基于電力線通信的分布式校園供水系統(tǒng)

李慧慧 趙恒

摘 要：針對目前學(xué)校內(nèi)部用水浪費比較嚴重的情況，提出了一種分布式校園供水系統(tǒng)的設(shè)計方法，該系統(tǒng)利用校園內(nèi)部電力線構(gòu)建局域網(wǎng)，對學(xué)校內(nèi)部的水資源進行合理控制。文中介紹了此分布式系統(tǒng)的系統(tǒng)框架、硬件構(gòu)成、上位機和下位機的軟件流程，并運用試驗樣機進行了試驗比較分析，實驗結(jié)果表明，該供水系統(tǒng)能夠顯著提高校園節(jié)水率，最高可達38%，具有良好的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：節(jié)水；分布式系統(tǒng)；電力線通信；局域網(wǎng)

中圖分類號：TN915 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）07-00-02

0 引 言

社會發(fā)展對水資源的需求日益迫切，我們將面臨水資源短缺的嚴峻形勢，如何保護好、利用好淡水資源，使其既能滿足我們這一代人的需求，又不危及后代人的發(fā)展成為我們?nèi)鐣餐媾R的問題，而節(jié)約用水是解決這一問題最直接最有效的途徑之一。由于學(xué)校人員眾多，水資源浪費現(xiàn)象比較嚴重，從而成為節(jié)水效果最為明顯的場合。

針對目前學(xué)校內(nèi)水資源浪費比較嚴重的現(xiàn)狀，提出了一種分布式校園供水系統(tǒng)設(shè)計方案，能對校園內(nèi)部的水資源進行合理控制。在分析工作環(huán)境的基礎(chǔ)上，介紹了此系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計了控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和軟件流程，闡述了此分布式節(jié)水系統(tǒng)的原理和方法，運用實際制作的模型機對本節(jié)水系統(tǒng)進行試驗比較分析。結(jié)果表明，該節(jié)水系統(tǒng)運行穩(wěn)定，使用該系統(tǒng)后節(jié)水率高達38%，有較好的應(yīng)用推廣價值。

1 分布式校園供水系統(tǒng)構(gòu)架

分布式供水系統(tǒng)由一臺主機和通過電力線傳輸網(wǎng)絡(luò)連接起來的多個終端模塊構(gòu)成，其整體架構(gòu)圖如圖1所示。

從使用類別上可以將學(xué)校的供水分為教學(xué)區(qū)、宿舍區(qū)、辦公區(qū)、園林綠化區(qū)和消防緊急供水區(qū)五部分，每部分又可根據(jù)具體需求建立多個終端模塊。每個終端模塊又可接多個電磁閥，控制多條水路?？刂浦鳈C和終端模塊之間用電力線通信網(wǎng)絡(luò)連接，每個模塊都有獨立地址，受主機的直接控制。

2 終端模塊硬件設(shè)計

終端模塊由微控制器、電力線通信模塊、紅外人體探測模塊、實時時鐘、顯示模塊、應(yīng)急開關(guān)、電源以及多個電磁閥構(gòu)成。終端模塊硬件框圖如圖2所示。

微控制器由一塊PIC16F8系列單片機構(gòu)成，工作穩(wěn)定。紅外人體探測模塊可以選用市面上常見的熱釋電人體傳感器，當(dāng)有人進入洗漱室后就能給微控制器一個觸發(fā)信號。實時時鐘可以選用DS1302、PCF8485等常用時鐘芯片，外帶備用電源，在主電源斷電的情況下也能保持時鐘準(zhǔn)確。顯示模塊采用LCD1602等簡單液晶顯示模組，用以顯示一些簡單的設(shè)備運行信息，包括設(shè)備的工作模式、時鐘、電磁閥工作狀態(tài)等信息。電磁閥要根據(jù)具體使用環(huán)境選擇尺寸功率等參數(shù)。應(yīng)急開關(guān)可以在緊急情況下使得電磁閥強制打開，以保證在火災(zāi)及其他特殊情況下持續(xù)供水。

電力線通信（Power Line Communication，PLC）技術(shù)是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和媒體信號的一種通信方式，該技術(shù)把載有信息的高頻信號加載于工頻電流，然后用電線傳輸至接收信息的適配器，再將高頻信號從工頻電流中分離出來并傳送到計算機以實現(xiàn)信息傳遞。系統(tǒng)中直接采用市面上常見的KQ系列載波模塊，其電力線通信模塊連接方式如圖3所示，是專門為在220 V交流上可靠傳送數(shù)據(jù)而特別設(shè)計和開發(fā)的性價比很高的載波模塊。此載波模塊包括載波驅(qū)動、耦合、濾波、防雷擊等很多復(fù)雜的外圍電路，只需提供單一的5 V電源，兩根信號線（TX，RX）連接單片機后，通過模塊的兩個AC端直接連接220 V（不分火線，零線），實現(xiàn)通過電力載波類似232通訊的全透明方式來收發(fā)數(shù)據(jù)。

由于一個學(xué)校一般都只有一臺主變壓器，電力線將整個學(xué)校連接成一個局域網(wǎng)，主機與終端模塊之間可以通過此電力線通信網(wǎng)絡(luò)連接，完全省去了信號線，最大限度地簡化安裝和維護成本。而且模塊可以工作于定時狀態(tài)或者紅外感應(yīng)狀態(tài)，當(dāng)工作于定時狀態(tài)時可以根據(jù)課程表設(shè)定電磁閥的開關(guān)時間，使得教學(xué)區(qū)在上課期間供水而宿舍區(qū)在午休或下課期間供水；當(dāng)工作于紅外感應(yīng)狀態(tài)時可以根據(jù)使用區(qū)域內(nèi)是否有人來控制電磁閥的開關(guān)，以保證無人使用時自動切斷供水，從而最大限度的節(jié)約用水。每個終端模塊都有獨立地址，主機端可以設(shè)定模塊的工作模式。

由于本系統(tǒng)屬于分布式系統(tǒng)，終端分布于整個校園之內(nèi)，抗干擾就成了硬件設(shè)計中必須考慮的因素。硬件中的干擾主要來源于供電系統(tǒng)、繼電器反向脈沖和空間輻射干擾三種，其中來自于電源的干擾最甚，其次是來自繼電器，而空間干擾并不太突出，用適當(dāng)?shù)钠帘渭敖拥丶纯山鉀Q。在本系統(tǒng)中主要采用軟硬件結(jié)合的方式對干擾進行防范。硬件方面主要通過多級隔離來防范繼電器干擾，具體電路如圖4所示。圖中驅(qū)動繼電器K1需要經(jīng)過三極管Q1、光耦U1、三極管Q2三步驅(qū)動，使得繼電器開斷瞬間產(chǎn)生的反向脈沖不可能回饋到單片機控制引腳，進而提高了硬件的抗干擾性能。電路中二極管D起到了反向保護作用，當(dāng)繼電器斷開時，其產(chǎn)生的反向脈沖大部分通過D旁路掉了，再一次對單片機進行了保護。

軟件抗干擾措施主要采用重復(fù)采集、冗余校驗和多次通信的方式。終端連接后每次發(fā)送數(shù)據(jù)包都要經(jīng)過冗余校驗，若發(fā)現(xiàn)錯誤則返回錯誤數(shù)據(jù)包，要求重復(fù)發(fā)送，以避免錯誤。

3 上位機軟件設(shè)計

本分布式供水系統(tǒng)的上位機軟件采用Visual Studio 2005開發(fā)，能支持八臺終端同時工作，可以獨立設(shè)定每臺終端的控制形式，支持定時控制、紅外感應(yīng)控制、強制關(guān)閉和強制開啟四種模式。分布式校園供水系統(tǒng)上位機軟件效果圖如圖5所示。

當(dāng)采用定時控制時可以設(shè)定四組時間，設(shè)定供水起始時間和結(jié)束時間。當(dāng)采用紅外感應(yīng)控制時智能終端實時采樣紅外傳感器輸出，當(dāng)監(jiān)測到有人員進入指定區(qū)域后自動開啟供水電磁閥。強制關(guān)閉和強制開啟主要用于園林灌溉和綠化用水的控制，僅當(dāng)使用時才開啟供水，當(dāng)學(xué)校進入假期時也可以選擇強制關(guān)閉以防止因為管道泄漏等引起水資源流失。

4 智能終端嵌入式軟件流程圖

控制終端軟件系統(tǒng)由主程序和中斷程序兩部分構(gòu)成，分別為前臺和后臺程序，下位機軟件流程圖如圖6所示。前臺程序不斷檢測操控形式，若為紅外檢測方式，則不斷采集紅外傳感器數(shù)據(jù)，若有人則開啟電磁閥并延時一段時間再關(guān)閉。若為定時方式，則從列表中查找開關(guān)區(qū)間，讀取此時是否在開啟期間。若為強制開啟和強制關(guān)閉狀態(tài)則直接控制電磁閥動作。

后臺程序由中斷構(gòu)成，中斷產(chǎn)生后微處理器接收由上位機發(fā)來的地址，并判斷操作對象是否是本終端。若操作對象為本終端，則修改操控形式并修改定時方式的時間表。

5 測試結(jié)果

本分布式校園供水系統(tǒng)選取了鄭州市滎陽第二高級中學(xué)作為樣本進行了為期一個月的小范圍實際測試。此高中共有學(xué)生3 000多人，80%學(xué)生為住校生，安裝本系統(tǒng)之前平均每月用水量為5 000噸左右，安裝樣機后一個月耗水量僅為3 100噸，節(jié)水率高達38%，為學(xué)校每月節(jié)約水費近4 000元。

6 結(jié) 語

綜上所述，本文提出的分布式校園供水系統(tǒng)能對學(xué)校內(nèi)部的水資源進行合理分配，顯著提高了節(jié)水率，獲得了比較滿意的效果。隨著中央構(gòu)建集約型社會的提出，此分布式供水系統(tǒng)有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

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