基于电力线通信的分布式校园供水系统

李慧慧 赵恒

摘 要：针对目前学校内部用水浪费比较严重的情况，提出了一种分布式校园供水系统的设计方法，该系统利用校园内部电力线构建局域网，对学校内部的水资源进行合理控制。文中介绍了此分布式系统的系统框架、硬件构成、上位机和下位机的软件流程，并运用试验样机进行了试验比较分析，实验结果表明，该供水系统能够显著提高校园节水率，最高可达38%，具有良好的应用价值。

关键词：节水；分布式系统；电力线通信；局域网

中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）07-00-02

0 引 言

社会发展对水资源的需求日益迫切，我们将面临水资源短缺的严峻形势，如何保护好、利用好淡水资源，使其既能满足我们这一代人的需求，又不危及后代人的发展成为我们全社会共同面临的问题，而节约用水是解决这一问题最直接最有效的途径之一。由于学校人员众多，水资源浪费现象比较严重，从而成为节水效果最为明显的场合。

针对目前学校内水资源浪费比较严重的现状，提出了一种分布式校园供水系统设计方案，能对校园内部的水资源进行合理控制。在分析工作环境的基础上，介绍了此系统的工作原理，设计了控制系统的硬件架构和软件流程，阐述了此分布式节水系统的原理和方法，运用实际制作的模型机对本节水系统进行试验比较分析。结果表明，该节水系统运行稳定，使用该系统后节水率高达38%，有较好的应用推广价值。

1 分布式校园供水系统构架

分布式供水系统由一台主机和通过电力线传输网络连接起来的多个终端模块构成，其整体架构图如图1所示。

从使用类别上可以将学校的供水分为教学区、宿舍区、办公区、园林绿化区和消防紧急供水区五部分，每部分又可根据具体需求建立多个终端模块。每个终端模块又可接多个电磁阀，控制多条水路。控制主机和终端模块之间用电力线通信网络连接，每个模块都有独立地址，受主机的直接控制。

2 终端模块硬件设计

终端模块由微控制器、电力线通信模块、红外人体探测模块、实时时钟、显示模块、应急开关、电源以及多个电磁阀构成。终端模块硬件框图如图2所示。

微控制器由一块PIC16F8系列单片机构成，工作稳定。红外人体探测模块可以选用市面上常见的热释电人体传感器，当有人进入洗漱室后就能给微控制器一个触发信号。实时时钟可以选用DS1302、PCF8485等常用时钟芯片，外带备用电源，在主电源断电的情况下也能保持时钟准确。显示模块采用LCD1602等简单液晶显示模组，用以显示一些简单的设备运行信息，包括设备的工作模式、时钟、电磁阀工作状态等信息。电磁阀要根据具体使用环境选择尺寸功率等参数。应急开关可以在紧急情况下使得电磁阀强制打开，以保证在火灾及其他特殊情况下持续供水。

电力线通信（Power Line Communication，PLC）技术是指利用电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式，该技术把载有信息的高频信号加载于工频电流，然后用电线传输至接收信息的适配器，再将高频信号从工频电流中分离出来并传送到计算机以实现信息传递。系统中直接采用市面上常见的KQ系列载波模块，其电力线通信模块连接方式如图3所示，是专门为在220 V交流上可靠传送数据而特别设计和开发的性价比很高的载波模块。此载波模块包括载波驱动、耦合、滤波、防雷击等很多复杂的外围电路，只需提供单一的5 V电源，两根信号线（TX，RX）连接单片机后，通过模块的两个AC端直接连接220 V（不分火线，零线），实现通过电力载波类似232通讯的全透明方式来收发数据。

由于一个学校一般都只有一台主变压器，电力线将整个学校连接成一个局域网，主机与终端模块之间可以通过此电力线通信网络连接，完全省去了信号线，最大限度地简化安装和维护成本。而且模块可以工作于定时状态或者红外感应状态，当工作于定时状态时可以根据课程表设定电磁阀的开关时间，使得教学区在上课期间供水而宿舍区在午休或下课期间供水；当工作于红外感应状态时可以根据使用区域内是否有人来控制电磁阀的开关，以保证无人使用时自动切断供水，从而最大限度的节约用水。每个终端模块都有独立地址，主机端可以设定模块的工作模式。

由于本系统属于分布式系统，终端分布于整个校园之内，抗干扰就成了硬件设计中必须考虑的因素。硬件中的干扰主要来源于供电系统、继电器反向脉冲和空间辐射干扰三种，其中来自于电源的干扰最甚，其次是来自继电器，而空间干扰并不太突出，用适当的屏蔽及接地即可解决。在本系统中主要采用软硬件结合的方式对干扰进行防范。硬件方面主要通过多级隔离来防范继电器干扰，具体电路如图4所示。图中驱动继电器K1需要经过三极管Q1、光耦U1、三极管Q2三步驱动，使得继电器开断瞬间产生的反向脉冲不可能回馈到单片机控制引脚，进而提高了硬件的抗干扰性能。电路中二极管D起到了反向保护作用，当继电器断开时，其产生的反向脉冲大部分通过D旁路掉了，再一次对单片机进行了保护。

软件抗干扰措施主要采用重复采集、冗余校验和多次通信的方式。终端连接后每次发送数据包都要经过冗余校验，若发现错误则返回错误数据包，要求重复发送，以避免错误。

3 上位机软件设计

本分布式供水系统的上位机软件采用Visual Studio 2005开发，能支持八台终端同时工作，可以独立设定每台终端的控制形式，支持定时控制、红外感应控制、强制关闭和强制开启四种模式。分布式校园供水系统上位机软件效果图如图5所示。

当采用定时控制时可以设定四组时间，设定供水起始时间和结束时间。当采用红外感应控制时智能终端实时采样红外传感器输出，当监测到有人员进入指定区域后自动开启供水电磁阀。强制关闭和强制开启主要用于园林灌溉和绿化用水的控制，仅当使用时才开启供水，当学校进入假期时也可以选择强制关闭以防止因为管道泄漏等引起水资源流失。

4 智能终端嵌入式软件流程图

控制终端软件系统由主程序和中断程序两部分构成，分别为前台和后台程序，下位机软件流程图如图6所示。前台程序不断检测操控形式，若为红外检测方式，则不断采集红外传感器数据，若有人则开启电磁阀并延时一段时间再关闭。若为定时方式，则从列表中查找开关区间，读取此时是否在开启期间。若为强制开启和强制关闭状态则直接控制电磁阀动作。

后台程序由中断构成，中断产生后微处理器接收由上位机发来的地址，并判断操作对象是否是本终端。若操作对象为本终端，则修改操控形式并修改定时方式的时间表。

5 测试结果

本分布式校园供水系统选取了郑州市荥阳第二高级中学作为样本进行了为期一个月的小范围实际测试。此高中共有学生3 000多人，80%学生为住校生，安装本系统之前平均每月用水量为5 000吨左右，安装样机后一个月耗水量仅为3 100吨，节水率高达38%，为学校每月节约水费近4 000元。

6 结 语

综上所述，本文提出的分布式校园供水系统能对学校内部的水资源进行合理分配，显著提高了节水率，获得了比较满意的效果。随着中央构建集约型社会的提出，此分布式供水系统有着十分广阔的应用前景。

参考文献

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