密封容器漏水监测和无线报警系统

摘要：为解决密封容器漏水的实时监测问题，采用分区检测技术，将整个区域划分成若干个不同的区域，各分区之间独立检测、独立报警。实验测试中，当密封容器漏水时，检测电路迅速导通，启动无线发射模块。接收模块接收到信号，进行解码处理，将数据流输出到单片机，单片机通过内部程序对输入信号进行处理，启动蜂鸣器报警并在LCD液晶上显示漏水点的具体位置。实验测试结果表明所设计的漏水检测与无线报警系统能达到设计要求。
关键词：漏水监测；无线报警；dsPIC30F4011；LCD显示

0 引言
    本文研究的背景是“基于同时定位与地图构建方法的AUV自主导航技术”，应用环境是水下，对整体设计中的一些密封容器的密封性需要不断进行监测并实时返回检测数据。
    目前，检漏技术已发展到第五代——区域泄漏普查定位系统“多探头相关仪”，集区域泄漏普查预定位和精确定位漏点位置于一体。未来第六代检漏技术解决的问题应该是大区域管网泄漏在线检测系统，强化预定位与精确定位，并向微型化发展。无线报警器当前分为两种，一种是普通无线报警器，其受环境地形影响，报警效果较差；另一种是GSM无线报警器，基于现有的GSM网络，采用单片机和无线遥控技术，实现现场报警，同时手机打电话发短信报警，探测灵敏。
    本文采用分区检测技术设计漏水检测电路，运用现有的无线收发模块和单片机编程处理检测信号，实现漏水无线报警和定位漏水点。

1 基于dsPIC30F4011单片机的漏水监测和无线报警硬件系统
1．1 漏水检测电路和无线发射电路
    当密封容器因外界压力太大或者受到猛烈撞击后而漏水时，需要有一个漏水检测电路对其进行检测，并将漏水信息传递给无线报警系统的发射电路。
    密封容器漏水后，检测点浸入水中，检测电路导通，输出一个直流高电平以驱动无线发射电路。结合无线发射模块和漏水检测电路做成的电路板如图1(a)所示。

    图1中POWER为检测电路的电源，外接9 V直流电源供电，TEST为两个电极检测点，当密封容器漏水时，将使三极管Q1，Q2，Q3导通，在VCC处输出一个直流高电平(约为9 V)，启动无线报警系统中的发射电路，形成一定的数据流，通过天线发射出去。
    漏水检测电路的设计，涉及到两个方面的问题：一是检测电路的准确性和检测灵敏性；二是水质不同，其导电电阻不同，导致检测点间压降不同，检测电路的输出也将不同。
    在水温一定的情况下，水的电阻值R大小与电极的垂直截面积F成反比，与电极之问的距离L成正比，即R=ρ*L／F，式中ρ为电阻率，其国际制(SI)单位为欧米(Ω·m)。
    水的电阻率的大小，与水中含盐量的大小、水中离子浓度、离子的电荷数以及离子的运动速度等有关。因此，纯净的水电阻率很大，超纯水电阻率就更大。水越纯，电阻率越大。
    无线发射电路采用无线发射模块9902A，该高频发射模块体积小，工作电压范围宽，发射功率大，功耗低，广泛应用在工业遥控、遥测、遥感控制；防盗报警器信号及各种低速率数字信号的传送；各种家用电器、智能玩具的遥控等场合。
    图1中标有Ch701字样的是数据端口，设置为0或1，编码以区分不同的漏水点；标有Ch702字样的是8个地址端口，设置PT2262／PT2272相同的地址码。
1．2 接收端单片机控制硬件连接电路
    接收端采用单片机控制芯片dsPIC30F4011和APP009评估板，单片机通过读无线接收模块数据输出管脚的高低电平，程序控制蜂鸣器和LCD做相应的动作。其硬件连接电路如图1(b)所示。
    无线接收模块为9915AM4，该高频接收模块采用进口SMD器件，6．5 GHz高频三极管，高Q值电感生产。性能稳定可靠，灵敏度高，带有解码IC可直接使用，功耗低，广泛应用于各种防盗系统，遥控控制系统，数据传送及信号控制等。编解码芯片为PT2262／2272，其芯片原理、地址码的设定和振荡电阻的匹配可参考文献。
    无线接收模块9915AM4的数据输出管脚13，12，11，10，17分别接到APP009评估板上JP15的PWM1L，PWM1H，PWM2L，PWM2H，PWM3L端口，即芯片dsPIC30F4011的相应端口。单片机通过对相应端口的读操作，检测各端口的高低电平，确定为“1”或是为“0”。
    其中17脚为解码有效端口，高电平有效，当17脚为高电平时，红色LED灯D5会点亮，表明无线接收模块解码有效。13，12，11，10引脚分别对应无线接收模块数据输出端的D3，D2，D1，D0端口。当相应数据端口为高电平时，会点亮相应的LED灯。
    JP15的VDD和GND端口分别连接无线接收模块的VCC和GND端口，JP19的VDD和GND端口分别连接蜂鸣器的VCC和GND端口，JP15的PWM3H端口则连接蜂鸣器报警电路的Vin，单片机通过两个定时器控制PWM3H端口输出一个方波信号，作为蜂鸣器报警电路的输入信号，驱动蜂鸣器报警。

2 漏水检测和无线报警系统控制程序设计
    本系统采用MPLAB集成开发环境软件——MPLAB IDE软件，安装在PC机上控制MPLAB ICD2模块，通过USB电缆将MPLAB ICD2模块连接到PC机的USB口，运用Mieroehip的dsPIC语言工具编写程序，在接收端通过单片机控制蜂鸣器报警和LCD的显示内容。
2．1 系统设计思想
    假设密封容器的个数为m(m≥1且为自然数)，每个容器内需要检测的漏水监测点个数为n(n≥1且为自然数)。可根据具体情况，选择合适的m与n值。
    文中主要是针对4个浮筒进行漏水监测，每个浮筒内仅需放置一个监测点，故取m=4，n=1，将4个无线发射模块分别置于4个浮筒之中，外部用1个无线接收模块和单片机组成漏水监测和无线报警硬件系统。4个无线发射模块和接收模块的地址码设置一致，以保证收发模块的地址码匹配。当漏水时，浮筒内的检测电路导通，驱动发射模块工作，通过天线将无线信号耦合出去；接收模块通过天线接收到信号后，经过一系列的处理，在数据输出管脚输出一定的数据流；接收端单片机通过对无线接收模块数据输出管脚的读操作，通过程序控制蜂鸣器报警和LCD显示是哪一个浮筒漏水。
2．2 系统程序流程图
    根据硬件电路的连接和系统的设计思想，程序流程图如图2所示。

    图2中，RE4端口即PWM3L端口，连接无线接收模块的17管脚即解码有效端(高电平有效)，程序首先检测RE4端口是否为1，以确定解码是否有效。在RE4=1的前提下，红色LED灯LED5会被点亮。此时，单片机同时检测RE0，RE1，RE2，RE3端口，即无线接收模块的4个数据输出管脚D0，D1，D2，D3。哪个端口为高电平“1”，就表明相对应的浮筒发生漏水，通过程序控制对RE8，RB3，RB4，RB5进行置“0”操作，APP009评估板上相对应黄色LED灯LED7，LED8，LED9，LED10就会被点亮。同时，单片机会启动蜂鸣器发出报警声音，并在LCD上显示Warning!”和漏水浮筒的编号。若RE0～RE3同时为“0”，表明接收模块出错，蜂鸣器继续报警，LCD上显示“ERROR!”。当RE4端口为“0”时，表明解码无效，即无线接收模块没有接受到信号，此时没有浮筒发生漏水，LCD上显示“Normal”。
2．3 系统控制程序和程序运行结果
    运用Microchip的dsPIC30F4011开发板，通过MPLAB C30_C编译器编写程序语言，编译连接，并运行通过，能够准确定位漏水位置，实现漏水报警功能。
    (1)当PORTEbits．RE4=0时，接收模块解码无效，即没有浮筒漏水，LCD液晶显示"Normal”。
    (2)当PORTEbits．RE4=1时，接收模块解码有效，若PORTEbits．RE0，PORTEbits．RE1，PORTEbits．RE2，PORTEbits．RE3同时为0，即没有浮筒漏水，此时为虚警。表明接收模块解码出错，蜂鸣器报警，LCD液晶显示“ERROR!”。如图3(a)所示。

    (3)当PORTEbits．RE4=1时，且PORTEbits．RE0，PORTEbits．RE1，PORTEbits．RE2，PORTEbits．RE3中的任意1个、2个、3个或者全部为1，此时蜂鸣器报警，LCD液晶显示“Warning!”和漏水浮筒的编号。以4个浮筒均漏水为例，如图3(b)所示。

3 结语
    漏水报警系统最容易出问题的环节就是检测电路。
    在实际应用中，漏水检测电路的安装要考虑密封容器进水后失效的问题。一般要做到检测电路的检测电极触水，而后端的线路不要进水，在这之间要做良好的封堵处理。因此，两个检测电极的安装位置要合理，检测电路的其他线路和无线报警模块电路要进行良好的防水防潮处理。此外，检测电路的工作方式是触水检测，检测电极带电同时触水，其腐蚀性是十分严重的，因此，每次漏水报警后必须彻底清理电极，否则可能会影响下次使用。