基于物联网技术的无线漏水监测系统探讨设计

本文设计的无线漏水监测系统能够实现预期的项目要求，但是还存在一些有待解决的问题和需要改进的地方以及进一步的研究设想。（1） 光纤漏水传感带结构需要进一步设计和优化，研究设计一种导流结构，可以将漏水顺利导入和流出光纤耦合结构，使得系统检测灵敏度更高。 （2） 在保证系统功能完整的前提下，增加光纤传感位点提高系统漏水检测的定位精度。

1  绪论

1.1  研究背景与意义
水的重要性不言而喻，据有关数据统计分析，我国城市供水普及率已经超过了 95%；与 20 年前相比较，我国供水能力提高了 4.6 倍，国人用水量增长了 3 倍之多[1]。但是随着供水管网覆盖范围的拓宽和供水能力的逐渐提高，我国水资源浪费现象也是变得相当严重了，其中水泄漏就是一个主要的因素[2]。如表 1-1 是我国近年来供水网络平均漏损率的情况[3]。 水的泄漏会造成水资源的极大浪费，同时造成不小的经济损失，还会带来许多的卫生、安全等隐患；漏水附近的污染物及病菌会进入饮用水供水管道内，人们食用了该水之后就会带来非常严重的卫生问题；水泄漏会导致建筑物附近的土壤软化，失去原本应该有的承受能力，发生坍塌事故；道路泄漏水会影响人们的正常出行。党的十八大提出要推进生态文明建设，要改变以前人们治水和用水的落后人水关系，努力实现惜水、爱水的人水共生新一代关系[4-6]。“十三五”规划建议规划提出：“实行最严格的水资源管理制度，以水定产、以水定成，建设节水型社会”，这是党中央针对水资源管理工作提出的指导方针和总体要求[7-8]。
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1.2  无线漏水监测的国内外研究现状
1.2.1  国外无线漏水监测研究
国外对漏水的测量传感器技术研究发展相对较快，也有人把漏检和无线网络技术相结合做了研究。2007 年帝国理工大学  IvanStoianov 与麻省理工学院 Sam Madden 等学者在实验室通过建立 Pipe Net 系统，利用管道漏水振动的原理并将单跳的  WSN  应用于管网监测进行漏损判断与定位研究[17]。2010 年加州大学  Shinozuka,  M  等人充分利用MEMS 技术，采用  XStream、XBee  以及  Wi Fi  三种通信技术进行数据传输，并结合“最大振动加速度梯度法”开展非入侵式的管道漏损监测，在实验室中搭建了实时的管网监测系统，并取得了良好的监测效果[18]。2011 年 Z.Sun 等人对埋于地下的管道采用无线传感技术实现实时监测，利用磁导波感应原理的传感器做采集，可以监测地下管道的泄漏情况，但是需要在管道的内外壁都安装传感器，管道内壁传感器的安装是比较困难的，所以此方法存在缺陷[19-20]。2012 年 T.T.Lai 等人设计的无线传感系统能够放置在管道的水流中，利用水流的移动带动传感器工作，通过算法实现检测目的，但是将检测设备置于水流中不稳定因素很多，还会给后期的维护工作实施带来很多不便[21-22]。2013 年Michal.Allen 等人通过采集供水管道的压力和管道中水的流速，结合无线传感网络研究了一种漏水检测定位系统，这种方法有很好的应用意义[23]。2017 年 S.Teruhi 等人为了验证和改良地下无线传输的性能，提出了一种驱动装置，将传感器和驱动设备埋在地下做采集数据实验，测试结果表明他们设计的基于 IoT 和机器学习技术的泄漏检测系统数据传输准确、定位精度良好[24]。综合来看，国外无线漏水在线监测系统的研究和漏水监测数据智能算法的应用都有比较先进的突破；国际整体环境下，漏水监测的方案很多都是单点的独立通信，并没有进行大规模的监测应用，应用的场景也非常有限，管网智能监测研究仍处于初级的阶段。
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2  无线漏水监测系统总体架构和关键技术

2.1  漏水监测系统总体设计
2.1.1  无线漏水监测系统需求分析
有线的、功耗大的漏水检测是我国目前漏水检测的主要特点。有线的传输方式在实际复杂环境中的布局布线会很不方便[34-36]；另外还会限制了漏水检测的范围，传统的漏水传感器的应用场景也有限；更重要的是系统的智能化程度低，无法对漏水节点的工作状态、系统的线路连接状态进行实时且准确的监控和控制；而且系统无法方便的提供泄漏位点位置信息，同时系统监控灵敏度和泄漏的定位精度也很低。综合考虑，本系统在功能需求上主要分为以下几个方面：（1）无线通信平台：面对环境复杂的供水区域，有线通信传输在布局布线等方面上可能受到极大的限制，所以一个无线传输网络的通信平台应运而生。（2）漏水检测定位：系统最基本的一个功能就是对区域供水环境是否发生漏水事件以及漏水位置具体发生在哪里，一个性能良好的漏水检测传感器是至关重要的。（3）漏水监控管理：对漏水传感器数据和无线传输节点的工作状态进行实时的监测；对数据进行存储，为漏水信息数据查询和分析提供数据来源；对采集回的数据进行解析以便提供报警和远程监测功能，增强系统的智能化程度。
与此同时，系统在性能上也要达到相对应的需求：（1）准确性：检测的数据是整个漏水监测系统所有工作的最基础，所以有必要最大限度地保证数据的准确性。（2）网络通信要求：组网灵活、可扩展性好，传输稳定、抗干扰能力强。无线网络节点可以随时加入网络，发生故障时网络节点可以自我修复网络，不影响整个无线网络系统的运行。（3）系统定位精度要求，可靠性要求（4）监测上位机软件的简易性、友好性要求。 .................................

2.2  光纤传感技术与漏水检测原理
2.2.1  光纤传感器概述
光纤传感器以光作为信号变化和传输的载体，因此光纤传感器有着抗电磁和抗射频的性能；它利用光导纤维作为传输媒介，所以具有较强的耐腐蚀性，能够检测高温、易爆等恶劣环境下的参数，光纤因为具有良好的形状适应性能力，所以可以做成多种多样的传感器，应用环境比较广泛[38-43]；光纤的重量轻、体积小使用起来相当的方便，传感器的结构也相对简单。与传统的电学传感器相比，光纤传感器集传感传输于一体，而且还有分布式传感的能力，重要的是还可以反复利用，能够多对种参数进行检测和传输，制作不同类型的传感器。正因为光纤传感器所具有的各种独特的优点，世界各国越来越多的人们对形形色色的光纤传感器进行研究，促使了光纤传感技术的飞速发展。光纤传感技术在各行各业中也有着重要的角色，被广泛应用到智能水利水电、智能家居和交通运输以及航空航天、智能医疗等众多领域[44-46]。因此本文将利用光纤来制作漏水检测的传感器。
2.2.2  塑料光纤折射率敏感机理
目前光纤传感器使用的光纤主要分为单模石英光纤和塑料光纤。石英光纤要想加工表面缺陷结构会很复杂，加工成本导致整个系统的成本自然升高，而且石英光纤的柔韧性很差，不利于在复杂监测环境下使用。在光学研究领域里，一个很重要的光学研究参数就是折射率。为实现对漏水事件的实时性检测，本文利用塑料光纤进行光纤折射率传感器的研究。
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3  无线漏水监测系统的硬件平台搭建 ......................... 22
3.1  概述 ......................... 22
3.2  漏水检测传感器设计 ......................... 23
4  无线漏水监测系统软件设计.................................... 33
4.1  组网软件开发环境搭建 ......................................... 33
4.1.1 IAR 集成开发环境 ............................ 33
4.1.2 Z-Stack 协议栈 ............................ 34
5  测试结果与分析...................................... 46
5.1  传感采集处理模块测试 ........................................ 46
5.1.1  传感器采集数据测试 ................................... 46
5.1.2  传感点位数据测试 ............................ 47

5  测试结果与分析

5.1  传感采集处理模块测试
系统采用模块化的思想进行设计，因此在系统测试的时候也是分模块进行测试，主要分为漏水信息传感采集处理模块测试和无线自组网的网络测试，最后进行整个系统功能集成测试。这样分模块的测试可以在系统安装之前对每个部分的功能好坏有个清楚的认识，同时也为后期的系统故障维修打下基础。
主控制电路板在焊接的时候也是要进行模块化焊接与调试，每焊接一部分就调试一部分，这样可以避免后期整个板子焊好出现硬件问题找不到原因，要养成良好的调试习惯。先焊接电源模块，焊接好电源模块先供电对电源模块进行测试，看输出电压是否正常，供电输出正常再继续焊接后面的部分。除了供电模块要优先焊接外，剩下的器件焊接顺序按照信号的流向依次焊接，焊接完毕进行测试是否达到预期效果，直到最后主控芯片。
5.1.1  传感器采集数据测试
如图 5-1 所示是一条完整的传感带和焊接完好的电路板连接图，对传感器数据采集处理部分进行测试，所以暂时不焊接无线传输节点。将编好的程序下载进 STM32 使用串口连接电脑，在串口助手上观察收回的数据是否符合预期，如图 5-2 所示是串口收回的数据，可以看到能够收回重复的五个点位的信息。 ......................

6  总结与展望

6.1  论文工作总结
本论文针对供水管网等区域漏水带来的各种问题和隐患，研究分析国内外漏水监测系统现状，利用光纤分布式传感技术和物联网技术，将这两种技术进行有效的结合突破传统漏水监测技术，设计了基于物联网技术的无线漏水监测系统。能够实现区域漏水事件的在线实时监测。系统主要有光纤漏水传感器、漏水信号控制转换微处理器、无线传输节点和实时在线监测的上位机软件。论文具体工作如下：
根据项目要求查阅国内外文献，制定了系统的整体设计方案。对光纤传感技术进行了研究分析，利用光纤分布式传感在一维空间可连续测量和集“传”与“感”于一体的特点设计了光纤漏水传感器，用来实现对管道等区域漏水事件的检测和定位。利用无线物联网的传输方式将漏水信号传输至上位机，实现漏水信息的实时监测。
在硬件方面，针对光纤漏水传感器的信号输出设计了一系列的信号处理电路使得信号符合 AD 模数转换模块的输入范围，转换完成的数字量信号经过 STM32 处理器上传给传感网络终端节点。对无线网络中的节点电路进行设计，实现对漏水信号的无线传输。
在软件方面，利用 Z-stack 协议栈对无线网络节点实现多跳对等的自组织网状网络进行设计；为实现对漏点的精确定位，将漏水采集信息与光源 LED 灯进行信号的混合编帧；利用虚拟仪器软件 labview 设计智能无线漏水监测上位机实现对漏水信号和系统工作状态的实时监测，最终实现一个分布式、高精度智能无线漏水监测预警系统。
最后对光纤漏水传感采集和无线网络的组建情况以及系统功能集成进行测试分析，最终得出系统运行稳定可靠符合预期需求，设计任务完成良好。
参考文献（略）