基于單片機(jī)與超聲波技術(shù)的水體泥沙含量云平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

樊海紅 羅學(xué)楠 周杰泉 廖家標(biāo) 石玉瑤

（廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 廣東省湛江市 524088）

1 引言

當(dāng)前許多河流區(qū)域都存在泥沙過度淤積而導(dǎo)致河流流速變慢、河床變寬、水位上升、削減水利工程壽命等問題[1]。為了避免以上危害的發(fā)生，最恰當(dāng)?shù)牟呗允峭ㄟ^監(jiān)測(cè)水體中泥沙的含量，并將其濃度控制在合適的范圍內(nèi)。目前國內(nèi)外正進(jìn)行對(duì)新型測(cè)量水體中泥沙含量儀器的研制。在國內(nèi)，采取了較為新型便捷穩(wěn)定度高的策略，主要以射線法[2]、紅外線法[3]、振動(dòng)法、激光法、電容式傳感器測(cè)量法、超聲法等方法[4]。根據(jù)超聲波具有穿透性強(qiáng)，頻帶寬等特性，利用超聲波衰減測(cè)量法及超聲波聚焦式測(cè)量法成功研發(fā)的測(cè)量儀器已投入在特定的場(chǎng)合進(jìn)行測(cè)試和使用，并且取得了較為理想的成績。國外一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)生產(chǎn)出可以在高濃度情況下測(cè)量的超聲測(cè)量儀器，如OPUS 系列。還有運(yùn)用X 射線技術(shù)的測(cè)量儀器，如DensX 系統(tǒng)[5]。以及運(yùn)用了激光技術(shù)的測(cè)量設(shè)備，如TOPSIZER。這些儀器在測(cè)量范圍大、測(cè)量精度準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，還具有穩(wěn)定性強(qiáng)和靈敏度高的特點(diǎn)，但體積龐大，部分儀器設(shè)備重量大體在70kg，且價(jià)格非常昂貴，儀器僅適用于運(yùn)用在特定行業(yè)及研究院。

本文設(shè)計(jì)基于單片機(jī)與超聲波技術(shù)的水體泥沙含量云平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的反饋，能夠在移動(dòng)端和PC 端清晰、實(shí)時(shí)、直觀且便捷地掌握水體中泥沙的含量。系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的通訊開發(fā)功能，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理匯總，對(duì)河流泥沙淤積的處理起到一定的積極效益，與傳統(tǒng)的抽樣檢測(cè)、觀察計(jì)算測(cè)量法相比，既省略繁瑣的檢測(cè)工序，更有助于掌握和控制水體中泥沙的含量，有利于社會(huì)上各個(gè)行業(yè)的推廣使用。

2 系統(tǒng)原理

利用超聲波具有穿透力強(qiáng)、頻帶寬、方向性和放射能力強(qiáng)的特點(diǎn)，超聲波測(cè)量廣泛使用在檢測(cè)行業(yè)中。超聲波反射法是利用了聲波遇到擋板反射到接收端的原理，在從發(fā)送到接收的途中，因水體中泥沙對(duì)超聲波有吸收和衰減的現(xiàn)象，所以在接收端可通過對(duì)比發(fā)送信號(hào)和接送信號(hào)進(jìn)行測(cè)量、分析水體中泥沙含量[6]。本系統(tǒng)中采用超聲波衰減法對(duì)泥沙含量進(jìn)行分析和處理。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，超聲波的能量逐漸減弱的現(xiàn)象稱為超聲波的衰減[7]。主要分為三類衰減：擴(kuò)散衰減、散射衰減和吸收衰減[8]。

在水體中，聲波與懸浮顆粒之間存在相互作用，使得聲波會(huì)出現(xiàn)散射衰減，而水中的泥沙等顆粒會(huì)吸收聲波導(dǎo)致吸收衰減的出現(xiàn)，因此通過對(duì)超聲波衰減量的測(cè)量，根據(jù)一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)比得出水體中泥沙含量。而在本系統(tǒng)中即利用超聲波衰減法的原理對(duì)單片機(jī)從超聲波傳感器模塊收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理之后，利用Wi-Fi 無線通信模塊的聯(lián)網(wǎng)及實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的功能，使得在PC 端、移動(dòng)端等多終端實(shí)現(xiàn)對(duì)水體中泥沙含量的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件主要有單片機(jī)控制器、超聲波傳感器模塊、ESP8266-Wi-Fi 模塊等組成。單片機(jī)控制器采用的是STM32F103 RCT6，本系統(tǒng)以STM32F103RCT6 為核心，搭建超聲波收發(fā)電路和無線Wi-Fi 模塊，將從超聲波傳感器模塊采集到電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)電平導(dǎo)入到單片機(jī)中，單片機(jī)根據(jù)預(yù)定的算法對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，處理后的數(shù)據(jù)被送至ESP8266-Wi-Fi 模塊，利用該模塊聯(lián)網(wǎng)功能與OneNET 平臺(tái)建立網(wǎng)絡(luò)連接，將單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆neNET 云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)[9]。

3.1 超聲波傳感器模塊

超聲波屬于頻率高于20KHz 的聲波，人耳并不能聽見，它和聲波存在相同的特點(diǎn)，即都是通過物質(zhì)振動(dòng)而產(chǎn)生的，并且只能在介質(zhì)中傳播[10]。本系統(tǒng)中采用的超聲波傳感器模塊包括超聲波的發(fā)射裝置和接受裝置[11]。在超聲波發(fā)射電路中，輸入一定頻率的脈沖信號(hào)，接入由兩個(gè)不同極性但參數(shù)相同的三極管組成的乙類推挽電路中，將輸入信號(hào)放大，利用其輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOSFET 管，使得有足夠大的功率驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，發(fā)出超聲波。

超聲波發(fā)射電路輸出波形如圖2 所示 。通道B 為MOS 管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，輸入信號(hào)為方波信號(hào)，占空比60%。通道A 為超聲波發(fā)射電路的輸出電壓，電壓波形接近方波，幅值在200mV 左右。輸出電壓經(jīng)過放大電路后可放大到200V 左右，用于可驅(qū)動(dòng)壓電換能器，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射。該超聲波發(fā)射電路是由低壓電源驅(qū)動(dòng)供電，可以解決需要高電壓驅(qū)動(dòng)的壓電換能器的驅(qū)動(dòng)問題。

圖2：超聲波發(fā)射電路輸出波形圖

超聲波的接收電路模仿雷達(dá)和聲納、蝙蝠等接收聲波特性進(jìn)行設(shè)計(jì)、由于接收到的超聲波信號(hào)是十分微弱的，因此在電路中需要對(duì)轉(zhuǎn)換而來的電信號(hào)進(jìn)行多級(jí)放大。在接收電路中，采用了耦合、放大、比較、整形，濾波等環(huán)節(jié)，利用OP37 運(yùn)算放大器構(gòu)成兩級(jí)運(yùn)放電路，放大后的電信號(hào)經(jīng)過進(jìn)一步濾波后輸入到LM393 比較器中轉(zhuǎn)換成比較規(guī)則的波形，輸出到A/D 轉(zhuǎn)換芯片中，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)電平，最后經(jīng)串口數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)入單片機(jī)模塊中，由單片機(jī)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理。超聲波接收電路如圖3 所示。

圖3：超聲波接收電路

3.2 ESP8266-Wi-Fi模塊

系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸是利用ESP8266-Wi-Fi 模塊實(shí)現(xiàn)的。該模塊具有穩(wěn)定性高、丟包率低、性價(jià)比高等特點(diǎn)。ESP8266-Wi-Fi模塊可以與單片機(jī)進(jìn)行串口通信連接，操作簡單，同時(shí)利用其聯(lián)網(wǎng)功可以與OneNET 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，常用于無線通信領(lǐng)域。模塊有三種工作模式，在本系統(tǒng)中，使ESP8266-Wi-Fi 模塊工作在STA+AP 模式下，通過指令的調(diào)節(jié)控制將數(shù)據(jù)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，基本能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步通信傳輸，保證系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化編程方式，對(duì)各個(gè)功能進(jìn)行模塊化處理，在主程序中對(duì)各個(gè)功能進(jìn)行初始化操作，同時(shí)通過設(shè)計(jì)循環(huán)函數(shù)，使系統(tǒng)在通電過程中一直處于運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)得電之后，進(jìn)行初始化超聲波傳感器以及ESP8266 模塊，同時(shí)等待ESP8266-Wi-Fi 模塊與OneNET 云平臺(tái)的連接。等待連接成功后，進(jìn)入while 循環(huán)函數(shù)，啟動(dòng)超聲波傳感器測(cè)量，把接受到的結(jié)果進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至中間變量中，通過ESP8266 模塊將該數(shù)據(jù)發(fā)送到OneNET 平臺(tái)。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4 所示。

圖4：系統(tǒng)主程序流程圖

4.2 超聲波模塊程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過主控芯片STM32F103RCT6 進(jìn)行對(duì)超聲波模塊的啟動(dòng)以及運(yùn)行控制。將模塊與主控芯片的管腳相連，啟動(dòng)超聲波模塊時(shí)需要輸入至少10 微秒的高電平，且在此之后將該引腳置低電平，超聲波模塊將會(huì)自動(dòng)發(fā)送8 個(gè)40KHz 的聲波脈沖信號(hào)，此時(shí)通過設(shè)計(jì)whlie 循環(huán)函數(shù)一直保持監(jiān)測(cè)超聲波接收端引腳的狀態(tài)，等待接受到聲波數(shù)據(jù)后，將進(jìn)行運(yùn)算處理以及A/D 轉(zhuǎn)換操作，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束后將該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在預(yù)先設(shè)定的中間變量中，然后再次進(jìn)行超聲波的發(fā)射，循環(huán)進(jìn)行以上的操作。

4.3 ESP8266-Wi-Fi模塊程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)借助ESP8266 模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸功能。對(duì)ESP8266 模塊進(jìn)行初始化操作，配置該模塊的工作方式。首先配置USART 串口以及定時(shí)器工作方式，需要用到USART 串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，同時(shí)用定時(shí)器中斷判斷接收的數(shù)據(jù)是否連續(xù)的兩個(gè)字符，然后進(jìn)行ESP8266 模塊的工作模式的設(shè)定：配置STA+AP模式、重啟模塊、連接自身的路由、建議TCP 連接、開啟透?jìng)髂Ｊ?。在配置完工作模式之后便可以進(jìn)行正常的發(fā)送數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)測(cè)量水體泥沙含量的系統(tǒng)，借助云平臺(tái)反饋數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在不同終端監(jiān)測(cè)水體中泥沙含量，具有一定的實(shí)時(shí)性和便捷性。有利于在泥沙堆積過度前，對(duì)不同有需要的水體區(qū)域進(jìn)行有效的治理，盡可能地預(yù)防泥沙淤積過度所造成的危害。同時(shí)期望助力于各行業(yè)、各領(lǐng)域針對(duì)水體中有關(guān)泥沙含量的檢測(cè)。