一种检测管道泄漏的封闭球系统技术领域
本发明涉及一种管道测漏装置，特别是涉及了一种检测管道泄漏的封闭球系统。
背景技术
管网泄漏是造成水资源浪费的重大问题之一。水管泄漏在造成宝贵的自来水白白
流失的同时，不但给供水企业带来巨大的经济损失，还加大了水的二次污染的可能性。由于
我国供水基础设施严重不足，供水能力有待提高，现有的供水基础设施陈旧、老化，因政府
资金困难不能及时改造及管理不佳造成管网泄漏的事故频繁发生，并且因为我国漏损控制
工作起步较晚，检测水平和检测方法与国外相比存在一定的差距，国外发达城市的供水管
网漏失率只有8-20％，而我国国内城市平均要达到25-45％。
然而，国内现有的大部分管道测漏装置，只适用于离地面较近或是在地面上的管
道，采用听音等方式可以直接测出泄漏点。对于埋藏较深，信号无法传输的管道，则是采用
探测器配合安装在管道节点的信号发射、接收器来识别和定位泄漏点。
发明内容
为了解决背景技术中存在问题，本发明的目的在于提出了一种检测管道泄漏的封
闭球系统，使用方便、适用面广、成本低廉，用以检测管道泄漏。
本发明的技术方案是：
本发明包括计算机、串口转换器、无线发讯器、封闭球和无线充电组件；计算机经
串口转换器和无线发讯器连接，无线发讯器与封闭球无线连接，封闭球在管道中沿管道内
壁滚动，封闭球置于无线充电组件上进行充电。
所述的封闭球包括上球壳和下球壳以及安装在上、下球壳内的控制电路板、锂电
池和无线充电接收线圈，上球壳与下球壳间通过胶接方式固连，控制电路板和无线发讯器
无线通信连接，控制电路板固定安装在上球壳内，锂电池和无线充电接收线圈被压板固定
在下球壳内，锂电池分别和无线充电接收线圈、控制电路板连接进行供电。
所述的无线充电组件包括充电座和装在充电座上的无线充电发送线圈，无线充电
发送线圈固定在充电座上，无线充电发送线圈与外部的电源适配器相连，无线充电发送线
圈和所述封闭球的无线充电接收线圈电磁连接实现无线充电。
所述的控制电路板包括单片机控制电路、供电电路、电压转换电路、数据存储电
路、陀螺仪连接电路、声音传感器连接电路和无线通信模块连接电路；
1)单片机控制电路：采用单片机atmega128作为主控芯片，PEN脚经电阻R7接地，
PE0脚和PE1脚接陀螺仪连接电路，PD2脚和PD3脚接无线通信模块连接电路，RESET脚分别经
电容C1相连、并联复位开关S1后接地，同时RESET脚串联电阻R6后接VCC，XTAL2脚、XTAL1脚
之间并联晶振后分别通过电容C2、电容C3接地，PF4脚经电阻R1接VCC，PF4脚同时连接J-TAG
接口1脚，PF5脚经电阻R2接VCC，PF5脚同时连接J-TAG接口5脚，PF6脚经电阻R3接VCC，PF6脚
同时连接J-TAG接口3脚，PF7脚经电阻R4接VCC，PF7脚同时连接J-TAG接口9脚，PC7脚经LED
灯D3接地，PC6脚经LED灯D2接地，AVCC脚经电感L1接VCC并同时经C5接地，AREF脚经C4接地，
J-TAG接口的4脚接VCC，J-TAG接口的6脚接单片机的RESET脚；
2)供电电路：采用5V电压输入为电路板供电，供电方式有两种，分别是USB供电和
5V电压供电，电源正极经电源开关POWER-SW、负极接地，电阻R5与LED灯D1的串联电路与电
容C6、电容C7并联，电容C6靠近电源正极端引为VCC，USB接线端的1脚接电源正极，5脚接地；
3)电压转换电路：利用AMS1117芯片将5V电压转为3.3V电压，芯片1脚接地，2脚经
电容C9后接地，3脚接VCC，4脚经电容C8接地；
4)数据存储电路：选用SD卡作为数据存储器，1脚、2脚、5脚和7脚分别经电阻R11、
电阻R10、电阻R9和电阻R8后均接VCC3.3，4脚接VCC3.3，1脚接单片机的TOSC2脚，2脚接单片
机的PB2脚，5脚接单片机的PD1脚，7脚接单片机的PB3脚；
5)陀螺仪模块连接电路：包括与陀螺仪连接的陀螺仪接口模块，陀螺仪接口模块
的1脚-3脚分别连接单片机的PE0脚和PE1脚，陀螺仪接口模块的3脚接地，4脚接VCC；
6)声音传感器连接电路：包括与声音传感器连接的声音传感器接口模块，其1脚接
单片机的PF0脚，3脚接VCC，4脚接地；
7)无线通信模块连接电路：包括无线通信接口模块，其1脚接VCC，2脚接单片机的
PD2脚，3脚接单片机的PD3脚，4脚接地。
所述的串口转换器的型号为PL2303HX模块，无线发讯器的型号为无线串口模块
DL-20。
所述的无线充电接收线圈和无线充电发送线圈的型号为XKT-801，电源适配器的
型号为YG-24W。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
本发明利用该测漏球系统，可以对深地管道、金属管道等与外界无法即时信号交
换的管道进行泄漏点定位；
适用于现成的管道系统，不需要对管道进行传感器安装等额外改动；操作和控制
简便，很容易便可以使用；
选用合适的无线充电装置以及无线通信装置，从而移除了球壳的接线口，在很大
程度上降低了防水密封的难度；
本泄漏检测球对于输送不同流体的管道，只需更换配重，调节识别算法即可，能以
很低的成本获得最大的效益。
本发明所涉及的接口标准，结构简单，检测步骤简易，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为检测球总体硬件结构。
图2为上半球结构示意图。
图3为上半球结构正面剖视图。
图4为上半球结构俯视图。
图5为下半球结构正面剖视图。
图6为下半球结构俯视图。
图7为充电座结构示意图。
图8为充电座正面剖视图。
图9为充电座俯视图。
图10为单片机控制电路图。
图11为供电电路图。
图12为电压转换电路图。
图13为数据存储电路图。
图14为陀螺仪模块连接电路图。
图15为声音传感器连接电路图。
图16为无线通信模块连接电路图。
图中：1、计算机，2、无线充电发送线圈，3、螺母，4、电源适配器，5、螺栓，6、充电座，
7、下球壳，8、上球壳，9、无线发讯器，10、串口转换器，11、控制电路板，12、无线充电接收线
圈，13、压板，14、锂电池，15、单片机控制电路，16、供电电路，17、电压转换电路，18、数据存
储电路，19、陀螺仪连接电路，20、声音传感器连接电路，21、无线通信模块连接电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明包括计算机1、串口转换器10、无线发讯器9、封闭球和无线充电
组件；计算机1经串口转换器10和无线发讯器9连接，无线发讯器9与封闭球无线连接，封闭
球在管道中沿管道内壁滚动，封闭球置于无线充电组件上进行充电。
如图2～图9所示，封闭球包括上球壳8和下球壳7以及安装在上、下球壳8、7内的控
制电路板11、锂电池14和无线充电接收线圈12，上球壳8与下球壳7间通过胶接方式固连，控
制电路板11和无线发讯器9无线通信连接。如图2～图4所示，控制电路板11经螺栓5固定安
装在上球壳8内，如图5-图6所示，锂电池14和无线充电接收线圈12被压板13用螺栓5固定在
下球壳7内，锂电池14分别和无线充电接收线圈12、控制电路板11连接进行供电，无线充电
接收线圈12用于与无线充电组件连接接收充电电能。
如图7～图9所示，无线充电组件包括充电座6和装在充电座6上的无线充电发送线
圈2，无线充电发送线圈2通过螺栓5固定在充电座6上，无线充电发送线圈2与外部的电源适
配器4相连，无线充电发送线圈2和所述封闭球的无线充电接收线圈12电磁连接实现无线充
电。
如图10-图16所示，控制电路板11包括单片机控制电路15、供电电路16、电压转换
电路17、数据存储电路18、陀螺仪连接电路19、声音传感器连接电路20和无线通信模块连接
电路21，单片机控制电路15分别与数据存储电路18、陀螺仪连接电路19、声音传感器连接电
路20和无线通信模块连接电路21连接，锂电池14经供电电路16、电压转换电路17后与单片
机控制电路15连接。
如图10所示，单片机控制电路：采用单片机atmega128作为主控芯片，1脚经电阻R7
接地，2脚接串口接线端UART0的1脚，3脚接UART0的2脚，27脚接串口接线端UART1的1脚，28
脚接串口接线端UART2的2脚，20脚分别经电容C1相连、并联复位开关S1后接地，同时20脚串
联电阻R6后接VCC，23脚、24脚之间并联晶振后分别通过电容C2、电容C3接地，57脚经电阻R1
接VCC，57脚同时连接J-TAG接口1脚，56脚经电阻R2接VCC，56脚同时连接J-TAG接口5脚，55
脚经电阻R3接VCC，55脚同时连接J-TAG接口3脚，54脚经电阻R4接VCC，54脚同时连接J-TAG
接口9脚，42脚经LED灯D3接地，41脚经LED灯D2接地，21、52脚接VCC，64脚经电感L1接VCC，64
脚同时经C5接地，62脚经C4接地，22、53、63接地，J-TAG接口的2、10脚接地，J-TAG接口的4脚
接VCC，J-TAG接口的6脚接单片机20脚；
如图11所示，供电电路：采用5V电压输入为电路板供电，供电方式有两种，分别是
USB供电和5V电压供电，电源正极经电源开关POWER-SW、负极接地，并联电容C6、C7、电阻R5
与LED灯D1的串联电路，电容C6靠近电源正极端引为VCC，USB接线端1脚接电源正极，5脚接
地。
如图12所示，电压转换电路：利用AMS1117芯片将5V电压转为3.3V电压，芯片1脚接
地，2脚经电容C9后接地，3脚接VCC，4脚经C8接地。
如图13所示，数据存储电路：选用SD卡作为数据存储器。SD卡座选用SDPR09-A0-
0285封装，1脚经电阻R11接VCC3.3，2脚经电阻R10接VCC3.3，3脚、6脚接地，4脚接VCC3.3，5
脚经电阻R9接VCC3.3，7脚经电阻R8接VCC3.3，同时，1脚接单片机18脚，2脚接单片机12脚，5
脚接单片机11脚，7脚接单片机13脚。
如图14所示，陀螺仪模块连接电路：陀螺仪接口模块，接口模块1脚连接单片机的2
脚，接口2脚连单片机的3脚，接口3脚接地，接口4脚接VCC。
如图15所示，声音传感器连接电路：声音传感器接口模块，其接口1脚接单片机61
脚，3脚接VCC，4脚接地。
如图16所示，无线通信模块连接电路：无线通信模块，其接口1脚接VCC，2脚接单片
机27脚，3脚接单片机28脚，4脚接地。
具体实施中，陀螺仪模块选用串口6轴加速度计MPU6050模块，声音传感器选用菊
辉声音传感器模块，无线通信模块选用2.4Gzigbee无线串口模块，型号为DL-20。
系统以控制电路板11为核心，包括计算机1、串口转换器10、无线发讯器9、上球壳
8、锂电池14、无线充电接收线圈12、下球壳7、无线充电发送线圈2、充电座6和电源适配器4。
计算机1依次通过串口转换器10、无线发讯器9与控制电路板11进行通信，计算机1发出指
令，控制电路板11执行相应指令，完成信号采集、发送的任务，计算机1接收信号后按照日期
格式存储信息；电源适配器4为无线充电发送线圈2提供24V电压，充电座6为下球壳7中的无
线充电接收线圈12提供良好的充电距离，保证无线充电正常进行。
如图1所示，本发明上下壳体封闭形成防水的球体，探测球在管道中滚过，同时采
集声音强度信号和旋转角度信号，并存储至球体控制电路板的SD存储卡中；球被打捞起后，
计算机控制球体信号收发，并在计算机中进行信号的存储和处理，分析管路泄漏状况。
本发明的各模块配合按以下过程进行：
1)打开计算机操作界面，与控制电路板11建立无线连接。
如图1所示，计算机1与电路板11之间通过全双工无线方式进行通信，无线通信模
块之一经过串口转换器10与计算机1连接，计算机将其识别为串口，通过串口控件实现串口
的打开、发送数据、接收数据和关闭功能。
2)计算机发出“采集”指令，控制电路板11开始采集数据。
正常状态下，控制电路板11处于等待任务状态，接收并识别计算机1发出的指令，
指令系统需要相互统一；计算机发出“采集开始”指令后，控制电路板11执行采集数据的任
务，按照设定的频率同时采集声音信号和球体姿态信号，并将同一时刻的信号打包成长度
为10字节的数据段，存储至SD卡中；控制电路板11不断执行采集任务，使得SD卡中存储按时
间排序的数据序列，直至计算机1发送“采集结束”指令，控制电路板11停止任务，并重新处
于等待任务状态。
3)计算机发出“接收数据”指令，控制电路板11开始发送数据。
计算机1发出“接收数据”指令后，控制电路板11从SD卡中按顺序读取其中的数据
后通过无线通信模块发送给计算机1，计算机接收数据后以txt格式将声音信号和球体姿态
信号整理和储存，并筛除错误信息。控制电路板11发送完毕后自动重新进入等待任务状态，
以便执行新一轮数据采集任务。
4)计算机以时间轴绘声音强度图和球体姿态图，分析数据得到管道泄漏相关信
息。
计算机1将声音信号和球体姿态信号从数据包中分离出来后，绘制出数据在时间
轴上的变化曲线，以声音强度信号通过阈值判断分析获得管道泄漏点，对应得到时间轴坐
标，然后在球体姿态曲线中获得球体相应时刻的姿态，以姿态积分得到球体运动轨迹，从而
分析得到管道泄漏的位置信息。