藍牙無線通訊技術(shù)在供水工程監(jiān)控系統(tǒng)中的開發(fā)

喬永平

（1.山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理公司，山西 太原 030002；2.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

1 供水工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展

在國外，美國、日本、英國、荷蘭和前蘇聯(lián)等國家的絕大多數(shù)供水系統(tǒng)都實現(xiàn)了供水監(jiān)控自動化，系統(tǒng)大都采用集中管理分層分布的方式：在一個水系上設(shè)中央管理站，采用電子計算機和遙測、遙控裝置，對泵站、水工建筑物及渠道等進行集中監(jiān)控，達到水資源綜合利用的目的。國內(nèi)1972年江都泵站進行了監(jiān)控自動化試驗，將4個泵站用有線遠動裝置進行集中監(jiān)控，用無線遠動裝置將其周圍有關(guān)的水閘連成一體，對整個樞紐進行遙測、遙控、遙信和遙調(diào)，由于元器件質(zhì)量問題，操作經(jīng)常失靈。隨著計算機RISC技術(shù)、圖形化人機界面技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、操作系統(tǒng)標準化技術(shù)的飛速發(fā)展，“開放系統(tǒng)”的概念開始被計算機廠商和用戶接受，系統(tǒng)的升級和擴容問題已得到較好的解決，采用通用組態(tài)軟件實現(xiàn)供水系統(tǒng)的控制、自動調(diào)用已存儲的故障模式，判斷故障類型給出處理措施，及時排除故障，并對該故障記憶進行自學(xué)習(xí)，通信技術(shù)的優(yōu)化升級等將是提高系統(tǒng)運行可靠性、降低系統(tǒng)投資及減少停機次數(shù)、提高生產(chǎn)效率的必然發(fā)展趨勢。

臨猗縣全縣16個鄉(xiāng)，地下水中符合飲用標準的僅有孫吉鎮(zhèn)，其余各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的地下水含氟超標均比較嚴重。興建的“臨猗縣防氟供水工程”，即從角杯鄉(xiāng)吳王黃河灘打井取水，由4眼含氟0.6~0.8 mg/L的機井提供水源，經(jīng)過9.9 km的引水管道和一級加壓泵站送至東張鎮(zhèn)西儀村,經(jīng)過二次加壓后,通過35.5 km的輸水干管送至縣城西側(cè)，該工程能徹底解決包括縣城在內(nèi)的15萬人飲用高氟水問題。

圖1 工程自動化控制示意圖

為了提高此供水系統(tǒng)的管理水平及利用率，特開發(fā)了自動化監(jiān)測與控制系統(tǒng)，拓撲圖見圖1。本研究將藍牙無線傳輸技術(shù)應(yīng)用于該供水泵房內(nèi)監(jiān)測設(shè)備與工控計算機之間的短距離無線數(shù)據(jù)的傳輸，方案設(shè)計中開發(fā)了藍牙局域網(wǎng)接入點，以實現(xiàn)有線傳輸和無線傳輸?shù)淖顑?yōu)融合，為供水工程自動化監(jiān)測控制系統(tǒng)的合理經(jīng)濟開發(fā)提供了新的實現(xiàn)思路。

2 藍牙技術(shù)簡介

藍牙技術(shù)是一種在不同設(shè)備間實現(xiàn)無線連接的技術(shù)，它可實現(xiàn)多種設(shè)備之間的短距離無線連接[1]。藍牙技術(shù)最初在1998年5月由愛立信、IBM、英特爾、諾基亞、東芝等5家公司聯(lián)合開發(fā)，其目的是實現(xiàn)最高數(shù)據(jù)傳輸為1Mb/s（有效數(shù)據(jù)傳輸速率為723kbp/s（不對稱）和432 kbp/s（對稱）的數(shù)據(jù)傳輸，可以實現(xiàn)普通數(shù)據(jù)和語音數(shù)據(jù)的傳輸。）最大傳輸距離為10 m的無線通信協(xié)議，如果增加功率或是加上某些外設(shè)便可達到100 m的傳輸距離[2]。藍牙技術(shù)的標準是IEEE802115，采用國際公用的214GHzISM頻段并使用高速跳頻、時分多址、權(quán)向糾錯編碼、ARQ、TDD和基帶協(xié)議等先進技術(shù)，可以在近距離內(nèi)最廉價地將幾臺數(shù)字化設(shè)備呈網(wǎng)狀鏈接起來。

藍牙技術(shù)目前大都是以滿足美國FCC的要求為標準。在一個供水自動化監(jiān)測系統(tǒng)中，最下層是數(shù)據(jù)采集和處理模塊單元，采集各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，進行處理后發(fā)送給上位機，并接收上位機發(fā)送來的控制命令和控制參數(shù)，將藍牙無線通訊技術(shù)應(yīng)用于供水自動化監(jiān)控系統(tǒng)，可以克服有線方式和傳統(tǒng)無線方式的不足，通過嵌入藍牙模塊設(shè)備，實現(xiàn)對供水自動化監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)進行無線數(shù)據(jù)讀取和實時診斷，比起傳統(tǒng)紅外技術(shù)和射頻技術(shù)更安全和方便，也避免了傳統(tǒng)設(shè)備的接觸式監(jiān)測，比起GPS網(wǎng)絡(luò)，藍牙無線通訊技術(shù)更穩(wěn)定安全，也更節(jié)約成本。

3 臨猗防氟供水工程自動化系統(tǒng)藍牙局域網(wǎng)接入點的開發(fā)

對于藍牙無線通訊技術(shù)在供水自動化監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用而言，通過將有線和無線結(jié)合的方式，既可以發(fā)揮無線傳輸靈活的特點，又具有有線傳輸安全、穩(wěn)定且不受傳輸距離的影響。因此根據(jù)臨猗防氟供水工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)的工程實際，在大量研究方案比較的基礎(chǔ)上，本研究將藍牙無線傳輸技術(shù)應(yīng)用于該供水泵房內(nèi)監(jiān)測設(shè)備與工控計算機之間的短距離無線數(shù)據(jù)傳輸，在藍牙規(guī)范中對其網(wǎng)絡(luò)封裝協(xié)議和聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用框架已經(jīng)有很好的定義，本研究在此基礎(chǔ)上開發(fā)藍牙局域網(wǎng)接入點，是實現(xiàn)有線傳輸和無線傳輸?shù)淖顑?yōu)融合。

3.1 藍牙局域網(wǎng)接入點組網(wǎng)模型

根據(jù)臨猗防氟供水工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)的實際情況，設(shè)計開發(fā)的藍牙局域網(wǎng)接入點組網(wǎng)模型見圖2。現(xiàn)場若干個帶藍牙模塊的監(jiān)測設(shè)備通過藍牙無線數(shù)據(jù)傳輸方式連接到局域網(wǎng)接入點（根據(jù)藍牙組網(wǎng)的特點，一個接入點最多可以同時連接7個現(xiàn)場設(shè)備）。局域網(wǎng)接入點完成藍牙網(wǎng)關(guān)的功能，通過將藍牙數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包發(fā)送到局域網(wǎng)上。因此，遠程計算機可以實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測[3]。

圖2 藍牙局域網(wǎng)接入點組網(wǎng)模型圖

3.2 局域網(wǎng)接入點實現(xiàn)方案

藍牙局域網(wǎng)接入點的實現(xiàn)需要在硬件上增加網(wǎng)卡適配器，本研究的關(guān)鍵技術(shù)是軟件上在藍牙芯片中增加藍牙網(wǎng)絡(luò)封裝協(xié)議。以下就其方案的實現(xiàn)思想做基本介紹。

在局域網(wǎng)接入點中，每一個與之建立連接的藍牙設(shè)備都將與該接入點中的一個TCP端口綁定。這樣，在局域網(wǎng)或INTERNET中就可以通過網(wǎng)關(guān)的IP地址和端口來標識該藍牙設(shè)備。當(dāng)藍牙設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)中主機交互信息時，接入點負責(zé)藍牙通信協(xié)議和TCP/IP協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換工作，從而使藍牙設(shè)備與計算機網(wǎng)絡(luò)進行透明的數(shù)據(jù)交換[4]。

藍牙局域網(wǎng)訪問應(yīng)用框架（LAP）定義協(xié)議堆棧見圖3。管理實體（Management Entity）負責(zé)完成初始化、配置和連接管理過程。LAP使用基于串口仿真協(xié)議（RFCOMM）的點對點協(xié)議（Peer－Peer Protocol，PPP） 完成與局域網(wǎng)（Local Area Network，LAN）的通信。PPP是一種普遍采用的連網(wǎng)協(xié)議，它提供身份鑒權(quán)、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮等多種機制。LAP中，由傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）承載的IP數(shù)據(jù)分組通過PPP協(xié)議層在藍牙數(shù)據(jù)終端設(shè)備與局域網(wǎng)接入點之間傳輸。

圖3 藍牙局域網(wǎng)接入框架協(xié)議圖

LAP的通信流程如下：

（1）作為數(shù)據(jù)終端（Data Terminal，DT）的現(xiàn)場監(jiān)測裝置藍牙模塊必須首先發(fā)現(xiàn)一個局域網(wǎng)接入點（LAN－AP），DT經(jīng)過查詢，向LAN－AP發(fā)送服務(wù)發(fā)現(xiàn)請求，LAN－AP在其內(nèi)部的服務(wù)中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫（Service Discovery Database，SDDB）查詢所需要的服務(wù)記錄，并將查詢結(jié)果送回DT。如果LAN－AP提供DT所需的服務(wù)，就開始建立連接，訪問局域網(wǎng)。

（2）DT與LAN－AP首先建立物理鏈路，然后執(zhí)行鑒權(quán)等安全性進程，鑒權(quán)通過以后，依次建立L2CAP、RFCOMM和PPP連接。

（3）在建立PPP連接后，就可以開始交換IP數(shù)據(jù)分組和局域網(wǎng)的接入訪問。

4 藍牙模塊選型

本系統(tǒng)選用南京凱春科技有限公司生產(chǎn)的KC-03藍牙模塊作為現(xiàn)場設(shè)備與工控計算機之間的數(shù)據(jù)無線傳輸設(shè)備。其產(chǎn)品主要性能參數(shù)如下[5]：

（1）KC－03藍牙模塊，采用CSR公司BlueCore02_Audio_Flash藍牙芯片。附加Atmel公司T7024藍牙專用前端芯片，擴展成標準的1級藍牙模塊（Class1），通訊距離達到100 m。

（2）藍牙模塊支持USB口、RS232串行口、Audio語音口的無線通訊，不僅模塊之間可以相互通訊，而且模塊與目前市場上所有的藍牙設(shè)備都可以進行相應(yīng)的藍牙數(shù)據(jù)、語音通訊。

（3）KC－03藍牙模塊附有高效板載倒F型射頻天線，引腳采用1.27 mm（50 mil）雙列直插排針，方便用戶使用。

（4）KC－03模塊采用的是Flash版藍牙芯片，用戶可以自行開發(fā)各種應(yīng)用軟件。同時，該公司針對目前市場情況，開發(fā)了多個應(yīng)用軟件，出廠時預(yù)先載入模塊，客戶可以直接應(yīng)用，不必再購買昂貴的藍牙開發(fā)設(shè)備，再投入大量的人力資源開發(fā)。這些應(yīng)用幾乎涵蓋了所有的藍牙應(yīng)用，而且配合該公司的藍牙開發(fā)板，所有的這些應(yīng)用都可以在開發(fā)板上運行調(diào)試。

KC-03藍牙模塊實物圖見圖4，KC-03藍牙模塊開發(fā)板實物圖見圖5。

圖4 KC-03藍牙模塊實物圖

圖5 KC-03藍牙模塊開發(fā)板實物圖

5 結(jié)論

藍牙是一種低成本、低功耗的無線通信技術(shù)，尤其是近兩年來，它的發(fā)展尤其迅速，具有藍牙功能的產(chǎn)品越來越多地出現(xiàn)在工作和生活當(dāng)中。針對現(xiàn)有供水自動化監(jiān)控領(lǐng)域?qū)o線通信技術(shù)的需求，文章結(jié)合臨猗防氟供水工程的工程實際所提出的將藍牙無線通訊技術(shù)應(yīng)用于供水自動化監(jiān)控系統(tǒng)的方案是可行的，結(jié)論如下：

（1）采用藍牙無線模塊實現(xiàn)設(shè)備之間的無線局域網(wǎng)操作簡單、成本較低。

（2）對所構(gòu)建的實際網(wǎng)絡(luò)的運行測試結(jié)果表明在通信距離、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、組網(wǎng)能力等方面完全達到了供水泵房環(huán)境下對數(shù)據(jù)傳輸速率、穩(wěn)定性、可靠性和組網(wǎng)能力等各方面的要求。

（3）將藍牙無線傳輸技術(shù)應(yīng)用于該供水泵房內(nèi)監(jiān)測設(shè)備與工控計算機之間的短距離無線數(shù)據(jù)傳輸，在此基礎(chǔ)上開發(fā)藍牙局域網(wǎng)接入點，實現(xiàn)了有線傳輸和無線傳輸?shù)淖顑?yōu)融合，為供水工程自動化監(jiān)測控制系統(tǒng)的合理經(jīng)濟開發(fā)提供了新的實現(xiàn)思路。

（4）對供水工程自動化監(jiān)控而言，通過有線和無線結(jié)合的方式，既可以發(fā)揮無線傳輸靈活的特點，又具有有線傳輸安全、穩(wěn)定且不受傳輸距離影響等特點，是一種較好的解決方案。

需要說明的是：在供水自動化監(jiān)控領(lǐng)域中,藍牙技術(shù)的開發(fā)研究還處于起步階段,但以藍牙為代表的無線通信技術(shù)在供水自動化監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊。

[1]曹斌.基于移動控制的新型數(shù)控系統(tǒng)中的藍牙通信技術(shù)及其實現(xiàn)方法[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2005：4-8.

[2]嚴紫建.劉元安.藍牙技術(shù)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001：2-8.

[3]焦凱.基于藍牙技術(shù)的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，2005：12-9.

[4]馬建倉，羅亞軍，趙玉亭.藍牙核心技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：北京科學(xué)出版社，2003：4-10.

[5]唐欣，陳雷，周正.干擾受限環(huán)境下藍牙系統(tǒng)的性能及自適應(yīng)跳頻共存機制電路與系統(tǒng)學(xué)報.2003.10.P23-27.