污水管道的监测管理系统设计与实现

河北理工大学信息学院 摘要 1绪论1.1研究背景和目的随着城市化进程的不断推进，我国城市污水管网系统的规模与复杂程度日益扩大。污水管道是城市生活污水和工业废水的主要收集和排放通道，对于维护城市环境卫生和水体安全至关重要。但由于管理疏忽、管道老化渗漏、杂物堵塞等原因，一旦发生事故，将会造成严重的环境污染和经济损失。近年来，我国多地曾发生过管道破裂导致污水外溢，严重污染水体和土壤的事件，给城市建设和民众生活带来了严重影响。因此，构建高效的污水管道监测管理系统，实现对管道状态的实时监控和预警，具有十分重要的现实意义和应用价值。及时发现并处置管道隐患，不仅有助于避免安全事故，还可延长管网使用寿命，减少维修和更新成本，从而推动城市环境综合治理工作的顺利开展[1]。1.2污水管道的监测管理系统的国内外研究现状1.2.1污水管道的监测管理系统的国内研究现状近年来，我国多家单位都在污水管网监测领域开展了相关研究，取得了一定的进展。例如北京城市排水集团于2018年开发了基于物联网技术的"智能管网监控系统"，将感知设备安装于重点监管路段，对管道内的污水流量、水位和管壁开裂情况进行实时监测，同时利用视频监控技术对管内环境进行日常巡查，避免发生渗漏和堵塞[2]。重庆大学则于2020年研制了基于RFID（射频识别技术）的管道巡检机器人系统，通过在机器人底盘上安装多种传感器和读写器，可自动完成对管道内部环境参数的采集和数据上传工作，避免人工检修的高强度劳动[3]。上海对外经贸大学提出了一种利用声波监测技术对污水管网进行评估的新方法，将可穿戴声波设备安装于检修人员身上，实时采集管内的声波数据并结合人工智能算法进行异常检测，可以有效发现管道内壁的裂缝、堵塞、渗漏等问题[4]。这些监测系统均采用了无线传感器网络、物联网通信、机器人技术和人工智能等先进技术手段，取得了一定的研究成果。但也存在一些共同的不足之处：一是系统针对性较强，功能单一，无法实现全面监控；二是部署和维护成本较高，难以大规模推广应用；三是对于易燃易爆气体等安全隐患缺乏有效监测手段。1.2.1污水管道的监测管理系统的国外研究现状与国内的发展状况相比，国外在污水管网监测技术领域的研究开始得更早，且其研究更为深入、系统。以下是两个具体国家的污水管网监测技术应用案例。在美国，他们广泛地运用了闭路电视监控系统和声波监测技术来检测管网。这一技术的实施方式是，在污水管道内部装配摄像头和声波发射接收装置，这样就能够精确地检测到管道内壁的瑕疵、渗漏点和堵塞物，并及时发出预警[5]。此外，美国还创新性地将地理信息系统（GIS）技术融入到管网监控中，不仅可以对管道的空间位置进行建模，还能对其属性信息进行可视化展示，从而更直观地了解到管网的实时状况[6]。而德国则主要采用了一种不同的监测方式，他们利用管道内自主移动探测器，再配合先进的人工智能算法，对收集到的监测数据进行深度分析处理。通过这种方式，系统可以自动地检测到污水管网的渗漏、堵塞和结垢等问题，并根据这些问题的严重程度给出一个健康评分，为维修人员提供一个量化的参考依据[7]。美国和德国在污水管网监测技术上各有特色，但都体现了高度自动化和智能化的特点，值得我们学习和借鉴。1.3研究内容针对现有管道监测系统在功能性、集成度、适用性和经济性方面存在的不足，本文设计并实现了一种基于单片机的污水管道监测管理系统。该系统以STM32F103单片机为核心控制单元，集成了甲烷浓度检测模块、温湿度传感器、水位传感器、显示屏、定位定位模块、4G通信模块和声光报警模块等多种功能模块，可实现对管道内部甲烷浓度、温湿度变化、水位波动和位置信息等多个环境参数的实时监测，及时发现并报警管道存在的安全隐患，提升污水管网的运行安全性和应急处理能力。该系统可检测管道内是否存在易燃易爆气体积聚，一旦甲烷浓度超标及时触发本地声光报警和远程网络报警；可监控管道内部温湿度变化，判断是否存在渗漏、污水外溢等风险并及时报警；可检测管道内水位的高低波动，发现积水或排水不畅等问题时及时报警；一旦发现异常情况，定位模块将自动获取当前位置坐标，为后续维修排查提供位置参考；显示屏可实时显示各类监测数据，现场人员可随时了解系统运行状态。系统集成度高、功能全面、部署灵活、维护成本低，有助于提高管网的应急响应速度，具有良好的实用价值和推广前景。本系统在提高安全监测能力的同时，还注重系统集成性和应用可行性，有望为城市污水管网的规范化维护和智能化管理提供全新的技术支撑。1.4本章小结本章首先阐述了研究的背景和目的,强调了构建污水管道监测管理系统的重要意义。随后回顾了国内外在该领域的研究现状,分析了现有系统的不足之处。最后明确了本文的研究内容,即设计并实现一种基于单片机的污水管道监测系统,可实时监测管道内多种环境参数并及时报警,具有集成度高、功能全面、部署灵活等优势。2功能与设计方案毕业设计PAGEII2功能与设计方案2.1系统的功能要求（1）甲烷浓度监测和报警功能：该系统需要安装甲烷气体检测传感器，实时监测管道内部是否存在可燃性气体如甲烷等的积聚。一旦检测到甲烷浓度超过预设的安全阈值，系统须立即触发声光报警以及远程网络报警，提醒现场工作人员和监控中心相关人员注意，防止发生安全事故。及时、准确的气体浓度监测对于避免发生严重的爆炸事故至关重要。（2）温湿度监测和报警功能：系统需要集成温湿度传感器模块，持续监控管道内部的温度和湿度变化情况。如果检测到温度或湿度发生异常波动，如温度骤升或湿度持续上升，则可判断管道存在渗漏或污水外溢的风险，此时系统应当触发相应的报警机制。温湿度是判断管道是否渗漏的重要依据，准确监测可及时发现隐患。（3）水位监测和报警功能：系统需要部署水位液位传感器，实时检测管道内部的水位高低变化情况。如果发现水位异常升高，可能是由于暴雨导致雨水倒灌入管道内所致；如果水位长期持续下降，则可能是由于管道堵塞或破裂导致污水外流所致。一旦检测到水位异常波动，系统应及时报警，提醒工作人员检修，避免发生内涝或污染事故。（4）定位功能：当系统检测到管道异常情况时，需要自动获取当前的地理位置坐标。这一功能的实现需要系统集成定位全球卫星定位模块，可精确获取经纬度等位置信息。位置数据将与异常报警信息一并上传至监控中心，为后续的维修排查和应急处置提供位置参考依据。（5）数据显示功能：系统需要配备显示屏幕，实时显示所有监测数据，如甲烷浓度、温湿度值、水位高度和定位坐标等，便于现场工作人员快速了解管道的运行状态。一旦发生异常情况，显示屏还需自动切换至报警界面，显示异常类型和时间等信息，引起工作人员足够重视。（6）远程通信报警功能：除了现场声光报警，系统还需要通过4G无线通信模块，将异常报警信息及当前位置等关键数据实时上传至监控中心的服务器端，实现远程监控和报警。远程报警可提高监控中心的应急响应速度。（7）现场声光报警功能：除远程报警外，系统还需要配备声光报警模块，在现场即时通过声光信号的方式提醒工作人员注意，防止出现严重后果。现场报警可提高现场人员的响应效率。2.2系统设计方案本系统的设计方案如图2.1所示，为实现上述功能需求，本系统采用了模块化的分层式设计思路。在硬件层面，系统由STM32F103单片机核心控制模块、传感器采集模块（包括甲烷传感器、温湿度传感器、水位传感器等）、显示模块、通信模块（4G模块和定位模块）以及声光报警模块等多个子模块组成。其中，STM32F103作为系统的控制核心，负责对各个外围模块进行初始化配置，并完成数据采集、处理、显示刷新、通信控制和异常报警等全部功能。各模块通过电平电压、I2C、UART、SPI等不同的总线接口与单片机相连。单片机通过I2C接口与温湿度传感器和显示屏进行数据交互；通过UART接口与4G模块和定位模块进行串行通信；通过IO端口与水位传感器、甲烷检测模块等模拟量模块连接。在软件层面，则需要基于Keil集成开发环境，针对STM32F103单片机编写相应的程序代码，实现对各模块的初始化驱动、数据采集和处理、显示刷新、报警触发等功能。软件设计上需要遵循模块化编程原则，保证各功能模块的高内聚低耦合。同时还需要编写基于互联网协议的通信程序，以实现与远程服务器的数据通信。该系统的设计思路是在STM32F103强大的硬件平台上，合理组合多种功能模块，并通过良好的软件编码，实现对污水管道内多种环境参数的实时监测和处理。这种高度集成化和模块化的设计理念，不仅能满足系统实际需求，还有利于未来的功能扩展和维护升级。图2.1系统框图2.3硬件模块选型2.3.1单片机微控制选型方案一：STC89C52是一款成本低廉、控制性能出色的传统51单片机。它集成了8位CPU内核、RAM、ROM和丰富的I/O接口，指令系统成熟稳定，广泛应用于工业控制、仪器仪表等领域。但缺点是资源有限、运算速度较慢、存储空间小且体积较大，无法满足本系统的功能和扩展需求[7]。方案二：STM32F103是意法半导体推出的一款基于32位ARMCortex-M3内核的单片机，最高主频72MHz，具有运算速度快、存储空间大、功耗低、资源丰富、性能强劲等优点。芯片不仅集成了512KB存储空间、64KBSRAM，还提供了多路定时器、DMA控制器、看门狗、RTC、多个串口和I2C/SPI接口等丰富外设，再加上体积小巧、价格适中，非常适合应用于各种智能化系统和嵌入式产品[8]。经过权衡比较，本系统最终选择基于STM32F103单片机芯片的方案。高性能的Cortex-M3内核可保证实时数据处理能力；丰富的存储空间和外设接口可满足多模块集成的需求；低功耗特性有助于提升系统使用寿命；合理的价格也有利于大规模推广应用。2.3.2温湿度检测模块选型方案一：HM1520是一款集成度较高的数字温湿度传感器模块，其内置温湿度传感元件、A/D转换器和串行通信接口电路等，直接输出经过数字处理的温湿度数值，精度高，并且抗干扰能力强。但价格较高，成本控制较差[9]。方案二：DHT11是一款低成本、中等精度的单总线温湿度传感器。它内置了湿度采样和温度采样两个模块和一个数字信号处理模块，采集到的模拟量经过A/D转换和数字处理后，通过单总线串行接口输出温湿度数据，使用方便。虽然精度略低于HM1520，但价格低廉，且可满足系统对温湿度监测的一般精度需求[10]。基于成本控制的考虑，本系统最终选用价格实惠的DHT11温湿度传感器模块。DHT11产品稳定性好、成熟度高、功耗低且通信简单，通过补偿算法可明显提升检测精度。在性价比方面更具优势，适合运用于本项目中。2.2.3显示模块选型方案一：显示屏具有自发光、对比度高、视角广、响应速度快的优点，非常适合显示文字、图形等信息，且面板纤薄、轻便。本系统选用0.96英寸128x64分辨率的显示屏模块，显示效果清晰，价格适中，可满足系统显示要求[11]。方案二：LCD1602是一款常见的字符液晶显示模块，显示内容为2行16列的文本。其结构简单、成本低廉，但存在视角窄、对比度低、响应慢等缺陷，且显示内容有限，无法满足本系统对显示的需求[12]。本系统既需要显示实时监测数据，如甲烷浓度、温湿度、水位等，也需要显示警报类型和时间等文字信息，因此选择显示清晰、视角广的显示屏模块更为合适。2.4本章小结本章详细阐述了系统的功能需求,包括甲烷浓度、温湿度、水位高度监测及报警、定位定位、数据显示、远程通信报警等多项功能。在此基础上,给出了系统的整体设计方案,采用STM32F103单片机为核心控制单元,集成多种传感器和通信模块。最后对核心硬件模块如单片机、传感器等进行了选型分析。3系统的硬件设计毕业设计3系统的硬件设计3.1STM32F103单片机SSTM32F103作为一款基于ARMCortex-M3内核的32位微控制器，其高性能的Cortex-M3内核确保了本设计中实时数据处理能力。内置的512KB闪存和64KBSRAM提供了足够的存储空间，支持本设计中多模块集成所需的大量数据处理和存储。丰富的外设资源，包括多路通用定时器、DMA控制器、看门狗、实时时钟（RTC）以及多个串行通信接口（USART/UART/SPI/I2C），使得STM32F103能够轻松应对本系统中复杂的数据采集、处理、通信和控制任务[13]。在本污水管道监测管理系统中，STM32F103发挥了核心控制作用。它通过不同的总线接口与各种外围功能模块相连，包括I2C接口与温湿度传感器DHT11和OLED显示屏进行数据交互，UART接口与4G模块Air724UG和GPS定位模块NEO-6M进行串行通信，模拟量输入端口与水位传感器和甲烷传感器MQ-4连接以采集模拟量数据，以及通过普通IO口控制声光报警模块。这些连接使得STM32F103能够实时采集管道内的环境参数，如甲烷浓度、温湿度、水位等，并通过软件算法对这些数据进行处理和分析，实现对管道状态的实时监控和预警。此外，STM32F103还负责整个系统的初始化配置、异常情况的判断和报警、通信指令的发送和接收等任务，确保系统能够稳定运行并及时响应各种异常情况。其强大的性能和丰富的资源使得本设计在污水管道监测管理领域具有显著的优势，能够满足实际应用中对系统功能和性能的高要求。图3.1STM32F103单片机电路3.2Air724UG4G模块Air724UG是一款低功耗、多制式的4G通信模块，支持中国移动、联通和电信三大运营商的LTE-FDD/TDD、TD-SCDMA/CDMA2000等无线通信标准。该模块硬件资源丰富，集成了SIM卡接口、天线接口、UART接口和完整的TCP/IP协议栈，可实现语音通话、短信收发、数据传输等多种通信功能[14]。该模块通过UART串口与单片机STM32F103的串行接口连接，通过AT指令与单片机进行数据交互。一旦系统检测到管道异常情况如甲烷浓度超标或水位异常等，单片机将立即向模块发送拨号指令，模块接入4G网络后，通过MQTT或HTTP协议，将报警信息和当前获取的定位坐标数据上传至远程监控服务器，实现远程监控和报警。在本系统中，4G模块的RX引脚连接单片机的RX1引脚，TX引脚连接单片机的TX1引脚，VCC连接5V电源，GND接地即可。在正常工作时，4G模块也可以接收远程服务器发送的控制指令，以实现对系统的远程配置和控制。模块的低功耗特性有助于延长整体系统的工作时间。主要包括以下几个部分：（1）处理器：Air724UG4G模块内置了一颗ARMCortex-A7处理器，具有高性能、低功耗、高集成度等特点，可实现高速的数据处理和运算。（2）存储器：Air724UG4G模块内置了128MB的DDR2RAM和256MB的NANDFlash，可满足系统的数据存储和程序运行的需求。（3）射频：Air724UG4G模块内置了多种射频模块，如LTE、WCDMA、GSM、GNSS等，可支持多种通信制式，如FDD-LTE、TDD-LTE、WCDMA、GSM等，可实现全球的通信覆盖。（4）接口：Air724UG4G模块提供了多种接口，如UART、SPI、I2C、USB、GPIO等，可方便地与外部设备进行数据交互，提高系统的扩展性和兼容性。图3.2Air724UG4G模块电路3.3显示屏模块显示屏具有自发光、高对比度、视角广、响应速度快等优点，非常适合文本和图形信息展示。本系统选用0.96英寸128x64分辨率的显示屏模块，通过I2C接口与STM32F103单片机相连。在本系统中，OLED显示屏的SDA引脚连接至单片机的PB14引脚。SCL引脚连接至单片机的PB15引脚，VCC连接5V电源，GND接地即可。在正常监测工作时，显示屏将实时显示当前检测到的甲烷浓度数值、温湿度数据、水位液位以及经纬度坐标等关键信息，便于现场工作人员了解管道的运行状态。一旦系统检测到异常情况如气体浓度过高、温湿度异常或水位波动等，显示屏将自动切换至报警模式，清晰显示异常事件的类型、发生时间等，吸引工作人员注意并及时处置[15]。图3.3显示屏模块电路3.4DHT11温湿度检测模块DHT11是一款低成本的数字温湿度传感器，精度中等。它内置了湿度采样和温度采样两个传感单元以及一个数字信号处理模块，将采集到的模拟量信号经过A/D转换和数字处理后，以串行数据形式通过单总线接口输出。DHT11与STM32F103单片机通过I2C总线连接。单片机通过控制I2C接口的时序完成与DHT11模块的数据读取交互，获取当前环境的温度和湿度数据。如果检测到温度或湿度发生异常波动，如温度骤升或湿度持续上升，系统即判断存在管道渗漏或污水外溢的风险，立即触发报警流程。温湿度是判断管道是否发生渗漏的重要依据。DHT11温湿度传感器是用于检测窨井内的温度和湿度变化，判断是否有水管破裂或者污水溢出的风险的传感器[16]。DHT11温湿度传感器主要包括以下几个部分：（1）温度传感器：温度传感器是一种基于热敏电阻的传感器，它的电阻值随着温度的变化而变化，从而输出不同的电压信号，实现温度的检测。（2）湿度传感器：湿度传感器是一种基于电容式的传感器，它的电容值随着湿度的变化而变化，从而输出不同的电压信号，实现湿度的检测。（3）信号调节电路：信号调节电路是用于对温度传感器和湿度传感器的输出信号进行放大、滤波、转换等处理，使之符合单片机的输入要求，实现信号的调节。（4）单总线接口：单总线接口是用于与外部设备进行数据交互，如STM32F103单片机等，以及提供电源和时钟信号，实现数据的输出。在本系统中，DHT11温湿度传感器的DATA引角连接至单片机的PA7引角，同时需要在这里接一个10k的上拉电阻，连接至3.3伏的电源，VCC连接5V电源，GND接地即可。DHT11温湿度传感器从内部或外部的复位源接收复位信号，进行复位操作，初始化内部寄存器和外围设备。DHT11温湿度传感器从内部或外部的时钟源接收时钟信号，设置系统的时钟频率，为后续的数据采集和输出提供时序。时钟设置后，DHT11温湿度传感器开始对温度和湿度进行采集，通过温度传感器和湿度传感器将温度和湿度转换为电压信号，通过信号调节电路将电压信号转换为数字信号，实现数据的采集。数据采集后，DHT11温湿度传感器通过单总线接口与STM32F103单片机进行数据交互，将温度和湿度的数据以单总线的协议输出，实现数据的输出。程序执行过程中，DHT11温湿度传感器根据系统的工作状态，动态调节时钟频率和功耗，实现节能环保的目的。同时，DHT11温湿度传感器还监测系统的异常情况，如低电压、过热、信号丢失等，及时进行复位操作，保证系统的稳定性和可靠性。图3.4DHT11温湿度检测模块电路3.5NEO-6M定位模块NEO-6M是一款支持定位/GLONASS/BeiDou三种卫星导航系统的高精度定位模块。模块内置大功率射频电路和基带处理芯片，具有快速捕获卫星信号、定位精准、抗干扰能力强等优点。模块通过UART接口与STM32F103单片机相连，使用NMEA0183协议进行通信[17]。在本系统中，定位模块的RX引脚连接单片机的RX1引脚，TX引脚连接单片机的TX1引脚，VCC连接5V电源，GND接地即可。一旦系统监测到管道异常状态，如甲烷浓度过高或水位异常等，单片机即可通过发送相应指令，获取当前的经纬度、海拔高度和UTC时间等位置信息。这些位置坐标将与报警信息一同上传至远程监控中心，为后续的维修排查和应急救援提供位置参考依据。图3.5NEO-6M定位模块电路3.6MQ-4甲烷检测模块MQ-4是一种金属氧化物半导体材料制成的气体传感器，专门用于检测甲烷和其他可燃性气体的浓度水平。该模块内置放大电路，将检测到的气体浓度转化为对应的模拟电压输出，并通过模拟量接口与单片机的ADC通道相连。单片机通过周期性采样传感器输出的电压值，并参考预先设定的校准曲线，即可计算出实际的甲烷浓度数值。一旦检测到浓度超过预设的安全阈值，即判断管道内存在易燃易爆气体积聚的安全隐患，系统将立即触发声光报警和远程网络报警，避免发生严重安全事故[18]。在本系统中，MQ-4甲烷传感器的AQ引脚连接至单片机的PA5引角，VCC连接5V电源，GND接地即可。MQ-4甲烷检测模块上电后，MQ-4甲烷检测模块从内部或外部的复位源接收复位信号，进行复位操作，初始化内部寄存器和外围设备。复位后，MQ-4甲烷检测模块从内部或外部的时钟源接收时钟信号，设置系统的时钟频率，为后续的数据采集和输出提供时序。MQ-4甲烷检测模块开始对气敏元件进行加热，使之达到最佳的工作温度，提高气敏元件的灵敏度和稳定性。气敏元件加热后，MQ-4甲烷检测模块开始对气体进行采集，通过气敏元件将气体浓度转换为电压信号，通过信号调节电路将电压信号转换为数字信号，实现数据的采集。数据采集后，MQ-4甲烷检测模块通过模拟输出接口与STM32F103单片机进行数据交互，将气体浓度的数据以模拟信号的形式输出，实现数据的输出。MQ-4甲烷检测模块根据系统的工作状态，动态调节时钟频率和功耗，实现节能环保的目的。同时，MQ-4甲烷检测模块还监测系统的异常情况，如低电压、过热、信号丢失等，及时进行复位操作，保证系统的稳定性和可靠性。图3.6MQ-4甲烷检测模块电路3.7水位传感器模块水位传感器安装于管道底部，用于检测管道内污水的液位高度。本系统采用的是压力式水位传感器，基于压阻式压力传感原理，将水体的压强转化为对应的电压模拟量输出。该传感器通过模拟量接口与单片机ADC相连。单片机将采集传感器的输出电压值，并通过内置的转换函数，将其转化为精确的水位液位数据。如果检测到水位数值发生异常波动，如突然上升或持续升高，系统即判断存在雨水倒灌入管道或管道排水不畅的情况，随即触发报警机制，提醒工作人员检修，避免发生内涝或污染事故[19]。在本系统中，水位传感器的S引脚连接至单片机的PA4引脚，VCC连接3.3V电源，GND接地即可。水位传感器上电后，水位传感器从内部或外部的复位源接收复位信号，进行复位操作，初始化内部寄存器和外围设备。复位后，水位传感器从内部或外部的时钟源接收时钟信号，设置系统的时钟频率，为后续的数据采集和输出提供时序。时钟设置后，水位传感器开始对水位进行采集，通过压力传感器将水位的高度转换为压力，再将压力转换为电压信号，通过信号调节电路将电压信号转换为数字信号，实现数据的采集。水位传感器通过模拟输出接口与STM32F103单片机进行数据交互，将水位的数据以模拟信号的形式输出，实现数据的输出。水位传感器根据系统的工作状态，动态调节时钟频率和功耗，实现节能环保的目的。同时，水位传感器还监测系统的异常情况，如低电压、过热、信号丢失等，及时进行复位操作，保证系统的稳定性和可靠性。图3.7水位检测模块电路3.8本章小结本章对系统硬件电路部分的设计进行了详细说明。首先介绍了STM32F103单片机的作用和连接方式,其作为系统控制核心。然后依次介绍了甲烷传感器、温湿度传感器、水位传感器、显示屏、定位模块、4G通信模块和声光报警电路等各功能模块的工作原理和电路连接方式。每个模块的作用、结构和连接方式都有细致的描述。毕业设计4系统的软件设计4系统的软件设计4.1软件介绍在软件设计层面，本系统主要基于Keil5集成开发环境，针对STM32F103单片机平台进行编程开发。Keil5提供了功能强大的MDK-ARM工具链，集成了项目管理、代码编辑、调试仿真等一体化工具，大大提高了ARM系列单片机固件的开发效率。在开发流程中，我们首先需要使用Keil的PackageInstaller来在线下载STM32F103芯片的软件包，包括芯片头文件和固件库文件等，以确保后续代码的正确性。然后在Keil的代码编辑器中编写C语言源代码，针对各个模块进行初始化配置、数据采集和处理算法设计，以及异常情况处理等模块功能。之后通过编译、链接和下载等步骤，将编写的源码转化为可在单片机上运行的固件程序。在具体编码时，我们遵循模块化和分层式编程的设计思路，将不同的功能单元设计为独立的模块，并通过统一的接口相互调用，保证各模块的高内聚低耦合，提高代码的可维护性和可扩展性[20]。比如，我们可以分别设计DHT11温湿度传感器的驱动模块、显示屏的驱动模块、Air724UG4G模块的通信模块、MQ-4甲烷传感器的数据采集模块、定位模块的数据接收模块等。同时还需要编写数据分析和处理算法模块，完成对原始采集数据的滤波、计算和异常判断等任务。异常报警模块则负责在检测到异常时触发声光报警和远程报警机制。为实现与远程监控服务器的数据通信，系统还需要在STM32F103上针对互联网协议进行相应编程。比如基于socket通信的TCP/IP协议栈编程、基于MQTT的发布订阅编程等，以实现与服务器的数据交互和指令接收。Keil5集成开发环境提供了完整的ARM单片机软件编程工具链，结合STM32F103强大的硬件资源，再通过合理的软件架构设计和模块化编程手段，可以较为高效地实现污水管道监测管理系统的各项功能需求。图4.1Keil_5软件界面4.2软件程序的设计4.2.1主程序流程在main.c中，先写入其他.c的头文件，接着是定义用到的全局变量和用到的函数，然后就进入到主函数中。在主函数中，先进行初始化，然后按顺序循环while中的四个函数：按键函数、监测函数、显示函数、处理函数。按键函数根据获取的键值，进行切换界面、设置温湿度、水位和燃气阈值；监测函数则每500ms获取一次温湿度、燃气值、水位等，并通过4G模块将获取的数据上传至手机；显示函数则显示按键函数进行的操作和监测函数获取的数据，显示经纬度位置、温湿度、水位、燃气浓度值及其阈值；处理函数中，如果获取的温湿度或燃气或水位大于其阈值时，或井盖被移动，蜂鸣器报警，否则蜂鸣器不报警。主程序的函数流程图如图4.2所示。 图4.2主逻辑流程图4.2.2按键模块流程按键函数流程图如图4.3所示，按键设置函数首先通过按键扫描函数，获取按键按下的相关信息，通过不同的键值，进行相应变量的改变。如果获取的键值为1，切换界面。如果获取的键值为2，界面1，设置温度最大值加；界面2，设置湿度最大值加；界面3，设置水位最大值加；界面4，设置燃气最大值加。如果获取的键值为3，界面1，设置温度最大值减；界面2，设置湿度最大值减；界面3，设置水位最大值减；界面4，设置燃气最大值减。图4.3按键流程图4.2.3显示模块流程如图4.4所示，根据不同界面显示不同的内容；界面0，显示经纬度、温湿度、水位、燃气值；界面1，显示设置温度阈值；界面2，显示设置湿度阈值；界面3，显示设置水位阈值；界面4，显示设置燃气阈值。 图4.4显示子程序流程图4.2.4通信模块流程如图4.5所示，Air724UG4G通信模块会进行初始化，连接到4G网络。成功连接后，它将建立一个稳定的数据传输通道。当有数据需要发送时，模块会将数据打包并通过4G网络发送到指定的服务器；同时，它也会监听来自服务器的数据，一旦接收到数据，会立即进行处理并返回确认信息。此外，模块还具备自动重连功能，确保在网络不稳定或断开时能够自动重新建立连接。整个过程中，模块会不断检查网络状态，并保持与服务器的稳定通信，以确保数据的可靠传输。图4.5通信子程序流程图4.2.5水位检测流程系统上电后，水位传感器从内部或外部的复位源接收复位信号，进行复位操作，初始化内部寄存器和外围设备。复位后，水位传感器从内部或外部的时钟源接收时钟信号，设置系统的时钟频率，为后续的数据采集和输出提供时序。时钟设置后，水位传感器开始对水位进行采集，通过压力传感器将水位的高度转换为压力，再将压力转换为电压信号，通过信号调节电路将电压信号转换为数字信号，实现数据的采集。水位传感器通过模拟输出接口与STM32F103单片机进行数据交互，将水位的数据以模拟信号的形式输出，实现数据的输出。水位传感器根据系统的工作状态，动态调节时钟频率和功耗，实现节能环保的目的。同时，水位传感器还监测系统的异常情况，如低电压、过热、信号丢失等，及时进行复位操作，保证系统的稳定性。图4.6水位检测子程序流程图4.2.6定位程序流程系统上电后，定位模块从内部或外部的复位源接收复位信号，进行复位操作，初始化内部寄存器和外围设备。复位后，定位模块从内部或外部的时钟源接收时钟信号，设置系统的时钟频率，为后续的数据采集和输出提供时序。时钟设置后，定位模块开始搜索可用的卫星信号，建立与卫星的连接。定位模块接收到卫星信号后，通过内置的算法计算当前的位置信息，包括经纬度、海拔高度和UTC时间等。定位模块通过UART接口与STM32F103单片机相连，使用NMEA0183协议进行通信。单片机通过发送相应指令，获取当前的经纬度、海拔高度和UTC时间等位置信息。定位模块根据系统的工作状态，动态调节时钟频率和功耗，实现节能环保的目的。同时，定位模块还监测系统的异常情况，如低电压、过热、信号丢失等，及时进行复位操作，保证系统的稳定性和可靠性。图4.7定位子程序流程图4.3本章小结本章重点介绍了系统软件编程的相关内容。首先简要说明了基于Keil5开发环境进行ARM单片机编程的流程。然后从整体上给出了软件的结构设计思路,遵循模块化分层式编程。接着分别对主程序流程、按键处理模块、显示刷新模块、数据通信模块等进行了重点阐述,并配有程序流程图和部分关键代码。最后强调了模块化编程的优点。5系统的测试毕业设计PAGE23 5系统的测试5.2实物展示实物展示的目的是展示系统的外观和功能，以及模拟系统的工作场景，验证系统的实用性和可行性。通过实物展示，我们展示了系统的外观和功能，以及模拟了系统的工作场景，证明了系统的实用性和可行性。如图5.1所示，此时甲烷浓度是69，我们设定的阈值是50,所以此时声光报警电路启动，发出报警声的同时亮起了指示灯，同时App界面也显示了报警提示，并且显示屏甲烷浓度值的后面亮起了感叹号。图5.1甲烷异常展示如图5.2所示，此时水位值为76，本系统当前设定的报警阈值是50，所以此时蜂鸣器发出了报警提示声，报警同时指示灯亮起，App的界面上显示水位报警的提示，并且显示器上水位数值的后面亮起了感叹号。图5.2水位异常展示如图5.3所示，此时温度值是22.2℃，湿度值是45%，本系统当前设置的温度阈值是20，湿度阈值是30%。所以此时同样声光报警，电路启动发出了报警提示声并亮起了指示灯，同时App展示了报警提示，终端显示屏上温度和湿度的数值后面亮起了感叹号。图5.3温湿度异常展示5.1软件硬件调试5.1.1软件调试软件调试是系统开发过程中一个非常重要的环节,旨在发现和修复软件中存在的缺陷和错误。在本系统中,软件调试过程主要包括以下几个方面:（1）单元测试单元测试是针对单个软件模块进行的测试,验证其功能是否符合设计要求。在本系统中,需要对以下软件模块进行单元测试:·STM32F103单片机的I/O口、串口、I2C、ADC等外设驱动程序·显示屏显示字符、图形和动画的控制程序·DHT11温湿度传感器的数据读取程序·MQ-4甲烷传感器的浓度值读取程序·水位传感器的液位读数程序·Air724UG4G模块的网络接入和数据收发程序·NEO-6M定位模块的卫星搜索和定位程序（2）集成测试在各个软件模块通过单元测试后,需要进行集成测试,验证它们之间的数据传输和功能调用是否正常。例如,测试DHT11模块和显示模块之间的数据传输是否正确,温湿度数据是否能够正确显示;测试水位模块和4G模块之间的数据传输是否正常,液位数据是否能够正确上传到远程服务器等。（3）系统测试系统测试是对整个软件系统进行综合测试,模拟实际工作场景,检查系统性能是否满足设计要求。例如,模拟不同的温湿度数据、液位高度和甲烷浓度,测试相应的显示、报警和远程数据传输功能是否正常;测试系统在长期运行情况下的稳定性和可靠性等。（4）压力测试压力测试是对软件系统进行极限测试,模拟高负载、高并发等极端工作环境,检查系统的性能和稳定性。例如,模拟大量传感器数据同时上传,测试系统的数据处理能力;模拟网络中断或延迟,测试系统的容错能力等。（5）自动化测试为提高测试效率和覆盖率,可以设计自动化测试脚本,自动执行各种测试用例,减少人工测试的工作量。同时,自动化测试还能够确保测试的一致性和可重复性。软件调试过程需要使用各种测试工具和框架,如单元测试框架(如Unity或GoogleTest)、代码覆盖率分析工具(如gcov或lcov)、性能分析工具(如gprof或valgrind)等。同时,还需要制定详细的测试计划和用例,记录测试结果,并对发现的缺陷进行跟踪和修复。5.1.2硬件调试硬件调试是系统开发过程中另一个重要环节,旨在验证硬件设计和制造是否符合要求,并发现和解决硬件故障和缺陷。在本系统中,硬件调试过程主要包括以下几个方面:（1）元器件测试在组装硬件之前,需要对所有元器件进行测试,包括单片机、传感器、显示屏、通信模块等,确保它们的功能正常,符合技术规范。常见的测试方法包括目视检查、电性能测试、功能测试等。（2）电路板测试在元器件测试通过后,需要对印制电路板(PCB)进行测试,包括对电路板走线的完整性、电气连接的可靠性、电源电压的稳定性等进行检查。可以使用电路板测试系统或万用表等工具进行测试。（3）模块测试对于本系统中的各个硬件模块,如传感器模块、显示模块、通信模块等,需要进行独立的模块测试,验证其功能是否符合设计要求。例如,对传感器模块进行测试时,可以模拟不同的环境条件(如温度、湿度、气体浓度等),测试传感器的响应和数据读取是否准确;对显示模块进行测试时,可以输入不同的数据和命令,检查显示是否正确等。（4）环境测试硬件调试还需要在不同的环境条件下进行测试,包括温度、湿度、振动、电磁兼容性等,验证硬件在各种工作环境下的性能和可靠性。例如,可以将整个系统放置在高低温环境舱中进行测试,或者在振动台上进行振动测试等。（5）老化测试为确保硬件的长期可靠性,需要进行老化测试,即在正常工作条件下长期运行硬件,监测其性能的变化情况。常见的老化测试方法包括高温老化、低温老化、温湿循环老化等。（6）故障模拟测试故障模拟测试是在硬件运行过程中,人为引入各种故障情况,如断线、短路、元器件损坏等,测试系统的容错能力和故障诊断机制是否有效。这有助于提高系统的可靠性。硬件调试过程需要使用各种测试设备和工具,如万用表、示波器、逻辑分析仪、电源测试仪、环境试验箱等。同时,还需要制定详细的测试计划和用例,记录测试结果,并对发现的硬件缺陷进行分析和修复。总之,软硬件调试是确保系统质量的关键环节,需要通过全面、严格的测试,才能实现系统的稳定可靠运行,满足设计需求和技术指标。5.3本章小结本章阐述了系统在软硬件调试和实物展示方面的内容。在调试测试阶段,先对每个独立硬件模块和软件模块进行单独测试,保证其功能正常;然后进行整体系统的集成测试,模拟各种工作场景,检查性能是否符合设计要求。在实物展示部分,通过模拟管道内发生异常情况,展示了系统检测、显示和报警等功能,验证了系统设计的可行性。最后对整个系统进行了总结,并指出需要进一步改进的不足之处。结论结论本文设计并实现了一种基于STM32F103单片机的污水管道监测管理系统。该系统集成了多种传感器模块和通信模块，可实时监测管道内部的甲烷浓度、温湿度、水位高度和地理位置等关键环境参数，及时发现并报警管道存在的安全隐患，提升污水管网的运行安全性和应急处理能力。系统的硬件部分由STM32F103单片机核心控制模块、甲烷传感器MQ-4、温湿度传感器DHT11、水位传感器、显示屏、定位定位模块NEO-6M、4G通信模块Air724UG和声光报警模块等组成。各模块通过串行总线、模拟量和数字总线等不同接口方式与单片机相连。软件部分基于Keil5集成开发环境，针对STM32F103平台进行编程开发，采用模块化编程思想，实现了传感器驱动、数据采集和处理、显示刷新、异常判断和报警、远程通信等多项功能。经过调试测试，该系统可稳定运行，测试数据准确，能够满足实际应用需求。系统的设计思路注重集成度、实用性和经济性，有助于降低污水管网运维成本，提高城市环境治理水平，具有良好的应用前景。当然，该系统还存在一些不足，例如对管道内部环境的监测手段相对单一、智能化程度不够高等，在后续的升级优化中将持续完善。但总的来说，通过这一监测管理系统，我们为污水管网的安全运维提供了有力的技术支撑和解决方案。毕业设计参考文献参考文献[1]张东靖.污水管道工程施工重难点及工程管理研究[J].建筑与预算,2023(6):65-67.[2]姜文超,杨希,董晓霞,等.重庆市某城区市政污水管道水力参数监测与分析[J].中国给水排水,2022,38(15):6.[3]彭军,张树俊,高磊.基于分布式光纤传感技术的排水管道监测研究[J].中国给水排水,2023(22):110-115.[4]杨婷婷,李志一,李萌,等.污水管网入流入渗的不同指标的定量化分析[J].水电能源科学,2022(040-006).[5]DezfouliS,ZabihollahA.Structuralhealthmonitoringofburiedpipelinesunderstaticdislocationandvibration[C]//IEEE/ASMEInternationalConferenceonMechatronics&EmbeddedSystems&Applications.IEEE,2020.[6]J,E,McGlashan,etal.TheEffectofSewageSludgeDisposaltoSeathroughPipelinesPreviouslyDischargingonlySettledEffluent[J].WaterScienceandTechnology,2022,18(11):93-104.[7]AttaR,AhmadN.Monitoringbendingandbucklingoflongpipelinesduetoenvironmentaleffects[J].LifeScienceJournal,2019,11(6):486-490.[8]刘俊,邬源忠.基于物联网的下水道监测系统:[P].CN219435242U[2024-04-29].[9]杨彩凤,杨震,刘涛,等.基于物联网的污水管网监控系统[J].江苏工程职业技术学院学报,2020,20(4):4.[10]QINGXiao-xia,卿晓霞,YUSi-jia,等.基于物联网的排水管道安全监测系统研发[C]//中国土木工程学会水工业分会水系统智能化技术研究会2016年年会.;中国土木工程学会;;,2016.[11]鲍春,谢涛,杨飞,等.基于NB-IoT的污水管道气体远程监测装置设计[J].传感器与微系统,2019(8):4.[12]宋雷震.以物联网技术为核心的污水管网预警系统[J].青岛理工大学学报,2022,43(5):143-148.[13]杨彩凤,杨震,刘涛,等.基于物联网的污水管网监控系统[J].南通纺织职业技术学院学报,2020,020(004):15-18.[14]高应江.城镇污水处理物联网控制系统研制[D].哈尔滨工程大学[2024-04-29].[15]何明锐,李双陆.物联网在污水处理厂生产管理中的应用[J].硅谷,2011(24):1.[16]张永命,韩颖,林晓宝.RFID技术在污水压力管道标识管理中的应用[J].办公自动化,2014(S1):3.[17]凌勇.基于物联网的城市排水管线在线监测系统的设计与实现[D].山东大学,2013.[18]凌勇.基于物联网的城市排水管线在线监测系统的设计与实现[D].山东大学[2024-04-29].[19]汪宙峰,徐建伟,龙沁洪,等.基于GIS的污水管网易爆气体时空分布特征研究[J].中国给水排水,2021,37(15):7.[20]周长亮,苗盛,王明丽,等.基于深度学习和物联网技术的智慧污水管控系统[J].安全与环境工程,2021.附录A谢辞谢辞尊