活垃圾，容易導致管道淤塞，形成道路積水、內澇，且隨著時間的增長出現事故的可能性不斷增加，若不能及時采取有效措施，會造成嚴重的安全隱患。目前檢測堵塞位置的方式是利用人工作業，由專業工作人員攜帶工具深入到窨井下進行實地查看解決，因窨井內環境極度惡劣，所以一方面影響人工作業的準確性，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。基于窨井及管網的運行特點，設計出一種代替人為工作的探測手段是符合當前的實際需要并在一定程度上可以提高運行、維修效率。

一、現有檢測方式

現有窨井檢測方式效率低，不能準確辨別窨井故障位置，常用檢測方式如下：

（一）觀察法。維護人員通過對窨井內的液位高度的觀察判斷管線是否堵塞，通過窨井內部污水狀態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場作業經驗，失誤率高。現有液位檢測技術有以下幾類：

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

2.浮球式液位檢測技術。這種檢測技術最常見，是使用最多的一種檢測技術，其基本原理是：在固定好的鋼管中放置一個具有強磁性的浮球，在鋼管的外壁設置傳感器，當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前液位的高度。浮球式液位檢測技術雖然簡單但適用于水質較為清潔的環境，否則由于垃圾較多，勢必會影響浮球的上下移動從而導致檢測的結果不夠準確。

3.聲波液位檢測技術。該技術利用了聲波反射的特性，所以在真空環境中該技術無法使用，因為不具備聲波傳播的條件。該技術的原理將聲波從發射到被檢測水面所隨用的時間利用算法進行分析，得到聲波發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。這種檢測技術是近幾年新興的技術，目前國外針對光線液位檢測技術開展了一些研究，并應用到實際產品當中。主要原理是利用光導纖維中光在不同介質中傳輸特性的不同對水面高度進行檢測。這種技術的優點是：重量輕、攜帶方便、體積小，適用各種類型的水質檢測。缺點是目前我國的光纖液位檢測技術發展的還不夠成熟，希望在我國科技創新的大潮下，該技術能很快應用在各個領域。

5.直流電極式液位檢測技術。這種檢測技術中當液位與電極相通時即為電路閉合態，因此液位的升高能夠被間接的反映出來，以便后續電路完成進一步的處理。由于在空心棒內縱向放置的電極是由金屬材料制成的，所以其放置狀態直接影響測量精度，準確度有待提高。

（二）維修人員實地檢查。當觀察法不能確定具體故障原因，就需要維修人員實地察看故障原因，首先要確保人身安全，采取必要的安全措施，且管線內部環境惡劣、效率低，其存在的問題如下：（1）城市污水管網的分布主要是沿道路分布，路網分散、延伸遍布主城區的各個角落，人工巡檢則需要大量的人工、車輛進行巡查，不易發現故障點。（2）溢流反饋是個被動的管理方法，污水溢流后才進行疏通，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）由于污水管網常年流水，在無法判斷破損的情況下是無法人工或機器檢修的，所能檢修的管網管徑通常也在D600以上。以上各種處理主要方案均而實際運行過程所遇到的問題各不相同，因為每個地區污水水量、管網管徑、材質、深度、污水PH值等等均不相同，因此，針對以淮南污水管網實際情況，結合多年的污水運行管理經驗，研究出可行的污水運行預防系統方案是急待解決的問題。

二、窨井探測系統的組成

采用無線網絡控制，結合物聯網、超聲波等傳感器的應用對污水窨井內的污水運行情況建立數學模型，能夠以窨井為采集點、主干管為節點把發散的污水管網運行系統劃分成若干子系統，由中控對全城區的污水進行分析，能夠快速定位突變點。

整體結構如圖1所示：

圖1 窨井探測系統組成

（一）上位機。城市污水管網通常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，把以路為單位的污水管網進行組網，將采集的數據實時上傳至地面基站，由GPRS或CDMA等公網發送至中控室的上位機中，以組態的形態供用戶瀏覽。

上位機還承擔著收集道路節點信息的功能，把每個采集點的信息添加至數據庫中，從而對近1天、1周、1月、1年等歷史數據建立對應的數學模型，在使用過程中可直觀查看城區所有污水干管的運行情況，以及所存在隱性風險，如在部分管網上游水位正常，中段持續增高，下游水量減少，則說明中段有堵塞風險，可提前進行疏通。從而實現智能化的污水管網，減少人才、物、錢的投入，有效的實現污水運行管理。

（二）井內探測裝置。整個窨井探測系統由若干單個節點體系結構配合上位機構成，單個節點體系結構的作用是收集道路的采集終端數據，通過無線網絡將節點信息進行編碼發送至上位機。將污水窨井及井蓋設計成可根據液位的高低反饋對應此井的瞬時流速及此路段的管網污水液面相對高度；通過無線自組網技術將道路上若干個采集終端自行關聯起來，并把相關數據發送至基站節點。

單個節點包括以下四個模塊：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構的核心部分，包括處理器和存儲器，用于對數據進行采集和分析處理；無線通信模塊可實現單個節點的穩定組網、傳感器節點之間的數據通信，與上位機數據收發和控制信息的傳輸；水位檢測模塊可針對當前管網液位高度信息進行獲取，供上位機工作人員進行查看；電源供電模塊實現整個系統的供電，確保整個系統的正常運行，考慮到普通的干電池在更換和維護時不夠方便，并且窨井下環境潮濕，因此單個節點采用太陽能供電模塊來供電。

圖2 單個節點體系結構設計

1.水位檢測模塊。在水位檢測模塊的設計中，利用超聲波的原理來實現水位探測。由于超聲波是由傳感器發射而來的，在發射過程中總是向特定方向發射，一旦發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，當超聲波反向傳輸又回歸到起點處，計時模塊就會立即停止工作，根據計時器獲取的時間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出位置與阻礙物之間的距離。利用超聲波探測當前管網中水量信息，若檢測到管網為半管水狀態，那么結合管徑可由此計算管網流速和流量，若流速逐步增大則表示管網中水量正常，進一步計算可獲得當前區域內污水產生量、收納情況，通過大數據分析可呈現污水產生的分布情況、管網運行情況，可以更加詳細、準確的了解：（a）污水產生時間，污水主要集中在每天的什么時間段，何時水量較大。（b）管網運行負荷。當檢測到水位高度較低、流速較慢時，可考慮是因為管網出現破損或者部分堵塞導致管網中水流量低；當檢測到水位過高且流速不明時，考慮因為前方某處出現堵塞導致污水排水不暢，使當前窨井中水位不斷上升，容易造成道路漫水，建立數學模型反應出污水管網中的實際情況。

2.無線通信模塊設計。由于在實際使用中，含有多個節點，對應多個無線通信模塊的數據傳輸，因此需要將中繼器節點設置成直線分布，正好適應于排水管網的形狀。同時為了實現數據的穩定傳送，必須使中繼器能夠自動組網，如果有新的節點加入進來可以自動分配網絡地址，自主加入到通信網絡中，確保將傳感器采集到的數據實時、可靠的發送至網關節點。考慮到管網環境的復雜性和特殊性，本系統中采用CC2530芯片，并對芯片的輔助電路加以擴展，完全適應于通信距離較遠的窨井。

CC2530 模塊是基于TI 的zigbee 模塊，支持zigbee 無線組網，多用于物聯網中無線數據的采集和傳輸控制，集成度高，使用時只需要極少的外部連接元件，內部已經包含CPU和內存相關模塊、時鐘和電源模塊和無線信號收發模塊等。Zigbee組網方式十分靈活，一個拓撲結構為星型結構的Zigbee 網絡，有效范圍內可存在上百個zigbee 網絡，尤其適合于管網中大量分布的窨井。每個節點都配置有zigbee網絡模塊，一旦某個節點體系發出數據時，凡是位于整個通信范圍內的網絡通信模塊會彼此自動搜索，短時間內就會組建成一個可以相互通信的無線網絡。當網絡有所變化時，通信模塊會在原有網絡的基礎上刷新，以便尋找相互通信的對象，明確要通信聯絡的對象，鑒于窨井中單節點體系傳輸的數據量不大， zigbee 技術通信的一系列優點，相對于其它類型的無線通信技術，它做為單節點體系結構的組網通信方式最為合適。

軟件部分的開發環境選用IAR，應用層程序在協議棧的基礎上編寫，單個節點體系采用5個節點組成一個星型的拓撲結構，由協調器負責整個網絡的創建，初始狀態下將協調器設置為自啟動模式，并利用函數對其做初始化。當網絡組建完畢后就會發出任務事件，接著網絡的工作狀態會顯示在調試窗口，會對各個串口進行輪流檢測，若發現有數據寫入，那么就通過回調函數進行發送。

CC2530芯片帶有2個Uart外設，分別為Uart0、Uart12個串口，這兩個結構都具備SPI功能，并且提供異步串行接口，具有相同的功能。通過其數據引腳表可以知道：

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

當偵測有數據開始寫入數據緩沖器時和寄存器時，立刻發出中斷請求，將接收中斷標識置為1，可利用中斷服務程序實現數據的接收。在字節傳送時，UxCSR.ACTIV置為高電平，當轉變為低電平時代表某字節已傳送完畢，待全部數據傳送結束后，UxCSR.TX_BYTE 位則變為1。

部分代碼如下：

/**

* @brief 串口初始化函數

* @param None

* @retval None

*/

void initUARTSEND(void)

{

//時鐘配置

CLKCONCMD &= ～0x40;

while(CLKCONSTA & 0x40);

CLKCONCMD &= ～0x47;

//主時鐘頻率設為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中斷標志初始置位0

}

/**

* @brief 串口發送字符串函數

* @param Date 數據

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

由傳感器采集的各類數據經過Zigbee傳輸到各網關節點，接著網關節點將由各個單體節點產生的數據匯聚后與監控中心通信，中控室與網關節點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分布范圍廣泛，尤其是大型城市，遍布于城市各個小區、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現。②街道數量多導致網關節點數量龐大，有線通信的布線問題受到挑戰，相對于無線通信方式的傳輸方式太過于復雜，成本高。對于線性分布的排水管網，一條街道設置有一個協調器即可，正好適應中繼點的分布。每一個協調器只要把匯集到的數據通過GPRS節點傳遞到中控室即可。

三、總結

本方案采用基于無線傳輸的星型拓撲結構，并基于CC2530芯片為核心進行設計了單個節點體系，利用無線傳輸與上位機形成整個窨井探測系統。通過對實驗室搭建的2組模塊測試證明系統是切實可行的：單個節點體系的數據獲取以及數據收發較為穩定、準確，可以實時準確監測到各個節點的水位等各項信息，根據水位情況判斷當前管網運行狀態。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，進一步減少人員開支。通過模型參數可調，凸顯項目方案可行性將無線與物聯引入污水管理。可確實解決城市污水運行問題，大大減少人力、物力等上的極大支出，從被動管理轉變為主動、預防式管理。從特定情況下流速、流量、液位高度、截面之間的關系通過對窨井設計擬通過液位高度反饋相關流速、流量等動態信息。周時對管網、窨井進行標定，可從上位機與現實地點的結合，清楚每一節點、采集點的數據信息。

但系統在運行中不可避免的存在一些問題，雖然兩組實驗通訊正常，接收數據都很良好，但在實際窨井的改造后，測試結果發現因為潮氣過大密封效果不夠理想，導致電路板損傷，建議改造成密封一體式結構。井面太陽能板尺寸直接影響發電效率，因系統所用單片機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不工作時設置為休眠模式，以減少功耗。另外現有窨井內引流槽高低不同，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。