基于蓝牙技术的小区供水设备远程监控系统

摘  要： 介绍了一种远程控制和监视生活供水设备的方法。通过PLC模拟量模块实现管路、压力和流量的测量；PLC数字量模块实现供水设备状态监视、故障和远程启停信号采集。借助蓝牙通信技术实现远程数据信号的交换，使小区物业可在办公室对供水设备远程监控。应用计算机组态软件对现场采集的数据进行分析、处理，同时在显示屏上显示窗口和棒状图形，以及对历史数据查询和打印。
关键词：蓝牙技术; PLC; 远程控制; 物业
       近年来我国城市发展建设速度加快，小区的规模越来越大，生活供水设备作为物业的重要组成部分也越来越庞大、分散。随着最近计算机网络技术的飞速发展，各种自来水管理系统应运而生。图1所示的系统是未来城市自来水管理的一个发展方向， 但各小区的生活供水设备管理水平还相对落后， 所以加强对现有生活供水设备的信息化建设与改造具有重要意义。
   
   1 系统主要功能和特点
     本文旨在利用计算机信息技术、通信技术和自动控制技术，使得物业公司能在办公室内对小区生活供水设备的主要运行参数、管网信息及设备运行状况进行动态监测、实时调度和控制，从而实现自动化信息管理。图2为小区生活供水设备远程监控系统的原理图。系统具有如下功能和特点：
     (1)可同时监控多个泵房设备的运行情况，可足不出户第一时间巡查水泵设备。
     (2)能显示测量的压力、流量、水泵[1]运行数量、水泵运行频率等数据。
     (3)可远程进行数据设置，远程控制设备启停。
     (4)具有各种动态系统图形显示功能，可分区、分段地显示每台水泵工作状态情况，如运行、停止、故障等。
     (5)具有故障报警、故障显示、故障查询功能。
     (6)具有每台设备运行累积时间记录功能。
     (7)所有的记录具有报表功能，可通过Excel表格的形式进行输出、保存，便于通过Office软件进行数据计算处理。
     (8)预留系统网络接口，以便与自来水厂售后服务中心进行远程通信。
   
   2 监控系统的硬件构成
     监控系统的硬件主要由现场监控设备、蓝牙通信模块和上位机及监视软件三部分组成。
2.1监控设备
     考虑到系统输入、输出的信号较多，且信号类型复杂，所以本文选用功能强大、性能优异的西门子S7-300/400系列PLC[2]作为现场监控设备。它主要由CPU模块、数字量扩展模块和模拟量扩展模块[3]组成。CPU模块是整个PLC的大脑，它要完成信号采集、数据处理、信号输出和数据通信等功能。它附属的MPI通信口可以直接连接到蓝牙串口适配器，以完成与上位机的蓝牙通信。数字量扩展模块用于输入水泵手/自动状态、运行或停止状态、故障状态和远程启停指令，并输出相应的开关量信号去完成水泵的启动、停止和故障声光报警等。模拟量扩展模块用于接收管路压力、流量和水位信号，并把经过测量转换后的数据送给CPU模块，以便作进一步运算和信号远传。
2.2蓝牙通信模块
     本案小区物业公司主要坐落于一楼，供水设备一般在地下一层，两者之间若采用有线通信将需要架设较长的电缆线，而且施工麻烦。如果物业公司中途更换办公地点，又需要重新布线和施工。所以本文采用无线蓝牙通信技术，通过无线进行数据传输，避免了架设电缆线的困难。
     蓝牙(Bluetooth)[4]是一种短程无线电技术。工作在2.4 GHz的ISM频段,该频段在全球范围内属绿色免费频段，使用该频段无需向无线电资源管理部门申请许可证。蓝牙采用了快速跳频（Frequency Hopping）方式来扩展频谱（Spread Spectrum），将2.402 GHz～2.48 GHz频段分成79个频点，相邻频点间隔1 MHz。蓝牙设备在某个频点发送数据之后，再跳到另一个频点发送，而频点的排列顺序则是伪随机的，每秒钟频率改变1 600次，每个频率持续625 μs。这使得蓝牙技术比其他系统如数传电台、无线Modem等都更稳定可靠。
     本文选用西门子S7-300/400系列的PLC蓝牙通信模块FS-BT-MPI[5]，如图3所示，它是由四星电子自主研发生产的工业级蓝牙MPI适配器，实现计算机或触摸屏等装置的RS232口或USB口到西门子S7-300/400系列PLC的MPI口的蓝牙无线数据通信。
   
       该通信套件可完全替代传统的编程通信接口适配器，如PC/MPI、USB/MPI、PC Adapter等。无需改动原有串口的通信协议和各种编程软件、监控软件等，无需设置，即插即用十分方便，不失为近距离串口无线通信的最佳选择，特别适合使用在以下场合： (1)移动或旋转的设备之间的串口通信；(2)河沟对面、公路或铁路对面的设备之间的通信； (3)其他所有不便于敷设电缆的设备之间的通信。由于该蓝牙串口产品全部按工业级设计，除全部采用工业级芯片外,在RS232/RS485/RS422各端口以及电源端口，均设计有浪涌保护或防雷击保护电路。对于电源则采用宽电压输入，不怕电源抖动变化的影响。同时输入的电源经内部DC/DC模块隔离后，给电路板供电，这样输入电源可取自任意设备，而不必担心共地干扰可能引起对设备的损坏。每套由FS-BT-MPI由两只FS-BT-MPI模块组成，一只连接到上位机的RS232口或USB口，另一只连接S7-300/400系列PLC的MPI口（RS485接口），出厂时已配对设置好。只能在配好对的两只FS-BT-MPI之间建立通信，不同对的蓝牙模块不能混用，各对的通信互不影响，就像汽车的遥控钥匙只能打开与它配对的汽车一样。模块面板上有4个发光二极管指示灯，可以通过该指示灯判断出模块的工作状态，如表1所示。
   
       两只模块上分别有三只拨动开关，用于设定蓝牙通信的波特率，如表2所示。考虑到本系统参数的变化不是很快，且需要通信的数据量也不大，所以本文选用的波特率是慢速的19 200 b/s。这样既能满足系统的需要，也能获得足够高的通信稳定性和可靠性。
   
   2.3 上位机及监视软件
     上位机即是一台PC计算机。监控软件将现场设备采集的信号以图形及数据的方式在显示屏上显示出来。常见的监控软件有组态王、WebAccess、WinCC等，本文选用组态王6.53版本作为系统的监控软件。
3 监控系统的软件
     监控系统的软件主要由PLC程序和上位机组态软件两部分组成。
3.1 PLC程序
     该部分程序包括主程序和100 ms定时中断服务程序，如图4所示。主程序完成定时器、蓝牙通信的初始化，然后就等待定时中断的进入。每当100 ms时间到后，就进入了服务子程序。首先查询蓝牙通信有无数据输入，如有，则先接收再存储。接着判断收到的数据中有无远程（紧急情况下，在物业办公室）启停泵请求，若有，则先启动或关停相应的水泵，以达到快速调节管路压力和流量的目的。然后计算压力、流量的值，并判断有无故障点，如有，则生成故障号。最后将压力、流量和水泵状态等数据一起通过蓝牙发送出去。
   
   3.2 上位机组态软件
     通过组态上位机软件，本文能在计算机显示屏上设置一些按键，并定义成相应的泵号，紧急情况下可以按下按键，达到远程控制水泵的目的。借助于蓝牙通信，可以将接收到的水泵状态、管路压力和流量等值，通过显示窗口或棒状图的形式显示出来。再结合预测、统计、数学模型、空间分析等手段，根据经济、技术指标和实际情况，进行优化控制反馈，完成对供水管网调度、设备管理等各个环节的合理配置。
     本远程监控系统除了可以实现用户对数据实时监控的目的，还可以完成其他辅助功能，如报表功能、数据曲线分析功能，都为供水管网系统提供了可靠的数据。该系统经过在宁波港务局大楼的几年运行，证明了系统不但可靠性高，而且大大提高了安全性和工作效率， 保证了供水质量，满足了日益增长的用水量的需求，具有显着的社会效益和经济效益。其固有的先进性、实用性、扩充性、安全性、可靠性，使其必将在供水行业越来越广泛地推广应用，为供水行业的发展做出更大的贡献。
参考文献
[1] 许振茂. 森兰变频调速器在风机水泵中的节能应用[J].自动化博览, 2003，20(5):56-57.
[2] 凌志浩,吴勤勤.智能仪表原理与设计技术[M].上海:华东理工大学出版社,2003：112-114.
[3] 许永和.USB外围设备设计与应用[M].北京：中国电力出版社，2002:92-93.
[4] 何荣森，王宏宝.蓝牙技术及其硬件设计[J].电子技术, 2001(4):13-16.
[5] CANT C.  WDM设备驱动程序开发指南[M].北京：机械工业出版社，2001:79-82.