一种新型管道渗漏检测系统的设计

摘要：根据与检测相关的原理，设想出用相关检测技术来检测管道渗漏，采用单片机等低功耗器件，设计出低功耗，噪声小，可通信的检测装置。

生活工作中管道渗漏会带来很大的影响，严重干扰了正常生活和生产进度，给人们带来了极大的不便。为防止管道渗漏带来的不利影响，减少损失，设计一款渗漏检测系统是很有必要的，能够及时找出漏水点并及时修复。

本设计通过HC-05蓝牙与从机与主机通信。主机采用计算机，从机以MK60单片机为主控制器，由信号采集模块、A＼D转换模块、信号放大模块、报警模块、显示模块等外围电路组成。将探测设备安装在消防拴、阀门、管道等易泄露位置，通过声音采集设备100%实时听音，一旦发生渗漏立即报警，主机显示报警位置，及时排查出渗漏地点

关键词：滲漏检测；声音采集；去噪

[Abstract] With the rapid development of science and technology in the 21st century，the pace of people's life is speeding up. Due to start construction quality and use fixed number of year of sewers is increasing，the change of geological structure，the pressure change under the action of various factors such as joint，hard to avoid can produce crack will lead to leakage，with the occurrence of leakage，loose around the foundation settlement will further drive pipe crack，make funnelled grows worse. In order to save water resources，reduce the harm of leakage to the family facilities，eliminate the safety hidden danger caused by leakage，a scientific leakage detection and control system is needed.

[Keywords] leakage detection；sound acquisition；denoising

1、课题的来源及意义

21世纪随着科技的飞速发展，人们生活节奏的加快，由于管道漏水引起的事故也越来越多。由于开始的施工质量，加上排水管网使用年限的不断增长，地质结构的变化，外界压力变化等各种因素共同作用下，管道难以避免会产生裂缝导致渗漏，随着渗漏的发生，周围地基松动沉降会进一步拉动管道裂缝，使漏点不断变大恶化。为了节约水资源，减少泄漏对家庭设施的危害，排除由于泄漏原因造成的安全隐患，需要一套科学的漏水检测控制系统。

随着自动化技术及人们生活水平的提高，智能家居的概念被越来越多的人所接受。所谓智能家居，是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。在日常生活中，智能漏水检测系统是在家居安全里具有十分重要的作用。通常由于一时疏忽，如停水时忘关水龙头、下水不通畅、管道破损等意外原因所造成家居漏水，很多情况下事态严重，不仅是自家受损失，同一栋楼里的人也会同样受害。因此设计一种漏水检测控制系统，能自动检测选定区域的意外漏水，并伴随声光报警，提示出现的浸水事件，减少漏水状况的恶化，能有效地防止各种损失进一步扩大。

2、国内外研究现状

目前，我国供水行业普遍存在管网漏水问题，平均水损率约20，，其中漏损约占水损的50，，有的地方管网漏水问题甚至非常严重，这就大大地降低了供水企业的供水效益，也给水资源造成严重浪费，有些甚至影响到人们的正常生产和生活。

目前国内漏水检测仪器设备和技术大多数采用声波检测的原理——通过检测承压水从漏点喷出而产生的噪声来确定管道是否漏水和漏点的位置。很多公司都是做水浸传感器，漏水检测线的。这些公司大部分采用的点式，或者铜丝短路的方式进行检测，相比国外同类产品比较简单，低端，不能精确定位。

国外漏水检测技术一直走在世界的前线，随着时代的发展，当然漏测检测技术也是发展的越来越好，漏水查漏，当最初的简单的听漏技术发展到现在各种的漏水检测设备和自动化漏水检测。其中加拿大对塑料自来水管漏水检测做出很大的贡献，塑料自来水管漏水检测的研究主要利用流动体在通过漏孔漏水流动的水声和噪声。

3、论文研究的内容

本系统为漏水检测系统，系统完成对家庭楼房的监控，对暖通空调设备区、关键管道、储存室、消防栓与阀门等易泄露位置进行漏水检测。当泄漏发生时，感应传感器通过听声，进行信号的分析，就会立即将信号传给报警控制器。通过微处理器可显示泄漏具体位置。因系统较大，所以采用多个单片机处理，可采用HC-05通信，组成一个网络监测系统。下节点完成现场检测、控制、记录、报警，上节点完成远程监控。

该系统能精确检测到是否有漏水发生，并且报告具体漏水位置，因此这种方案适合于日常家居。

4、系统设计方案

4.1系统控制方案

本系统采用MK60单片机作为主控制器。MK60是一种低功耗、高性能32位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash存储器。使用NXP公司高密度非易失性存储器技术制造，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的32位CPU和在系统可编程Flash，使得MK60在众多嵌入式控制应用系统。

4.2电源模块

方案一：采用半波整流电路。半波整流是一种利用二极管的单向导通特性来进行整流的常见电路，除去半周、下半周的整流方法，叫半波整流。作用是将交流电转换为直流电，也就是整流。变压器的次级绕组与负载相接，中间串联一个整流二极管，就是半波整流。利用二极管的单向导电性，只有半个周期内有电流流过负载，另半个周期被二极管所阻，没有电流。这种电路，变压器中有直流分量流过，降低了变压器的效率；整流电流的脉动成分太大，对滤波电路的要求高。只适用于小电流整流电路。

方案二：采用单相桥式整流电路。单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路。单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况理想。单相桥式整流电路的优点是：线路简单、调整方便。单相桥式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。

综合以上方案，根据本系统的控制要求，选择方案二单相桥式整流电路更为合理更为合适。

4.3 显示模块

方案一：采用LCD显示电路。采用两片HD61202作为列驱动器，同时使用一片HD61203作为行驱动器的液晶模块。HY12864具有简单而功能较强的指令集，与微控制器的数据传输采用8位并行传输方式。在HY12864中，两片HD61202的ADO均接高电平，RST也接高电平，这样在使用HY12864时就不必再考虑这两个引脚的作用了。片内Flash中存入了需要使用的字符库，通过调用LCD字符显示程序，可以显示中英文字符，市场价格比较高。

方案二：采用LED数码管显示电路。数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a，b，c，d，e，f，g，dp来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的 2个8数码管字样了。LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。电路简单、经济适用、实现起来比较容易。

由于本系统显示模块对漏水位置进行显示，四位静态显示就可以满足系统的设计要求，而LED数码管显示恰恰可以很好完成本系统的任务要求，所以选择方案二更为合适。

4.4 传感器模块

方案一：采用咪头模块，采用5V供电，对周围声音进行采集，可以检测周围声音的有无，输出形式为0和1高低电平，当声音强度达不到设定的阈值时，输出低电平，反之输出高电平，且灵敏度可调。缺点是只能识别声音的强度，不能识别声音的大小和特定频率的声音。

方案二：采用高敏度麦克风模块。该模块采用5V供电。该模块输出形式有DO和AO两种形式。除了能输出高低电平外，还有AO形式输出，实时输出麦克风的电压信号。且灵敏度高，并且价格合适。

由于本系统对声音采集要求比较严格，需要分析声音的大小，所以选择方案二比较合适。传感器如图4.4.1所示。

5、系统功能

5.1 系统功能框图

5.2 声音采集

本系统通过高敏度麦克风采集声音，通过传感器内置芯片输出电压信号，通过放大电路将电压信号放大，并通过A/D转换程序将模拟信号转化位数字信号。放大电路由LM358为核心的直流放大电路，电路图如5.2.1所示。

5.3 噪声抑制

本系统对声音的准确性要求极高，因此对噪声的处理必不可少。由于无法直接观察声音的大小，所以将传感器输出的电压通过A/D转换变为数字信号，输出波形，通过观察波形来分析声音。传感器放置在管道附近，日常的人的脚步，电梯的运动都会引起震动，对漏水的检测造成很大干扰，所以必须降噪。分别采集了发生渗漏时的波形和未发生渗漏时日常的波形，通过对比分析，发现发生渗漏时水滴的声音对波形影响占主导地位，其他的噪声干扰影响较小，所以决定通过采用滤波的方式去除噪声引起的杂波，去除噪声干扰。本系统采用MATLAB对声音信号进行滤波处理。

方案一：无限长冲激响应（IIR）滤波器，该滤波器传输函数的极点可位于单位圆内的任何地方，因此可用于较低的阶数，以获得高的选择性，所用的贮存单元少，但却以牺牲相位的非线性为代价。

方案二：有限长冲激响应（FIR）滤波器，该滤波器可以得到严格的线性相位输出，但只能用较高的阶数来达到高的选择性。

因为FIR没有稳定性问题，所以选择方案二。

滤波效果如图5.3.1所示。

6、结论

本设计是以HC-05通信方式的漏水检测控制系统。下节点完成现场检测、控制、记录、报警。上节点完成远程监控。本系统是以单片机为核心部件配合相應外围电路构成的漏水检测控制系统，本系统用于家居楼房的监控，对暖通空调设备区、关键管道、储存室、消防栓与阀门等易泄露位置进行漏水检测。

主机采用计算机，从机以单片机MK60为主控制器，由信号采集模块、A＼D转换模块、信号放大模块、报警模块、显示模块等外围电路组成.软件部分由控制软件和单片机汇编程序组成。通过硬件和软件的协调工作，泄露发生时，系统能及时检测到漏水信号并通过显示电路和报警电路显示泄露点并报警。本系统性能稳定、硬件器件使用少、成本低廉、具有推广意义，软件部分功能全面，操作简单，结合当代最流行最科学的定位式检测模式很好的对家居楼房实时监控。

参考文献

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[3]李媛. 基于DSP管道漏水检测去噪算法的研究[D]. 内蒙古大学，2008.

[4]杨大柱. MATLAB环境下FIR滤波器的设计与仿真[J]. 电子技术应用，2006，32（9）：101-103.

作者简介：尹瀚（1998.01.08——），性别：男，民族：汉族，就读于临沂大学。

（作者单位：临沂大学）