蓝牙无线通讯技术在供水工程监控系统中的开发

2011-04-04乔永平

科学之友 2011年9期

乔永平

（1.山西省水利水电工程建设监理公司，山西太原 030002；2.太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原 030024）

1 供水工程自动化监控系统的发展

在国外，美国、日本、英国、荷兰和前苏联等国家的绝大多数供水系统都实现了供水监控自动化，系统大都采用集中管理分层分布的方式：在一个水系上设中央管理站，采用电子计算机和遥测、遥控装置，对泵站、水工建筑物及渠道等进行集中监控，达到水资源综合利用的目的。国内1972年江都泵站进行了监控自动化试验，将4个泵站用有线远动装置进行集中监控，用无线远动装置将其周围有关的水闸连成一体，对整个枢纽进行遥测、遥控、遥信和遥调，由于元器件质量问题，操作经常失灵。随着计算机RISC技术、图形化人机界面技术、网络技术、操作系统标准化技术的飞速发展，“开放系统”的概念开始被计算机厂商和用户接受，系统的升级和扩容问题已得到较好的解决，采用通用组态软件实现供水系统的控制、自动调用已存储的故障模式，判断故障类型给出处理措施，及时排除故障，并对该故障记忆进行自学习，通信技术的优化升级等将是提高系统运行可靠性、降低系统投资及减少停机次数、提高生产效率的必然发展趋势。

临猗县全县16个乡，地下水中符合饮用标准的仅有孙吉镇，其余各乡镇的地下水含氟超标均比较严重。兴建的“临猗县防氟供水工程”，即从角杯乡吴王黄河滩打井取水，由4眼含氟0.6~0.8 mg/L的机井提供水源，经过9.9 km的引水管道和一级加压泵站送至东张镇西仪村,经过二次加压后,通过35.5 km的输水干管送至县城西侧，该工程能彻底解决包括县城在内的15万人饮用高氟水问题。

图1 工程自动化控制示意图

为了提高此供水系统的管理水平及利用率，特开发了自动化监测与控制系统，拓扑图见图1。本研究将蓝牙无线传输技术应用于该供水泵房内监测设备与工控计算机之间的短距离无线数据的传输，方案设计中开发了蓝牙局域网接入点，以实现有线传输和无线传输的最优融合，为供水工程自动化监测控制系统的合理经济开发提供了新的实现思路。

2 蓝牙技术简介

蓝牙技术是一种在不同设备间实现无线连接的技术，它可实现多种设备之间的短距离无线连接[1]。蓝牙技术最初在1998年5月由爱立信、IBM、英特尔、诺基亚、东芝等5家公司联合开发，其目的是实现最高数据传输为1Mb/s（有效数据传输速率为723kbp/s（不对称）和432 kbp/s（对称）的数据传输，可以实现普通数据和语音数据的传输。）最大传输距离为10 m的无线通信协议，如果增加功率或是加上某些外设便可达到100 m的传输距离[2]。蓝牙技术的标准是IEEE802115，采用国际公用的214GHzISM频段并使用高速跳频、时分多址、权向纠错编码、ARQ、TDD和基带协议等先进技术，可以在近距离内最廉价地将几台数字化设备呈网状链接起来。

蓝牙技术目前大都是以满足美国FCC的要求为标准。在一个供水自动化监测系统中，最下层是数据采集和处理模块单元，采集各个监测点的数据，进行处理后发送给上位机，并接收上位机发送来的控制命令和控制参数，将蓝牙无线通讯技术应用于供水自动化监控系统，可以克服有线方式和传统无线方式的不足，通过嵌入蓝牙模块设备，实现对供水自动化监控系统参数进行无线数据读取和实时诊断，比起传统红外技术和射频技术更安全和方便，也避免了传统设备的接触式监测，比起GPS网络，蓝牙无线通讯技术更稳定安全，也更节约成本。

3 临猗防氟供水工程自动化系统蓝牙局域网接入点的开发

对于蓝牙无线通讯技术在供水自动化监控系统中的应用而言，通过将有线和无线结合的方式，既可以发挥无线传输灵活的特点，又具有有线传输安全、稳定且不受传输距离的影响。因此根据临猗防氟供水工程自动化监控系统的工程实际，在大量研究方案比较的基础上，本研究将蓝牙无线传输技术应用于该供水泵房内监测设备与工控计算机之间的短距离无线数据传输，在蓝牙规范中对其网络封装协议和联网应用框架已经有很好的定义，本研究在此基础上开发蓝牙局域网接入点，是实现有线传输和无线传输的最优融合。

3.1 蓝牙局域网接入点组网模型

根据临猗防氟供水工程自动化监控系统的实际情况，设计开发的蓝牙局域网接入点组网模型见图2。现场若干个带蓝牙模块的监测设备通过蓝牙无线数据传输方式连接到局域网接入点（根据蓝牙组网的特点，一个接入点最多可以同时连接7个现场设备）。局域网接入点完成蓝牙网关的功能，通过将蓝牙数据包转化为网络数据包发送到局域网上。因此，远程计算机可以实现对现场数据的实时监测[3]。

图2 蓝牙局域网接入点组网模型图

3.2 局域网接入点实现方案

蓝牙局域网接入点的实现需要在硬件上增加网卡适配器，本研究的关键技术是软件上在蓝牙芯片中增加蓝牙网络封装协议。以下就其方案的实现思想做基本介绍。

在局域网接入点中，每一个与之建立连接的蓝牙设备都将与该接入点中的一个TCP端口绑定。这样，在局域网或INTERNET中就可以通过网关的IP地址和端口来标识该蓝牙设备。当蓝牙设备与网络中主机交互信息时，接入点负责蓝牙通信协议和TCP/IP协议之间的转换工作，从而使蓝牙设备与计算机网络进行透明的数据交换[4]。

蓝牙局域网访问应用框架（LAP）定义协议堆栈见图3。管理实体（Management Entity）负责完成初始化、配置和连接管理过程。LAP使用基于串口仿真协议（RFCOMM）的点对点协议（Peer－Peer Protocol，PPP）完成与局域网（Local Area Network，LAN）的通信。PPP是一种普遍采用的连网协议，它提供身份鉴权、数据加密、数据压缩等多种机制。LAP中，由传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）承载的IP数据分组通过PPP协议层在蓝牙数据终端设备与局域网接入点之间传输。

图3 蓝牙局域网接入框架协议图

LAP的通信流程如下：

（1）作为数据终端（Data Terminal，DT）的现场监测装置蓝牙模块必须首先发现一个局域网接入点（LAN－AP），DT经过查询，向LAN－AP发送服务发现请求，LAN－AP在其内部的服务中发现数据库（Service Discovery Database，SDDB）查询所需要的服务记录，并将查询结果送回DT。如果LAN－AP提供DT所需的服务，就开始建立连接，访问局域网。

（2）DT与LAN－AP首先建立物理链路，然后执行鉴权等安全性进程，鉴权通过以后，依次建立L2CAP、RFCOMM和PPP连接。

（3）在建立PPP连接后，就可以开始交换IP数据分组和局域网的接入访问。

4 蓝牙模块选型

本系统选用南京凯春科技有限公司生产的KC-03蓝牙模块作为现场设备与工控计算机之间的数据无线传输设备。其产品主要性能参数如下[5]：

（1）KC－03蓝牙模块，采用CSR公司BlueCore02_Audio_Flash蓝牙芯片。附加Atmel公司T7024蓝牙专用前端芯片，扩展成标准的1级蓝牙模块（Class1），通讯距离达到100 m。

（2）蓝牙模块支持USB口、RS232串行口、Audio语音口的无线通讯，不仅模块之间可以相互通讯，而且模块与目前市场上所有的蓝牙设备都可以进行相应的蓝牙数据、语音通讯。

（3）KC－03蓝牙模块附有高效板载倒F型射频天线，引脚采用1.27 mm（50 mil）双列直插排针，方便用户使用。

（4）KC－03模块采用的是Flash版蓝牙芯片，用户可以自行开发各种应用软件。同时，该公司针对目前市场情况，开发了多个应用软件，出厂时预先载入模块，客户可以直接应用，不必再购买昂贵的蓝牙开发设备，再投入大量的人力资源开发。这些应用几乎涵盖了所有的蓝牙应用，而且配合该公司的蓝牙开发板，所有的这些应用都可以在开发板上运行调试。

KC-03蓝牙模块实物图见图4，KC-03蓝牙模块开发板实物图见图5。