城市供水管网实时监测定位系统研究 57页

'学校代号10524学号2013120170分类号密级专业硕士学位论文城市供水管网实时监测定位系统研究学位申请人姓名陈丹培养单位电子信息工程学院导师姓名及职称周城讲师学科专业电子与通信工程研究方向信号处理论文提交日期2014年5月22号 学校代号：10524学号：2013120170密级：中南民族大学硕士学位论文城市供水管网实时监测定位系统研究学位申请人姓名：陈丹导师姓名及职称：周城讲师培养单位：电子信息工程学院专业名称：电子与通信工程论文提交日期：2015年5月22日论文答辩日期：2015年5月31日答辩委员会主席：田岩教授 ResearchonrealtimemonitoringandpositioningsystemforurbanwatersupplynetworkbyCHENDanB.E.(JianghanUniversity)2012AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringInElectronicandCommunicationEngineeringintheGraduateSchoolofSouth-CentralUniversityforNationalitiesSupervisorLecturerZhouChengMay2015 中南民族大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权中南民族大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密□，在______年解密后适用本授权书。2、不保密□。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日 摘要随着我国城镇化进程的快速发展，水资源的需求将持续增长。然而城镇地下管网漏水现象严峻，由于供水网络庞大，漏水点难以及时准确发现，对单个漏点定位耗费巨大人力物力。研制先进可靠的供水管网实时监测定位系统帮助管网维护人员系统监测管网运行情况，可快速确定漏点，及时进行维护，对于遏制水资源浪费具有重大意义。本文针对城镇供水系统的特点，以管网的实时监测和漏点定位为目标，对管道监测节点和在线监测系统进行了设计，主要研究内容如下：（1）针对泄漏声信号的基本特性，采用相关时延定位算法实现泄漏点定位，设计实现了系统的漏点监测节点硬件模块，利用MSP4302F247单片机作为嵌入式定位节点微处理器，采用GPS授时技术提高传感器采集同步精度，以基于ZigBee的无线传输技术将监测到的数据传输到数据中心。同时考虑到节点单片机有限的存储空间和运行资源与大量数据采集任务之间的矛盾，对监测节点进行了低噪声低功耗的软件优化。（2）设计了后台在线监测系统的数据处理软件。通过基于LMS的自适应时延估计算法的仿真，计算管线两端传感器采集到的泄露信号间的时间延迟，得出管道漏口定位情况，并将处理结果以WEBGIS的形式进行图像化呈现，实现了城市供水管网实时监测定位。仿真实验证明，本文设计的供水管网实时监测定位系统检测及时、定位准确、功耗超低、操作便捷、智能程度高，具有较高的实际应用价值。最后，对本文主要完成的工作和对本系统尚存在的问题进行了总结，并对未来的研究工作进行了展望。关键词：MSP4302F247，GPS授时，ZigBee，LMS自适应时延估计I AbstractWiththerapiddevelopmentofChina"surbanizationprocess,thedemandforwaterresourceswillcontinuetogrow.However,theleakagephenomenonofurbanundergroundpipelineisserious.Duetothehugewater-supplynetwork,leakingpointisdifficulttobefoundaccuratelyandintime.Anditneedshugehumanandmaterialresourcestolocateasinglefunneled.Theresearchofreal-timemonitoringandpositioningsystemaboutadvancedandreliablewater-supplynetworkwillhelpmaintenancepeopletomonitortheoperationofthenetwork,determinethefunneledquicklyandperformmaintenanceintime.Italsohasanimportantsignificancetorestraintthewasteofwaterresource.Thispaper,accordingtothecharacteristicsofurbanwatersupplysystem,aimingatreal-timemonitoringandpositioningofpipenetwork,designsthepipelinedetectingnodesandtheonlinemonitoringsystem.Themainresearchcontentsareasfollows:(1)Basedonthebasiccharacteristicsofleakingacousticsignal,thissystemadoptedcrosscorrelationlocalizationalgorithmtorealizeleakpointpositioning,anddesignedandimplementedhardwaremodulesofleakingmonitoringnodesforthesystem.Thispaperusessingle-chipMSP430F247asthemicroprocessorforembeddedlocatingnode,GPStimingtechnologytoimprovethesynchronizationprecisionofsensoracquisition,thewirelesstransmissiontechnologybasedontheZigBeetotransmitdata.Meanwhileitcompleteslownoiseandlowpowerconsumptiondesignforsofttothemonitoringnodeaccordingtothecontradictionbetweenthelimitedstoragespaceandmemorywithalargenumberofdataacquisitiontasks.(2)Thispaperdesigneddataprocessingsoftwareofbackgroundon-linemonitoringsystem.ItcalculatesthetimedelaybetweenbothsensorswhichlocatingonendsofthetubescollectingleakacousticsignalbymeansofsimulationbasedontheLMSadaptivetimedelayestimationalgorithm.AtlasttheresultswillbevisualizedshowedinaformofWEBGIS,achievingthereal-timemonitoringandpositioningforurbanwatersupplynetwork.Thesimulationresultsshowthatthedesignofwatersupplynetworkreal-timeII monitoringandpositioningsystemhasmanyadvantages,suchasdetectingtimely,locatingaccurately,lowpowerconsumption,operatingsimply,highintelligentdegreeandsoon.Thesystemhashigherpracticalapplications.Finally,thispapersummarizesthemainworkandexistingproblemsofthissystem,andlooksforwardtheresearchworkforfuture.KeyWords：MSP4302F247,GPStimesynchronization,ZigBee,LMSadaptivetimedelayestimationIII 目录摘要............................................................................................................................IAbstract........................................................................................................................II第一章绪论............................................................................................................11.1课题研究背景意义...........................................................................................11.2城市供水管网漏水检测技术及其发展状况...................................................21.2.1地下水管漏水检测技术.........................................................................21.2.2供水管网检漏技术发展.........................................................................41.3本文主要研究内容和工作安排.......................................................................5第二章基于相关函数的漏点定位............................................................................72.1管道泄漏声信号特性.......................................................................................72.1.1泄露信号的产生.....................................................................................72.1.2泄露声信号传播特性............................................................................72.1.3泄露声信号频率特性.............................................................................82.2相关检漏原理与漏点定位算法.......................................................................92.2.1相关函数概念........................................................................................92.2.2相关定位原理......................................................................................102.2.3LMS自适应时延估计算法.................................................................112.3本章小结.........................................................................................................12第三章漏水检测定位节点硬件设计......................................................................133.1嵌入式漏水检测定位节点.............................................................................133.2主控单元设计................................................................................................143.2.1MSP430F247.........................................................................................143.2.2主控单元设计.......................................................................................143.3GPS时间同步模块设计................................................................................153.3.1GPS简述..............................................................................................153.3.2GPS同步时钟校时方式......................................................................163.3.3GPS授时方案设计..............................................................................183.4数据采集模块设计.........................................................................................193.4.1传感器的选择.......................................................................................193.4.2信号调理部分.......................................................................................203.4.3A/D转换模块.......................................................................................213.5数据通讯模块设计.........................................................................................243.5.1ZigBee技术简述..................................................................................241 3.5.2ZigBee拓扑结构..................................................................................253.5.3CC2430.................................................................................................263.6电源管理模块.................................................................................................263.6.1+3.3V电源设计...................................................................................263.6.2+24V电源设计....................................................................................273.7本章小结.........................................................................................................28第四章漏水实时监测定位系统软件设计..............................................................294.1单片机部分软件设计.....................................................................................294.1.1单片机初始化.......................................................................................294.1.2系统接收GPS模块时间参数的中断处理程序.................................304.1.3A/D转换模块程序设计.......................................................................304.2基于LMS的自适应估计算法实现..............................................................314.2.1基于LMS算法的仿真........................................................................314.2.2系统实验结果.......................................................................................334.3低噪声低功耗设计.........................................................................................354.4显示界面模块设计.........................................................................................364.4.1显示界面设计流程...............................................................................364.4.2显示界面主要功能...............................................................................374.5本章小结.........................................................................................................41第五章论文的总结与展望......................................................................................425.1论文总结.........................................................................................................425.2课题展望.........................................................................................................43参考文献......................................................................................................................44致谢..........................................................................................................................472 第一章绪论1.1课题研究背景意义水是人的生命之本，是非常重要的自然能源。地表有百分之七十被水覆盖，水资源看似很丰富，然而淡水占有量不到总量的百分之三，而淡水中不能被利用的水资源超过了百分之七十五。目前能被人类投入使用的水资源主要有河水、湖水、江流水和埋藏较浅的地下水资源。据调查，地球上每年能为人类利用的水资源量大约为9千亿吨，不到总淡水量的百分之一。中国是一个水资源非常不充裕的国家，虽然水资源总拥有量有近3千亿吨，世界排名第6位。然而中国人口众多，总人口占世界人口比例近五分之一，人均占水资源比例极低，只有近2200吨，比世界人均水资源拥有量低了近百分之七十五，缺水情况不容乐观。同时中国水资源空间分布不均。我国南方受气候影响，普遍降水比较充足，河流湖泊分布密集广泛。然而由于人为过度开采、引水灌溉等社会原因和泥沙淤积、湖床上升、水量总体积减少等自然因素，近些年洞庭湖、鄱阳湖等出现了水域面积减退的现象。而广大沿海地区、北方地区和用水量很大的工业化地区都存在大量缺水的情况。据统计，北方有近580亿平方米的地域属于缺水地区，其中包括北京、天津等城市以及山西、山东和河北等这样的人口大省。这些地区的水资源开发程度已经高达到百分之七十，部分省市人均拥有水资源量低于两千吨，更有甚者某些地区人均水资源量低于一千吨，缺水程度非常严重。然而这部分地区的人口数量还在增多，所以人均拥有比例也在减少。中国的大、中、小及各直辖市的城市总量超过650个，其中大部分都处于水资源不充足的状态。城市地区年水量缺口高达58亿吨，每日水量缺口达到1600万吨。目前中国经济发展速度必然仍将迅速增长，居民日常生活和工农业发展的用水需求也在不断增加。这意味着缺口将达到近1000亿吨，对经济和工农业的发展以及居民的生活舒适度都将产生很大影响。现在全社会普遍已经认识到节约水资源的战略意义。2006年国家发展改革委等部门联合下发文件《节水型社会建设“十一五”规划》[1]。在《规划》中将1 节约资源提高到基本国策的高度，并针对高效用水、大力节水等目标做了进一步指导。对于国内的供水企业来说，随着社会的飞速发展和城市需求的逐渐增多，供水管网的长度和范围都在不断增长。同时许多超出有效期的旧管线老化严重，漏水现象层出不穷。由于以上各种因素，导致我国城市管网漏水率非常高，大量自来水白白流失。在2002年我国建设部颁布的关于《城市供水管网漏损控制及评定标准》的公告中[2]，针对供水官网的漏损率有严格规定，必须不大于12%，并强调该条规定属于必须严格执行的强制性条文。但实际数据显示，全国大部分省市没有达到此标准。根据调查显示，从2008年开始，我国每年漏水总量均超过60亿吨，其中2008年为60.38亿吨，2009年为61.46亿吨，2010年已经超过62.75亿吨。每年管网泄露水总量相当于我国全部人口一个多月的用水量，或相当于海南、福建、浙江、江西四省一年的城市供水总量，并超过我国每年城市用水缺口总量，数量相当庞大。同时，由于管道泄漏，我们也不得不面临日益严重的资源损失和经济损失，以及随之而来的一些次生灾害。如：因漏水浸泡而导致的土质疏松地面塌陷、管道爆管而导致的安全隐患和生活不便以及路面积水造成的交通障碍同时水管破裂导致不安全物质侵入水管导致水质下降等，对居民生活造成了很大困扰。因此，通过采用新技术和新设备对供水管网漏点达到发现及时、定位精确、报警率高、抢修及时等要求成为了重要的城市建设课题。1.2城市供水管网漏水检测技术及其发展状况1.2.1地下水管漏水检测技术根据检漏理念的不同，地下管网漏水检测技术可分为主动检测和被动检测两种[3]。被动检漏通常是指漏水点在地面可见后，相关人员仓促赶往检修的情况。这种检漏方法比较原始，在设备上投资少，然而需要耗费大量人力，并且会严重影响居民的生活状态。并且该方法只能操作可见漏点，对不可见漏点放任自流，造成水资源的巨大浪费让人叹息。因此在漏水点可见前对供水管线进行检测的主动检漏法已经在工业上被经常使用。常用的主动检漏法又分了以下三类：流量计算法[4-8]、基于模型或统计的方法[9]和专业技术法[10-12]。2 图1.1常用主动检漏法分类图（1）流量计算法流量计算法[4-8]主要包括区域检测计算法、干支流量计算法。区域检测计算法在一定条件下，记录某区域某时段流量最小值作为该区域漏水量依据，通过关闭该区域阀门确定漏水点。该方法优点是简单便捷，对技术含量要求不高，成本低。缺点是对监测区域的面积和情况要求较高，且不能准确定位漏点坐标。该方法对流量的测定较高，既要求测流范围大，又要求其精度较高；干管流量分析法是将除了安装了水表的旁通管道外的其余管网干支阀门全部关闭，此时旁通管道的水会通过干支的漏点流出，可通过水表测出漏水量。其优点是能测出漏口较小和漏点较远的漏水量，误报警率低。缺点是操作极其不便，且不能同时测整个区域。这类方法主要存在的问题是操作起来较复杂而繁琐，非常不适用于工业场合，且需要清晰的管网分布图才能确保漏点高的检测精确度，然而由于我国管网分布复杂，早期设计图纸丢失导致的管道分布信息不完整，使用该类方法在实际工作中进行漏点检测容易出现误差甚至错误。（2）基于模型或统计的检查方法基于模型或统计的检查方法[9]主要包括瞬变模型法和统计决策法。瞬变模型法主要是建立管道内部流量场的数学模型，并以实际测量值和估计计算值之间的误差为依据来判断管网运行情况，并通过管道内部压力梯度的情况来定位漏口位置[10]。统计决策方法它采用SPRT法分析实时测量的压力和流量，连续计算泄漏发生的概率，并利用RLS对泄漏点进行最终定位。利用统计决策法来建立管道测漏模型，回避管道模型的复杂性，使模型计算变得简单化，并解决了误报警3 问题[11]。瞬变模型法的报警阈值直接影响了定位误差、模型误差、数值分析误差和报警时间等。若所设阈值较小，则会由于以上因素的不确定性，产生大量误报警响应，若为了降低误报警率提高报警阈值，则会导致小漏点无法检测，浪费大量水资源。（3）专业技术法专业技术法可以分为基于声学的检测技术和基于非声学的检测技术两大类。基于非声学的检测技术主要包括示踪气体检漏法[3]和神经网络技术[12]等。示踪气体检漏[11]的方法是通过检测从管道上端流入的不易溶于水的气体在管道各个位置的浓度，浓度高的地方就是漏口所在处，该方法的优点是不受噪声因素影响，且对管道附近环境无要求，缺点是成本高昂，在供水管网中的实际应用成效不高，且对水质会产生一定程度的污染。神经网络技术[12]是指建立基于智能神经网络的管道模型来进行漏点定位，该方法的优点是可以提高管网检漏的准确度。基于声学的检测技术主要包括相关分析检漏法[13]和区域泄漏监测定位法[14]等。相关分析检漏[13]的主要原理将采集信号的传感器安装在管道两端阀门上，计算泄露声信号通过管壁分别传播到管道上、下端的时间延迟，再根据实际测量的泄露声信号在该管道中的传播速度和该段管道的长度来对漏点进行坐标定位。该方法的优点是受干扰噪声影响较小，操作便捷，对维护人员要求不高，漏点检测率高，漏点定位精确。该方法缺点是只能对固定管道进行监测，不适用于大规模管网漏点检测行为。区域泄漏监测定位[14]的方法基于声学的原理，通过软件编程、电子设计以及通信模块的构建实现实时同步地监测某区域的管网运行状况，其中包括漏点的检测和定位，该方法实时便捷地对大范围的管网进行监测和维护，极大的节省了人力成本，是非常具有发展前景的一种检测方式。本文也主要运用了该方法进行了供水管网实时监测定位系统的研究。1.2.2供水管网检漏技术发展在供水管网维护中，由于操作简单、使用方便等原因，往往使用阀门音听法和地面听音法。然而这两种方法可靠性低、精确度差，同时需要耗费大量人力物力，因此相关检漏法在上世纪九十年代被当做一个重要课题进行研究[15-16]，目的4 是提高在噪声环境下对供水管网漏点检测定位精度以及开发出具有实用性的针对某一特定管道的管道漏点检测仪器。经过多年努力，使用该方法研制出的相关泄露检测仪提高了针对单一管道漏水定位的精确度，无法实现对整个城市管网的漏点状况进行检测。声音自动记录检测法主要是为了改善相关泄露检测仪需要人工实用和排查的缺点，在重要的输水官网部分，对泄露信号进行长时间的检测记录并进行相关分析，工程人员定时前往取回数据检查漏点。区域检漏法和瞬变模型法的研发，主要是为了对整个城市供水管网进行管网维护。其中区域检漏法是通过关闭部分阀门以计算流量差来估计漏点位置的方法。这种方法的缺点是对居民正常生活产生影响，且由于管网暗道的分布，漏点检测误差较大，漏点定位精度不高。瞬变模型法是的阈值设置对漏点定位精度影响很大，而且误报警率相对较高，对小漏点的检测率很小，这都是在实际应用中很难解决的问题。区域泄露监测法的主要原理与相关检漏相似，利用管道两端检测到泄露声信号的时间延迟来定位漏点，该方法可以监测某区域内管道的运行状况，有利于提高工作效率。图1.2供水管道漏水检测方法发展趋势从上表可以看出，区域泄漏监测定位法代表了目前供水管道漏水检测的最新方法，本项目正是基于这种方法。1.3本文主要研究内容和工作安排本文依托于武汉威派科技有限公司的《基于网络的相关检测定位技术及漏水5 实时监测装备》项目，以武汉理工大学的现场实验结果为基础，进行了深入的研究。本文主要研究内容是完成对供水管道漏水实时监测定位系统的设计，从而获得对管网泄露管理问题更深入的研究。本文首先对漏水声信号的基本特性和相关漏水定位的基本原理进行了研究和探讨，在此基础上，设计了一款城市地下供水管道漏水实时监测定位系统。其中详细介绍了包括主控单元、数据采集模块、GPS时间同步模块、数据通信模块和电源管理模块的硬件电路。软件部分首先对基于GPS授时同步的数据采集模块进行了程序设计，另外基于LMS自适应时延估计算法，完成对泄露声信号的数据处理，实现漏点定位算法，并通过简单介绍了系统数据显示模块，完成本文对实时监测功能需求。全文分为5章，安排如下：第一章主要介绍本文研究背景和意义。首先通过介绍我国水资源缺乏的严峻程度以及城市供水管网泄露现状的恶劣程度，揭示了研究本课题的重大意义。然后对目前国内外主要漏水检测技术做了简单分类，分别对各种技术优缺点做了介绍，并提出了本系统的研究技术。第二章首先对泄露声信号的基本特性做了简单分析和介绍，然后提出了定位漏点的相关检测基本原理和基于LMS的自适应滤波算法。第三章主要对系统的各硬件电路模块进行了的介绍，其中包括基于MSP430F247的主控单元、压电加速度传感器、GPS授时同步模块、基于ZigBee的无线通讯模块和电源模块。第四章主要对系统的软件模块和算法模块进行了论述，其中包括数据采集和GPS时间同步软件程序设计、软件低噪声低功耗的设计、快速相关时延算法和系统数据显示模块。第五章主要是对本城市供水管网实时监测定位系统中完成的工作做了总结，对其中尚存在的问题进行了分析，并对课题将来的发展空间做了简要概述。6 第二章基于相关函数的漏点定位2.1管道泄漏声信号特性2.1.1泄露信号的产生当供水管道出现漏点，管道内部水压高于管道外壁，使得管线内部水向外喷出，与管道泄漏口和周围介质发生摩擦，产生振动声信号，同时泄露水向外喷出的动量带动管壁周围介质运动，其互相碰撞产生的振动声信号也属于泄漏声信号的一种。下面分别简单介绍这三种振动声信号[17]：1)泄露水摩擦漏口：供水管道的材质一般是弹性体，这种材质会被周围的振动激励。管道泄漏后，漏口周围水流会发生非常态流动，与泄露口摩擦撞击引发振动。同时管壁被这种小振动激励，沿着管道方向发生振动，并向管道两端传播。传播的距离和传播的衰减率因漏点大小、管壁材质、管口直径等因素而不同。一般情况下，通过听音棒可在管道三通处或者消防栓处听到这类振动声信号；2)泄漏水冲撞周围介质：泄露水从管线内部向外喷出，冲撞管壁周围介质，同样引发振动。这类振动声信号会逐渐向上传播至地面，使用听音器可在漏口上方地面听到；3)周围介质互相冲撞：泄露水向管壁外部喷出的冲量会带动管壁周围介质运动。这些介质之间互相冲撞并与管道发生碰撞，这类碰撞所引发的振动声信号频率较低，不易被听音器探测到。通常境况下对管道漏点进行定位，一般是将传感器安装在管网井盖三通的位置，获取沿着管壁传播的泄露水摩擦漏口的振动声信号。2.1.2泄露声信号传播特性在1999年OsamaHunaidi和WingT.Chu[18]就提出了对不同泄露类型、环境温度、管内压力下管道泄漏信号特性和传输特性的研究，研究对象是一根长200m、管径150mm的实验室搭建的PVC管，这根管道被埋在深度为2.4m的软性泥土中，其部分结论如下：不同类型的泄露导致的泄露声信号其频率成分之间7 区别不大；在管道谐振频附近的信噪比较高，在远离管道谐振频率处信噪比较低；当传输距离较远时声波振幅会产生大量衰减，同时在气温较低的情况下，衰减速度更快；泄露声信号的传播速度在冬天大约会高出7%；泄露声信号的传播速度在频率较低的范围内变化幅度不大。泄露声信号即能通过周围介质传播又能沿着管壁向管道上、下两端传播。一般选择采集沿着管壁传播的泄露声信号，这是因为沿周围介质传播的信号其传播速度受环境影响较大，更容易产生能量的衰减，不利于信号采集。泄露声信号的传播速度也与管道的材质和管径厚度有关系。根据调查，其它因素不变的情况下泄露声信号在金属材质的管道中传播速度较好，而在塑料管道中较差，例如，声波在内径为100mm壁厚为10mm的管道中，铸铁材质的传播速度是1280m/s，水泥管的传播速度是700m/s，PVC材质的传播速度是360m/s；在直径较小的管道的传播效果较好而在直径较大的管道中效果较差，例如在内径为100mm的铸铁管道上传播速度是1280m/s，内径为200mm的铸铁管道上的传播速度是1173m/s。需要注意的是，在实际检测环境中不同材质管道存在混合连接，这样泄露声信号在各个连接处的传播速度会发生变化。若管道内壁存在水垢等杂质积存时，传播速度也会产生一定程度的变小。这些都需要在实际工作中引起注意。2.1.3泄露声信号频率特性在一般检测环境中，检测到的信号包括一些管道周围的环境噪声，如非平稳突发性强干扰（如汽车突然驶过的声音），和固定噪声源带来的平稳随机噪声（如电器件工作产生的噪声）等[19]。在管道两端的采集点采集到的信号通常只在很少的频段相似，这意味着一般检测信号的信噪比较低。当管道的漏口位置离管道两端采集点的位置越来越远时，接收信号的衰减更加明显，频带也变得更加窄。泄露声信号的频率变化时能量的衰减速度也跟着变化，随着离管道谐振频率越远衰减速度快。例如铸铁管道，在漏点附近10m以内，泄露声信号包含3KHz以下的频段，而3KHz以上的频段衰减很大到几乎无法检测到。另外非金属管道和金属管道的衰减率差别也很大，在频率较高的范围内前者衰减更大，后者衰减更小。例如塑料材质的管道在2KHz以上的频段由于衰减过快基本无法检测。通常管道泄露声信号频率范围主要集中在200-3000Hz之间，在金属材质管道中频段8 为500-200Hz，金属材质管道中频段为100-700Hz[20]，铸铁管道漏水声信号频率主要集中在1000-2000Hz之间。在进行实际环境漏水检测是，泄露声信号的频率特性和漏口大小、管道长度、传感器和管道接口有关[21]。各个研究人员实验用的实验管道和实验环境的不同，导致检测出的泄露声信号频率范围不同。在对数据采集模块的滤波器部分进行设计时，最好设置可编程的截止频率以满足不同的系统性能需求。2.2相关检漏原理与漏点定位算法2.2.1相关函数概念利用相关函数计算时间延迟的方法是最经典的算法。管道两端传感器对同一源信号采集到去除了噪声的两信号，两个信号存在时间延迟。通过相关算法运算，求得相关函数R()。找出相关函数的峰值就是所求的时延值。xym设传感器A、B两点分别接受到的信号为x(t)和x(t)，源信号为s(t)，泄12露声信号被管道两端采集点检测到的时间延迟为D，加性噪声为n(t)和n(t)。12假定源信号s(t)和加性噪声n(t)和n(t)均互不相关。泄露声信号在管壁上传播12所造成的能量衰减率为。则在考虑噪声的情况下，两路传感器接受信号模型[22]为：x1(t)=s(t)+n1(t)(2.1)x(t)=s(t-D)+n(t)22（1）自相关函数Rx衡量一个随机变量在不同时刻与自身的相关程度可以用R来表示，这是对x随机过程自身内在联系的一种表述方式，通常使用两个时刻t=t，和t=t的二维12概率幂函数进行描述。随机信号的相关函数为:Rt,tExtxtt,tT(2.2)x1212根据柯西-施瓦茨不等式可知，在原点可以得到R的峰值。x（2）互相关函数衡量两个随机变量之间的相关程度可以用R来表示，这是表示两个不同信xy号之间的相关性的一种表述方式，通常使用接收到的两路信号x(t)和x(t)的互129 相关函数为：R()E[x(t)x(t)]R(D)t,tT(2.3)1212ss12其中，R()表示源信号s(t)的自相关函数。由自相关函数的性质可知，在SS均方误差最小的意义上，这种估计是最佳的。由于R(D)≤R(0)，即当SSSSD0时，接收到的两信号之间的相关性最大，取D作为时延估计结果，m为相关函数峰值点位置。m2.2.2相关定位原理本系统设计通过在各个管道上、下两端的外壁吸附带有磁铁的传感器来采集漏口处传来的声波。其中泄漏水冲撞周围介质产生的声波和周围介质互相冲撞产生的声波的传播途径是周围介质和地面而不是管壁，这导致这两类声波的衰减较大。而泄露水摩擦漏口所产生的声波其主要传播途径是管壁，所以本项目主要以该类声波作为研究对象。相关定位的基本原理就是管壁两端的传感器检测到的两个接受信号之间的估计时间差来计算供水管网泄漏点的位置[23-24]，该方法对管道的埋深和管道的走向不受限制，但需要知道管道的材质以及管径大小等参数，其定位原理如下图所示。LL12L图2.1定位原理图通过采样输入信号x(t)和x(t)和输出信号s(t)，得到数字信号x(n)和121x(n)和s(n)。传感器采集信号模型通常简化为：2x1(n)=s(n)+n1(n)(2.4)x(n)=s(n-D)+n(n)22已知漏源信号在同一管道的传播速度固定为v，由图2.1可得到公式l1l2l(2.5)lllvD12通过计算相关函数得到时间延迟的估计值D。联立两式：10 l1(lvD)/2(2.6)l2(lvD)/2其中，l为管道两端采集点间长度，v为声波在该材质管壁上的传播速度。从上式可以看出在已知该段管道的长度l和声波的传播速度v时，唯一未知数是两路观察信号间的时延D。利用数字信号处理的原理得到时延的估计值。最后求得的l1和l2的值，即为系统确定的漏点位置。2.2.3LMS自适应时延估计算法通过广义互相关法（GCC）来定位管网漏点的技术在工业环境中已相对成熟。该技术也是利用相关函数峰值即为两接收信号间时间延迟的方法，但该方法的局限性也非常明显，需要已知泄露声信号和噪声的基本特性，而一般情况下，由于管道材料、管口直径和埋管环境和深度的不同，泄露信号的基本特性也不同，同时噪声受管网周围环境的影响也具有不同基本特性[25]。这时采用GCC技术来估计漏点位置，在未知的情况下通过估计的方式对信号和噪声的基本特性来对滤波器进行设置，估计结果必然会存在误差甚至错误，这样得到定位结果准确度和精度不高。要在对信号和噪声基本特性未知的情况下，提高对定位准确度和精度的要求，可以选择自适应时延估计方法[23]。自适应滤波算法[23]]主要包含两种:自适应的最小均方(LMS)和自适应的递归最小二乘方(RLS)。其中RLS算法[23]的主要优点是收敛速度快且输入信号的频谱特性对收敛性能无影响。但这类算法每次迭代计算量很大，使其在投入实际使用时不受青睐。LMS算法[23]是一种梯度最陡下降法，它是以期望响应d(n)和滤波输出信号y(n)之间误差的均方值最小准则为依据，估计输入信号x(n)在迭代过程中的梯度矢量，并自动调整权系数ω(n)以达到最优的自适应估计算法，其最核心的思想是用平方差代替均方误差。本系统采用基于LMS的自适应时延估法计算法来估计两泄露信号之间的延迟，它能够在工作时自适应计算出信号和噪声的统计特征，同时根据自适应结果更改对应参数，以达到最佳滤波效果。该算法最大的特点就是计算量少，不需要运算相应的相关函数和矩阵，大大增加了其在工业上实现的可能性。如图2.2是基于LMS自适应11 1z图2.2LMS自适应滤波算法原理图2.3本章小结这一章首先介绍了各种管道泄漏声信号的产生、在管道上的传播特性和频率特性，列出了能被有效探测的声波频率范围和管道泄漏声信号在不同材质、管径的管道上具体的传播速度。之后分别简述了相关时延函数的基本概念、定位的原理和基于LMS的时延估计算法，为计算管道漏点定位打下理论基础。12 第三章漏水检测定位节点硬件设计3.1嵌入式漏水检测定位节点本系统旨在设计一款可视化地下管网漏水实时监测定位系统，通过在供水管网的管道安装一定数量的传感器构成数据采集网络，通过GPS的1PPS信号，实现传感器全网同步对管网进行连续数据采集和监控，然后将数据输入MCU控制器，单片机将采集到的信号进行A/D转换，并通过ZigBee无线传输模块把监测到的数据传输到数据中心，后台的数据处理软件对数据进行计算和分析，确定供水管网目前的工作状况，并使用GIS软件以直观、可视化的形式把供水管网状态信息展示给管理者。如图3.1所示为单个嵌入式漏水检测定位节点的结构框图。图3.1嵌入式漏水检测定位节点模块框图下文主要介绍供水管网实时监测定位系统中的部分模块，主要包括数据采集模块、单片机MSP430控制模块、电源管理模块、ZigBee无线传输模块和供水管网实时监测系统模块。13 3.2主控单元设计3.2.1MSP430F247本系统选用TI公司开发的一款型号为MSP430F247的单片机，它是总线为16位且内带FLASH的低功耗MCU。本系统选取该芯片作为计算控制器的主要原因有以下几点:1、该单片机[26]成本低、整合度高，片上包含看门狗、模拟比较器、两个复合了多个捕获/比较寄存器的16位定时器、4个串行接口USCI、硬件乘法器、ADC12、直接数据存取、多个可实现方向设置和中断功能的I/O端口、基础定时器等。将该芯片应用到采集节点模块达到简化了系统终端的硬件设计部分，并大幅度减小其体积、提高节点可靠性；2、该芯片工作电压范围在1.8V-3.6V，激活模式下270µA，待机模式0.3µA，关闭模式0.1µA，相对其它MCU功耗明显超低、辐射小，同时在电池供电工业运行系统中表现优异。唤醒速度优异，从待机到唤醒模式响应时间不超过1µs，非常迅速有效。3、该单片机首先通过其内置的内部DOC振荡器启动CPU，并可用软件编程对对应寄存器进行设置，最终确定其时钟频率。并且DCO会在CPU的晶体振荡时钟发生故障时自主启动，这种工作方式大大提高了系统可靠性。4、采用的精简指令集(RISC)结构能在一个时钟周期125ns内执行完一条指令，使得在使用8MHz晶体振荡器时，指令速度达到8MIPS。片内还拥有数量众多的寄存器，能满足多种运算要求，保证了MSP430能编制出高效的程序。3.2.2主控单元设计本系统检测终端部分主控单元以MSP430F247单片机为核心，主要包含单片机MSP430F247、与GPS同步定位模块通讯接口、与ZigBee无线传输模块的通讯接口、单片机供电模块等等。通过MCU内装ADC12完成数据采集部分信号模数转换、UART1与GPS同步定位模块连接、UART0与ZigBee无线传输模块进行通信和LED指示灯模块等，如图3.2所示。14 图3.2主控模块结构框图3.3GPS时间同步模块设计本文在第二章介绍了对管道漏点进行定位的主要原理是估计管道两端传感器采集漏点泄露声信号的时间延迟，这意味着系统对各个数据采集节点时间同步精度要求很高，单片机MSP430F247的定时模块满足不了系统的要求。为解决这一问题，本文设计从外部提供一个校时信号，将单片机内部时钟校准，以满足提高系统时钟精度的要求。该校时信号必须具备适应任何地域、任何时间、抗干扰能力强以及时间精度高等几点特性[27]。3.3.1GPS简述GPS(GlobalPositioningSystem)是美国研发的全球定位导航系统的简称，与俄罗斯研发的格洛纳斯系统、中国研发的北斗卫星定位系统和有中国注资的欧洲提出的伽利略计划等卫星导航系统是全世界仅有的四种导航系统。其中GPS技术由美国最早开始研制，距今已有近半个世纪的历史，其布设的共24课可操作和3颗备用卫星，覆盖全球高达98%，具有在海陆空三领域实现全方位实时导航、授时和定位服务的卫星导航与定位的能力，是军用和民用都具有广泛受众的卫星导航系统。GPS卫星导航系统的主要优点是精度高、实时性好、效益好、成本低廉、抗干扰能力强等。15 GPS卫星上装载的标准时钟稳定度非常高[28]，铯原子钟的频率稳定达到131510/d，而氢钟的频率稳定度甚至达到10/d，这保证了所有的卫星很长时间内无需地面校正均能独立工作的时同步定位精度不会受损。故本系统提出利用其优秀的时间同步性能来设计嵌入式定位节点的同步定时模块以满足系统设计时间同步误差小于1毫米的要求。3.3.2GPS同步时钟校时方式本文主要介绍两种利用GPS信号提高时间同步精度的方式[29]，分别是同步脉冲输出方式和串行时间信息输出方式。（1）同步脉冲输出方式该方式是指同步时钟每隔固定时间段输出一个脉冲（可能具有不同周期、脉宽、电平等），系统通过与其校对来消除内部误差[28]。下面主要介绍同步秒脉冲的工作方式进行介绍。1PPS(pulsepersecond脉冲/秒)同步秒脉冲如图所示，通常是以方波的电平信号表示，持续时间为毫秒量级，脉冲输出是高电平。以SUPERSTAROEM板为例，其电平信号为+5V，持续时间为1.0lms，精度为±0.0lms，高电平上升沿表示输出，低电平无信号输出。图3.31PPS秒脉冲波示意图如图3.4所示，秒脉冲与UTC时刻相差约为ls。因此RS-232传输数据时先由OEM板提供秒脉冲，再提供与该秒脉冲相对应的UTC标准时间[30]。16 图3.4GPS时间信息时序图同步脉冲输出方式的突出优点是简便准确。使用同步脉冲输出方式作为校时模式，其实现时间同步的工作原始是脉冲沿在整时、分、秒时激活自动清零模式。但该模式下当前具体时间不能直接获得，一般需要依靠系统本身提供，以确认1PPS同步脉冲输出时的时刻。如图所示，一般同步脉冲时间延迟主要包括导线传输时延、两个光耦的时延、中断逻辑的时延、中断响应的时延和中断处理时延。根据研究表明，同步脉冲授时精度一般在20µs左右[29]。如果需要进一步提高授时精度，可以设置补偿参数来修正系统的固定偏差。图3.5脉冲校时工作过程（2）串行同步方式串行同步方式[29]是指时钟输出时间信息的方式是串行数据流，单片机以每秒一次的频率接收串行数据流获得时间信息。串口所接收数据流的格式符合NMEA-0813通讯协议的全球定位数据信息。NMEA-0813通讯协议每一条语句均以帧头“$”作为起始位，以“n”作为结束位。每个语句包含许多数据域，各个数据域以分隔符“，”隔开，各自代表固定的信息，如时间信息、经度信息、维度信息等。每个字符串的长度固定，相应的信息在相应的数据域中显示，若某信息未接收到则在该域内显示空字符，并以逗号隔开。因此在需提取某信息是可以“，”作为寻址符进行信息检索。17 图3.6串口接收GPGGA数据如图3.6是串口在5s内接收到的GPGGA数据。其中第一个数据占第7-16位共10个字符，表示UTC时间，与本地时间差为8小时，故这5s时间间隔内的具体时间为15时21分42秒-15时21分46秒。第2-4个数据分别表示纬度、南/北纬、精度、东/西经，故串口接收定位点为北纬30.26东经114.23。使用串口方式对时时，如图所示，产生时间延迟包括发送数据的时延T1、总线传输的时延T2和接受处理数据的时延T3。其中T1、T3只能根据系统做大致估计，只有T2可以通过修正时间来解决。一般修正过后能保证授时精度达到50µs左右。相对同步脉冲对时方式来说，使用串口方式对时精度较差。若对同步精度要求较高，可加入同步串行通信方式，校时精度能提高到20µs[31]。图3.7串行通信校时工作过程3.3.3GPS授时方案设计根据上一节的研究结果，本系统设计将同步脉冲和串口校时结合起来使用——即以秒脉冲的上升沿作为校时时钟的中断信号，同时将处理上一个秒脉冲所得到的时间信息加1s作为最终时间，对装置进行校时[29]。该方案克服了同步脉冲信号不能直接提供时间信息的问题，同时避免了串行通信中的毫秒级时延，满足本系统对授时精度的要求。GPS同步授时装置的硬件结构图如图所示，一般由GPS接收器及其扩展部分组成。GPS接收器接收秒脉冲信号和UTC时间信号，扩展部分将UTC时间信号转换成系统所需要的时间格式，并通过串口通信将其传输到装置中进行校时。18 图3.8校时硬件原理图3.4数据采集模块设计数据采集模块主要包括采集泄露声信号部分的传感器、完成对传感器输出信号进行调理工作的信号调理器和对接收信号进行A/D转换的数据采集部分。其结构框图如图3.9所示：图3.9数据采集模块结构框图3.4.1传感器的选择作为整个课题的数据基础，选择合适传感器以采集泄露声信号的重要性不言而喻。根据漏水声信号的振动特性，本系统传感器的主要功能是将管道漏水产生的振动声信号转换成电信号。同时考虑到管道漏水检测的实际环境，传感器需要满足以下几点：1、质量小。长距离管道的总体质量其实很大，但是传感器吸附在管道某点外壁，其质量相当接近于其接触面积内的管道质量，这势必将对其运动状态产生影响。因此管道局部质量要远大于传感器质量。2、高灵敏度。当传感器离漏水点较远或漏口较小时，漏水的振动声信号会比较微弱。因此传感器要拥有高灵敏度，可感知到距离较远和漏口较小的泄露声信号。19 3、抗干扰性。系统检测到的信号包括有效的泄露声信号和环境噪声信号。为了提高系统信噪比，要求传感器对沿管道传来的泄露声信号敏感同时对非管道上传来的环境噪声不敏感。4、频率响应范围。传感器的频响范围包括本系统漏水声信号频段范围内。5、材质防腐防锈。由于实际检测环境一般在野外，一般环境比较恶劣且不可避免会接触到水，要求传感器材质轻巧且坚固，同时防腐防锈，能满足使用环境。6、低功耗。数据采集模块主要采用电池进行供电，一般要求系统的连续工作时长大于1年。根据以上几点要求，本系统最终选用了型号为LC0134T内装IC的压电加速度传感器。其主要是利用压电陶瓷特性中的一种——压电性，在加速度计收到检测物体影响而振动是，压电元件承受的力随之变化，从而输出电荷发生变化。同时LC0134T内装IC放大器，能直接放大接收信号。该设计大大简化了系统，降低了因电路噪声对系统精度的影响，提高了系统可靠性。该芯片主要特点是拥有高灵敏度和宽频带，满足本系统实际需求。其技术参数如下:灵敏度:10000mV/g；量程:0.5g；频率范围:0.5~2000Hz(士10%DB)；输出电压:8~12V；DC恒定电流:2~20mA，典型值:4mA；激励电压:18~30V，典型值:24错误!未找到引用源。；DC温度范围:-40~+120°C。最大冲击保护:100g3.4.2信号调理部分本系统所选用的压电加速度传感器需要提供恒流源供电，一般为24V、DC4mA。参考电压不接地，而是一般为8-12V的输出偏压，在该偏压上叠加正比于振动加速度的交流信号。由于上述两个原因，内装IC的压电加速度传感器一般20 不能直接使用。本系统采用朗斯公司设计的LC0201信号调理器来为传感器进行信号调理。该调理器不仅提供传感器的激励电源，还能对偏置电压调零、对采集信号放大和滤波以及调整灵敏度等功能，其主要优点有成本低、抗干扰能力强、噪声小、精度高等优点。内装IC压电加速度传感器与外接信号调理器原理简图如图3.9：图3.10内装IC压电加速度传感器与外接信号调理器原理简图本系统采用的压电加速度传感器内装IC放大器，其基本组成为MOS场效应管。如图电路组成的高通滤波器主要功能是为了计算传感器。同时本信号调理器还有如下功能：1、向传感器提供24V、4mA恒流电源；DC2、利用压电加速度传感器产生的振动加速度的交流信号，将与其正比的传感器输出叠加到与其正比的偏压上，再通过CR电路中的隔直电容将直流输出偏压隔除，输出的交流信号变成了以地为参考点；3、对接受信号做1-100之间的增益；4、对接受信号做1-100KHz之间的滤波。3.4.3A/D转换模块（1）A/D转换器的基本原理该过程主要是进行模数转换的过程，下面分四步介绍其基本原理。首先采样是指在采样脉冲的作用下，将一个在时域内和幅值上均连续变化的模拟信号，转换成一个在时域内离散但在幅值上仍然连续的模拟信号。并且要求在采样过程中，保持采样的“样值”，直至开始下一次采样。其主要性能要求分别是保证采集时间和保持电压下降速率越小越好。21 根据采样定理，必须设置保证采样频率f不小于信号中最高频率f的两smax倍，才能无失真的保留输入信号的完整信息。经过采样保持电路后输出的只是一个电平信号，不是一个有量化单位的数值。所以一般经过一个量化过程，这个过程是指按预先规定值的范围，将电平信号进行相应的整数处理，在幅度上将输入信号整数化。模拟电平经过量化过程的取整处理后，还得对量化后的值用二级制代码表示才能得到数字量，这一过程就是编码的过程。量化还分均匀量化和非均匀量化，所以经过不同量化方法处理过后的同一模拟电平，最后的编码结果也会不同。本系统所选用的A/D转换器的工作原理是逐次逼近法，如图。这种工作方法的基本原理是从高位到地位逐位试探，和用天平称物从重到轻逐级尝试比较相似。逐次逼近型（SAR）的转换过程是：初始化时先将N位寄存器的所有位清零；开始后先将其最高位置1，送入DAC进行转换，将转换完成的模拟结果称为V，将其与输入的模拟信号V进行比较，若V>V，则保留寄存器该位DACININDAC的高电平，否则将其清零。再将控制寄存器逻辑右移至下一位并将其置于高电平，送入DAC进行转换，输出的V再与V比较，若V>V，则保留寄存器该DACININDAC位的高电平，否则将其清零。重复此过程，直至N位寄存器逻辑右移至最后一位。转换结束后，将结果输送至缓冲寄存器，得到的输出就是转换完成的数字信号。图3.11逐次逼近型22 （2）数据采集模块主要使用了MSP430F247内置的一个12位模数转换。此模块包括一个内部电压参考源、12位逐次逼近（SAR）内核、ADC时钟源部分、样本选择控制部分、一个16路转换和控制缓冲器和ADC控制寄存器。如图3.12所示，其中模拟开关中的IC外部8位输入接A0-A7，用于接收模拟输入信号，内部的4路分别做参考电源的正负端；过设置该模块中性能优越的采集、保持功能完成对信号的电平化；ADC12电压参考源用于给ADC12内核作为一个基准信号用,且参考电源通过软件设置有6种不同组合；芯片内部的12位A/D转换内核是公用的，模拟开关的作用是接收需要转换的模拟信号，当模拟开关输出的模拟量不小于最大值时，输出数字量为满量程，即0xfff，当模拟开关输出的模拟变量不大于最大值时，输出数字量为最低值，即0x00。这两个参考电压可以通过软件编程来设置；通道缓冲单元能在转换结束时缓存相应输出结果。[33]图3.12ADC12内部电路原理图23 3.5数据通讯模块设计在压电加速度传感器对漏点完成信号采集后，系统需要将分别在管道两点处采集到的数据传输到中心主机模块进行处理和分析。此处所选取的传输方式是基于ZigBee技术的无线传输模式，且该部分附带自身电源。3.5.1ZigBee技术简述ZigBee技术的遵守IEEE802.15.4的统一标准，在构建短距离无线通讯网络中发挥重要作用。是一种具有统一标准的短距离无线通讯技术。这一名称的来源是源自于蜜蜂的八字舞，蜜蜂群体通过抖动翅膀产生的振动信号来传播花粉的相关信息，以此来构建设体中的通讯网络。ZigBee是一种短距离、低功耗的双向无线传输通讯技术，主要应用在自动化控制以及远程控制等领域。其有效传输距离能达到近80m，未来还能逐渐增加。下面介绍ZigBee技术的几个优点：1）通信可靠，安全性高。在物理层ZigBee采用扩频技术，拥有一定程度上的抵抗干扰能力。在MAC层ZigBee采用完全确认的传输模式，且具有应答重传功能，避免了数据被掉包的可能性，使该技术拥有高可靠性。同时ZigBee技术为了确保数据传输的安全性，还采用了AES-128的加密算法，并提供了基于循环冗余校验的数据完整性检查和鉴权功能;2）自组织性好，自愈能力强。ZigBee的各个网络节点能主动感知其余节点存在，并与其连接，组织成网络结构，不需要人为操作。且其增删节点非常便捷，当某个节点位置发生变动或故障时，网络也能自动完成修复工作。3）功耗低，为系统省电。ZigBee由于传输速率低，且拥有休眠功能，功耗极低。一般两节5号电池可是提供长达一年的供电支持。4）时延短，实时性高。设备工作时的各种时延都很短，例如搜索设备需要约30ms，接入信道约为15ms，激活休眠状态仅需要约15ms，非常适合应用在时延要求严格的实时监控系统中;5）成本低，组网能力强。ZigBee协议专利免费，降低了设备的成本；同时具有大规模组网能力，每一个网络65535个网络节点，适用大规模无线通讯网络。6）保密性高。采用了64位支持加密的全球唯一出厂编号，使ZigBee技术拥有了超高的保密性。24 3.5.2ZigBee拓扑结构ZigBee网络中含有三种类型的节点，它们是协调器、路由器、终端设备[31]。其中属于全功能设备的有协调器和路由器，它们满足标准定义规定的所有功能。而属于精简功能设备的有终端设备，它们功能简单，对存储需求量小。ZigBee主要有3种拓扑结构，它们是星型网络、簇状网络和网状网络，如图3.13：（a）（b）（c）图3.13三种网络拓扑结构在星形网络中，如图3.13（a）所示，由于路由节点的缺失，各终端无法直接相互通讯，必须通过中心器构成连接。该网络构造简单、便捷，在小范围无线通讯需求中较为实用。然而需要协调器承担所有通讯任务，非常容易造成协调器因工作负担过重而造成网络瘫痪。在簇状网络中，如图3.13（b）所示，三种节点分工明确、功能清晰。路由器接收各终端传输的数据并转发给协调器，完成系统传输需求。该网络结构简单，资源需求量很小；不过网络状况对父节点稳定性要求较高。在网状网络中，如图3.13（c）所示，只要处在无线覆盖范围内，任何全功能设备都可以被认为是路由器而互相之间进行直接数据交互。这样形成的从源节点到目的节点的多路径网状结构，形成时延超短的最优传输路径。同时该结构的突出优点在于能自动获取新路径以避免当前路径中某个故障节点引发的通讯崩溃。缺点是构造较复杂，增加了存储开销。由于本系统对实时性要求较高，所以我们选择网状拓扑结构来构建系统中的无线传输模块。25 3.5.3CC2430通过对不同公司的芯片参数综合比较，本系统选取了TI公司的芯片CC2430来构建无线网络。此芯片可以兼容在中国免费的2.4GHz频段，还整合了先进的射频（RF）前端和增强型工业标准的8位MCU（8051）。其中MCU包含128KB程序内存、8KB数据内存和其他外围设备，其他的模块主要提供对时钟进行分配、管理电源和测试等重要功能。CC2430的无线收发模块核心是其内置的射频收发器，无线接收器是一个低中频的接收器。CC2430芯片遵循了大部分IEEE802.15.4协议，实现尽可能减少微控制器的负担。CC2430片上系统中它作为协调器、路由器、终端设备均可使。3.6电源管理模块电源管理模块是对各个芯片供电电源模块进行设计。由于系统采用电池供电，为保证单片机和其它芯片的正常工作，需要对电源模块进行电压转换电路设计，并提供稳定电源。本系统电源模块主要设计包括+6V、+3.3V和+24V的电压，以供应各个芯片正常工作。下面主要介绍对+3.3V和+24V电压电源的设计。3.6.1+3.3V电源设计本系统部分芯片所需要的供电电压是+3.3V，我们可以通过选用电压转换器，得到我们需要的+3.3V电压。本系统采用的是美国国家半导体公司（NationalSemiconductorCorporation）开发的降压开关稳压器LM2734芯片，它的封装方式是SOT封装，功率密度在同领域属于领先行列，能确保本系统发挥最高性能。LM2734芯片可将3V-20V的输入电压降低到1.25V，仍可达到1A的输出电流。该芯片的控制电流模式功能和内部补偿功能使得系统的安全电压工作范围可达3V-20V，在这范围内能避免硬件电路的线路发生瞬变。该芯片的高功率密度确保其适用于高电流的开关控制系统，同时芯片针对每个脉冲的电量限制和针对电路的过热停机保护措施，能最大限度增加系统的可靠性。该芯片有利于系统尽量缩小体积，同时保障了必要的电源管理需求，是非常有利的选择。电路设计如图3.14所示：26 图3.14+3.3V电源转换电路图3.6.2+24V电源设计本系统信号调理器需要的供电电压是+24V，为了得到这一电压，本文选取了Maxim公司生产的型号为MAX1606的电流控制型升压开关稳压电源专用集成电路[32]。该IC可将从2.2V至5.5V的电源电压升压，可调输出电压高达28V。用其制作的升压开关稳压电源的优点是体积小、功耗低、效率高。其电源转换电路图如图所示，C是超小型的高频低损耗电解电容，L4为高频小型电感器，L的电感量大，可减小输出电压的纹波，同时电源的效率也略有提高。D1是开关二极管。输出电压Vo＝1.25（1＋R45/R46），得到+24V电压。27 图3.15+24V电源转换电路图3.7本章小结本章详细介绍了嵌入式漏水检测定位节点的各个硬件模块的设计，主要包括主控单元模块、数据采集模块、GPS时间同步模块、数据通信模块、电源管理模块、单片机和其各个接口电路的设计。主要设计思想是低功耗、高精度和系统稳定度。28 第四章漏水实时监测定位系统软件设计本文分两部分设计系统的软件程序：嵌入式定位节点的单片机控制和显示界面。嵌入式定位节点的单片机部分主要控制其系统初始化、GPS授时同步和信号的采样、滤波、去噪和A/D转换等，显示界面部分主要负责接受无线通讯信号、对数据进行分析处理和将相关信息显示在各功能界面。4.1单片机部分软件设计在单片机软件设计部分，为了提高系统效率核心模块选择使用汇编语言进行编写，为了保证程序的可读性和延展性尽量使用高级语言进行主程序编写。本文在硬件初始化模块使用汇编语言，程序主要功能模块使用C语言实现。其部分流程图如图4.1所示：图4.1单片机部分流程图4.1.1单片机初始化单片机初始化部分主要包括对关闭看门狗、配置基础时钟、初始化端口、配置与无线通信模块通讯的串口、配置与GPS模块通讯的串口和关闭指示灯等操作。29 4.1.2系统接收GPS模块时间参数的中断处理程序如图所示是GPS全球定位系统授时模块的程序流程图。在系统初始化之后，当单片机接收到GPS发送参数的输出时产生中断，判断UCB1TXBUF所接收到的GPS信息是否为帧头起始标示“$”，若是则进一步判断是否为包含时间参数的GGA数据，判断为是则对该数据进行接收储存，等确认接完所有包含时间信息的位数后，对时间信息进行处理并换算成分钟与采集时间比较，判断是否到达采集时刻。开始数据分段提取中断接收NMEA信息N提取时间信息判断是否接收到数据帧?YYN时间信息处理和分析是否为“SGPGGA”?YN是否到采集时间?接收数据并储存YN开始采集是否提取所有时间数据信息？图4.2GPS授时模块流程图4.1.3A/D转换模块程序设计本系统的A/D转换模块主要使用中断的方式开启A/D转换功能，如图是该模块程序流程图，转换结束后将自动中断跳转。30 图4.3A/D转换模块流程图4.2基于LMS的自适应估计算法实现4.2.1基于LMS算法的仿真本文在第2章中简要介绍了LMS自适应滤波算法，其最大的优点是不需要进行相关函数和矩阵的运算，是一种非常简单高效的估计梯度的方法。根据最陡梯度法自适应调节滤波器系数w(n)，使得到最小均方误差。其算数矢量可表示为：w(n1)w(n)[(n)]（4.1）LMS算法的优点是将均方误差代替成平方误差，将式（4.1）定义的梯度矢量用下式代替：e2(n)(n)(n)2e(n)x(n)w（4.2）由于(n)是多个平方误差的统计平均梯度矢量，不容易得出，为了简化计算，故在此用瞬时值(n)代替。故其表达方式为：31 w(n1)w(n)2e(n)x(n)（4.3）其中收敛条件应满足0<<1/。max系统输出21.510.50-0.5实际输出-1-1.5-2-2.501002003004005006007008009001000样本图4.4系统实际输出误差曲线110010-110-210误差矢量-310-410-51001002003004005006007008009001000样本图4.5误差曲线32 比较实际和估计权矢量实际权矢量估计权矢量0.30.250.20.150.10.050123456图4.6实际和估计权矢量比较图根据系统实际输出图4.4可知，输出y(n)的幅度是在0附近浮动的，大部分的系统输出在±0.5范围内浮动，其余部分一般在（-1.5，-0.5）和（0.5，1.50）范围内浮动。随着样本数的增加浮动的强度减小。根据误差曲线图4.5可知，其收敛速率是随步长因子的变小而减慢。随着迭1代次数和样本数的增加，最后误差曲线在10级稳定收敛。根据实际和估计权矢量比较图4.6可知，实际和估计权矢量存在一定的误差，但是后者的值会浮动在前者的上下，且随着样本数的增加两者之间误差越来越少。4.2.2系统实验结果在进行仿真实验时，在自来水管中段设置水龙头来模拟泄露情况，在管道两端吸附带磁性基座的传感器进行数据采集。实验所用的自来水管材质是铸铁，口径是2cm，管道长度为30m，实验测得管道传播速度是1200m/s。本文通过实验选取两组结果进行解释说明。实验一如图所示首先将采集到的管道两端的泄露声信号进行波形显示，如图所示，图4.7（a）显示的是上端接收的声波，图4.7（b）显示的是管道下端的声波。通过仿真测试两路信号的时延和定位结果为图4.7（c）。33 （a）A探头采样波形（b）B探头采样波形（c）漏点定位结果图4.7实验一结果图如图4.7(c)所示，管道上端A探头比管道下端B探头超前了31个基点，该点为权矢量的峰值处。系统的所选取的采样速率是5kHz，则B探头比A探头延3迟D=N/f=6.2*10s。管道长30m，传播速度取1200m/s。则根据公式（2.6）算出漏点定位结果是：l（L-VD）/213=(30-1200*6.2*10)/2≈11.6m(4.4)实验二如图所示首先将采集到的管道两端的泄露声信号进行波形显示，如图所示，图4.8（a）显示的是上端接收的声波，图4.8（b）显示的是管道下端的声波。通过仿真测试两路信号的时延和定位结果为图4.8（c）。34 （a）A探头采样波形（b）B探头采样波形（c）漏点定位结果图4.8实验二结果图如图4.8(c)所示，管道上端A探头比管道下端B探头滞后了25个基点，该点为权矢量的峰值处。系统的所选取的采样速率是5kHz，则A探头比B探头延3迟D=N/f=5*10s。管道长30m，传播速度取1200m/s。则根据公式（2.6）算出漏点定位结果是：l（L+VD）/213=(30+1200*5*10)/2=18.0m(4.5)4.3低噪声低功耗设计（1）软件设计中的低噪声措施考虑到单片机有限的存储和运行资源需要供应采集节点的大量数据采集任务，系统设计将抑制泄露声信号的噪声的任务分配给中心主机完成。中心主机调用信号处理算法对通过ZigBee无线通讯模块传输上来的信号进行处理。例如突发的强干扰噪声（如汽车突然驶过的噪声的等），利用3倍方差原理将采集信号绝对值的期望与其3倍方差的和作为阀值η，该滤波方式能将满足公式（4.1）的强干扰噪声x(i)[16]。|x(i)|≥η（4.6）35 （2）软件设计中的低功耗措施软件的低功耗设计可以从两个方面展开。一个是充分利用单片机的待机、掉电等功能，通过软件编程实现对各模块的工作方式进行控制，根据系统需要在不同时刻接通相应的工作模块，关闭其他无关模块电源或使其处于待机状态，减少系统对电量的空耗。在满足系统需求的情况下尽可能选用低频时钟，使MCU进入低功耗模式。另外一方面可以通过更多使用中断、定时类程序模块来对软件结构进行优化。4.4显示界面模块设计本系统开发的供水管网漏水实时监测系统界面，主要是为了有效的统计、接受和显示终端采集到的数据信息，是面对用户的智能化和图像化的操作界面。克服了人工巡检方式中对专业人员的高度依赖性和漏点查找不及时性，同时降低了系统建设的复杂程度，提高了管网维护的信息化程度，因此具有很强的推广应用价值和经济效益。而与大规模对老化管网进行更新相比大大减少了资金投入，同时加强了对管网的信息化管理，针对管网非明漏点的排查更加可靠。4.4.1显示界面设计流程本界面主要包括泄露声信号管理系统、服务器、客户端等组成。主要完成对无线终端信号的接受、用户登录管理、各个界面设置和维护以及数据的实时监测管理等。界面显示中心是整个系统中非常重要的模块，承担着采集终端与用户之间的接口任务。设计本界面系统，主要有以下几点原则：1、可以同时管理大量采集终端节点，在将来对采集终端节点进行数量上的调整和管理是，免除了对硬件模块和整体系统的改变，降低了调整系统的成本；2、系统采用模块化结构，各模块修改方便，便于维护。3、鉴于数据的保密性，系统的用户认证模块必须完善;4、搭建的先进的软件平台，以保障系统的兼容性、可移植性和未来发展的可能性。本系统的设计流程如图4.7所示：36 客户端服务端输入服务器IP登陆等待客户端连接接受信息显示主界面接受并验证信息接接接接发收受收受送信信信设信设置息置息置息置息置界显界显界显界显列面示面示面示面示表系水管传数统表线感据设设设器对接界收列面数表进据数行并据设维置护接收信理息发界显送面示数据管对响数理应据界维进面护行请数处求据理管退出程序一直侦听图4.7供水管网漏水实时监测系统界面设计流程图4.4.2显示界面主要功能本模块主要功能是以地图的方式展示供水管网各元素，包括了管线、水表、传感器等，以及对这些元素的操作，同时还包括系统设置和用户管理界面的设置和数据查询功能。如图所示是本供水管网实时监测系统主界面图，地图主要展示的是武汉理工大学地下管网监测状况，其中绿线表示地下管线分布图，红点表示37 传感器分布状况，黑点表示水表分布状况，红色线段表示管线出现泄漏。图4.8供水管网实时监测系统主界面（1）管线管理在主界面指定位置，点击鼠标右键，出现“新增管线”和“修改管线”菜单，界面图如图：图4.9新增管线菜单38 图4.10删除管线菜单对管线名称和编号进行编写，且不与已存在的管线信息重复，同时对管线的所属区域、管径、埋深、起点和终点经纬度以及与相邻管线的连接状况进行设置。在主界面指定位置单击鼠标右键出现“删除传感器”菜单，可以进行删除传感器操作。（2）传感器管理在主界面指定位置，点击鼠标右键，出现“新增传感器”和“修改传感器”菜单，界面图如图：图4.11新增传感器菜单39 图4.12删除传感器菜单同样对传感器名称和编号进行编写，且不与已存在的传感器信息重复，同时对传感器类型、经纬度、所属管线和所属区域进行设置。（3）数据分析在传感器管理中，还可对泄露声信号进行数据分析。针对所查询管线，点击其上、下端任意传感器，出现“数据分析”菜单，如图所示，可查询该传感器所携带的管线泄露声信号，并对管线上下两端的接收信号进行数据分析。同时选择某传感器，出现“历史分析数据查询”菜单，如图所示，选择相应开始和结束日期，可以对相应时间管线泄露信息进行查询：图4.13数据分析菜单40 图4.14历史数据分析菜单由于论文篇幅的原因，本小节主要介绍对管线管理、传感器管理和数据分析操作，针对系统设置和用户管理界面的功能说明略过。4.5本章小结本章主要对系统的软件模块和算法模块进行了详细论述，其中包括数据采集和GPS时间同步模块的软件程序设计、软件部分低噪声低功耗的设计、快速相关时延算法实现和系统数据显示模块设计，并对实验数据和定位结果进行了分析，得出了系统的工作性能。41 第五章论文的总结与展望5.1论文总结在城市供水管网系统中，管道泄漏时有发生，不仅造成了巨大的经济损失，随之而来的路面坍塌、缆线触水、建筑物积水等次生灾害也是层出不穷。关于城市管网漏水检测的技术研究越来越受到人们的重视，但多局限于特定管线排查且漏点定位精度不高。针对大范围管网泄露状况研究的情况，本文以城市供水管网实时监测管理系统为基础，从整个系统构架到各个功能模块方面研究了城市地下供水管网实时定位监测系统的设计和实现：首先，本文对现有的主要几种管道泄漏监测定位方法作了简要概述，其中包括评估法、基于模型和统计的方法和专业定位技术几类。通过对管网泄露监测定位技术的发展进行简单分析总结，本文选择区域泄漏监测定位法，该方法基于声学的原理，通过软件编程、电子设计以及通信模块的构建实现实时同步地监测某区域的管网运行状况，其中包括漏点的检测和定位。区域泄漏监测定位法能满足大型供水公司对区域管网漏点高报警率监测和高精度定位的需求。另外本文还对管道泄漏产生的原因以及泄露声信号的基本特性进行了简单分析，结合对相关函数和基于LMS的自适应时延估计法的研究，为本文漏水检测定位技术提供了相关理论基础。其次，根据系统终端节点的需求，本文设计采用TI公司的单片机芯片MSP430F247作为微处理器，并充分利用其内部资源，在数据采集部分利用其内装的ADC12模块将从传感器采集并经过信号调理器滤波放大的泄露声信号进行模数转换，同时利用单片机的缓冲串口接受GPS的高精度授时参数实现各个终端传感器节点的同步采集，以实现提高漏点定位精度的需求。同时通过对ZigBee技术特点进行研究，实现基于ZigBee技术的无线传输模块在供水管网实时监测系统中的应用，完成本课题无线传输模块的总体设计。在研究采集终端的时，本文还对采集节点的电源模块进行了设计，主要完成了通过电压转换器将+6V电源转换成+3.3V电源以及通过升压开关稳压电源将+3.3V电压升压到+24V。本文搭建的泄露信号采集终端节点不仅能有效监测管网泄露状况，而且保证了系统低功耗、低成本、操作简单等特点；42 最后，为了实现对管网泄露噪声采集终端的自动化控制和低功耗要求，本文完成了各个模块中断响应方式的软件设计。同时本文对基于LMS的自适应时延估计算法进行了仿真结果分析，并提出建立面向用户的可视化城市供水管网实时监测界面的模型，在模块化的设计思想下，结合对用户的需求分析对系统设计了不同的功能模块，提高了城市管网实时监测界面管理的完整性和通用性。5.2课题展望由于时间和经济的关系，我们的设计中还存在一些缺点和不足，未来还有更大的发展空间：（1）由于系统还处于实验室阶段，无法对实地现场进行调查，对泄露声信号和环境噪声的干扰和抑制没有深入了解，因此，本文缺乏噪声抑制算法方面的有效研究。漏水检测的环境往往非常复杂，干扰强度大且有很多不确定因素，这意味着噪声抑制算法的性能对漏点定位的精度有直接影响。因此，在未来工作中研究人员需要深入现场实地调查，研究泄露声信号特点，为系统运行提供可靠的研究数据。（2）在设计方面，虽然本系统已经满足了一般的应用需求，但系统所使用的MSP430F247的内存空间实在有限，未来一些对系统资源消耗较大的功能可能无法实现，在今后的工作中如果需要，可以考虑选择容量更大地处理速度更快的处理器以提高系统性能。（3）本系统的开发语言采用MATLAB进行算法仿真，采用C语言开发算法程序。从代码质量角度来说C语言不是最优的开发语言，在今后的研究中可以加强使用高级语言优化系统代码。（4）本系统是利用管网所产生的漏水声信号来监测管网漏点。未来可以进一步补充和开发对管网压力、流量、水位等资料的采集和信息处理，来完整地反映整个管网的运行状况。（5）本次的研究止步于上位机的管网实时监测系统研究，以直观、可视化的形式将供水管网的状态信息展示给用户。在未来可以继续研发漏点报警系统，以手机短信的方式提示管理人员和管网维护人员，这样损坏的管线能得到及时的修复，避免更多的损失。43 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致谢时光飞逝，两年的研究生生活学习生涯就要结束。回首来路，研究生生活学习的点点滴滴历历在目。在论文完稿之际，向所有关心过我、帮助过我的人们表示诚挚的感谢！首先感谢我的导师周城老师。感谢您这两年来对我的关心和帮助，是您把开始不懂怎么科研的我，一步步的带入到怎么去科研、怎么具备科研的素质和能力。周老师学识渊博、作风严谨，在您的鼓励和帮助下，我不仅在科研能力方面有了很大的提高，同时也学到了为人处事的道理，这些宝贵的财富必将使我终身受益。您认真的工作态度和高度的敬业精神时刻鼓舞着我。从论文的选题到具体内容的研究，以及到最后的论文撰写，周老师都给予了我大量细致的指导和建议。两年的师生相处，周老师为追求理想坚持不懈的恒心和毅力，对待学生认真负责的工作态度以及淡泊名利的处事风格都让我深深的敬佩。作为老师中的表率，周老师身上有太多可贵的品质，值得我一辈子用心学习。同时，感谢电子信息工程学院这两年年来对我的培养，感谢陈少平教授、侯建华教授、熊承义教授、汪汉新教授等老师给予我的帮助与指导，他们严谨治学的态度是我今后一直努力的方向。感谢学校和学院给我提供的良好学习和生活环境，帮助我顺利完成研究和论文工作。在此，谨向各位老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意，祝老师们身体健康，桃李满天下！感谢图像处理实验室的兄弟姐妹们：李冬梅、张静、刘金龙、李靓琦、王玥。在1020实验室我们相互学习、相互帮助、共同进步。也要感谢室友龙路、王雪平同学，在学习和生活上的无私帮助和鼓励，在301宿舍留下了太多美好的时光，这份情谊我会一辈子珍藏。同时还要感谢其他同窗们，谢谢他们的给予的关心和帮助。我也要特别感谢我的父母，感谢他们二十多年的养育之恩，感谢他们在我成长道路上，对我诸多的包容和支持。这份爱无以为报，祝愿你们身体健康，事事顺心！最后，衷心感谢感谢各位论文评审专家学者，答辩主席以及答辩委员会成员，谢谢你们在百忙之中抽出时间给予的指导。陈丹2015年4月47'