藍牙無線通訊技術在供水工程監控系統中的開發

喬永平

（1.山西省水利水電工程建設監理公司，山西 太原 030002；2.太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024）

1 供水工程自動化監控系統的發展

在國外，美國、日本、英國、荷蘭和前蘇聯等國家的絕大多數供水系統都實現了供水監控自動化，系統大都采用集中管理分層分布的方式：在一個水系上設中央管理站，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控，達到水資源綜合利用的目的。國內1972年江都泵站進行了監控自動化試驗，將4個泵站用有線遠動裝置進行集中監控，用無線遠動裝置將其周圍有關的水閘連成一體，對整個樞紐進行遙測、遙控、遙信和遙調，由于元器件質量問題，操作經常失靈。隨著計算機RISC技術、圖形化人機界面技術、網絡技術、操作系統標準化技術的飛速發展，“開放系統”的概念開始被計算機廠商和用戶接受，系統的升級和擴容問題已得到較好的解決，采用通用組態軟件實現供水系統的控制、自動調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習，通信技術的優化升級等將是提高系統運行可靠性、降低系統投資及減少停機次數、提高生產效率的必然發展趨勢。

臨猗縣全縣16個鄉，地下水中符合飲用標準的僅有孫吉鎮，其余各鄉鎮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，經過9.9 km的引水管道和一級加壓泵站送至東張鎮西儀村,經過二次加壓后,通過35.5 km的輸水干管送至縣城西側，該工程能徹底解決包括縣城在內的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的管理水平及利用率，特開發了自動化監測與控制系統，拓撲圖見圖1。本研究將藍牙無線傳輸技術應用于該供水泵房內監測設備與工控計算機之間的短距離無線數據的傳輸，方案設計中開發了藍牙局域網接入點，以實現有線傳輸和無線傳輸的最優融合，為供水工程自動化監測控制系統的合理經濟開發提供了新的實現思路。

2 藍牙技術簡介

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

藍牙技術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測系統中，最下層是數據采集和處理模塊單元，采集各個監測點的數據，進行處理后發送給上位機，并接收上位機發送來的控制命令和控制參數，將藍牙無線通訊技術應用于供水自動化監控系統，可以克服有線方式和傳統無線方式的不足，通過嵌入藍牙模塊設備，實現對供水自動化監控系統參數進行無線數據讀取和實時診斷，比起傳統紅外技術和射頻技術更安全和方便，也避免了傳統設備的接觸式監測，比起GPS網絡，藍牙無線通訊技術更穩定安全，也更節約成本。

3 臨猗防氟供水工程自動化系統藍牙局域網接入點的開發

對于藍牙無線通訊技術在供水自動化監控系統中的應用而言，通過將有線和無線結合的方式，既可以發揮無線傳輸靈活的特點，又具有有線傳輸安全、穩定且不受傳輸距離的影響。因此根據臨猗防氟供水工程自動化監控系統的工程實際，在大量研究方案比較的基礎上，本研究將藍牙無線傳輸技術應用于該供水泵房內監測設備與工控計算機之間的短距離無線數據傳輸，在藍牙規范中對其網絡封裝協議和聯網應用框架已經有很好的定義，本研究在此基礎上開發藍牙局域網接入點，是實現有線傳輸和無線傳輸的最優融合。

3.1 藍牙局域網接入點組網模型

根據臨猗防氟供水工程自動化監控系統的實際情況，設計開發的藍牙局域網接入點組網模型見圖2。現場若干個帶藍牙模塊的監測設備通過藍牙無線數據傳輸方式連接到局域網接入點（根據藍牙組網的特點，一個接入點最多可以同時連接7個現場設備）。局域網接入點完成藍牙網關的功能，通過將藍牙數據包轉化為網絡數據包發送到局域網上。因此，遠程計算機可以實現對現場數據的實時監測[3]。

圖2 藍牙局域網接入點組網模型圖

3.2 局域網接入點實現方案

藍牙局域網接入點的實現需要在硬件上增加網卡適配器，本研究的關鍵技術是軟件上在藍牙芯片中增加藍牙網絡封裝協議。以下就其方案的實現思想做基本介紹。

在局域網接入點中，每一個與之建立連接的藍牙設備都將與該接入點中的一個TCP端口綁定。這樣，在局域網或INTERNET中就可以通過網關的IP地址和端口來標識該藍牙設備。當藍牙設備與網絡中主機交互信息時，接入點負責藍牙通信協議和TCP/IP協議之間的轉換工作，從而使藍牙設備與計算機網絡進行透明的數據交換[4]。

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

圖3 藍牙局域網接入框架協議圖

LAP的通信流程如下：

（1）作為數據終端（Data Terminal，DT）的現場監測裝置藍牙模塊必須首先發現一個局域網接入點（LAN－AP），DT經過查詢，向LAN－AP發送服務發現請求，LAN－AP在其內部的服務中發現數據庫（Service Discovery Database，SDDB）查詢所需要的服務記錄，并將查詢結果送回DT。如果LAN－AP提供DT所需的服務，就開始建立連接，訪問局域網。

（2）DT與LAN－AP首先建立物理鏈路，然后執行鑒權等安全性進程，鑒權通過以后，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數據分組和局域網的接入訪問。

4 藍牙模塊選型

本系統選用南京凱春科技有限公司生產的KC-03藍牙模塊作為現場設備與工控計算機之間的數據無線傳輸設備。其產品主要性能參數如下[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備都可以進行相應的藍牙數據、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，用戶可以自行開發各種應用軟件。同時，該公司針對目前市場情況，開發了多個應用軟件，出廠時預先載入模塊，客戶可以直接應用，不必再購買昂貴的藍牙開發設備，再投入大量的人力資源開發。這些應用幾乎涵蓋了所有的藍牙應用，而且配合該公司的藍牙開發板，所有的這些應用都可以在開發板上運行調試。

KC-03藍牙模塊實物圖見圖4，KC-03藍牙模塊開發板實物圖見圖5。

圖4 KC-03藍牙模塊實物圖

圖5 KC-03藍牙模塊開發板實物圖

5 結論

藍牙是一種低成本、低功耗的無線通信技術，尤其是近兩年來，它的發展尤其迅速，具有藍牙功能的產品越來越多地出現在工作和生活當中。針對現有供水自動化監控領域對無線通信技術的需求，文章結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應用于供水自動化監控系統的方案是可行的，結論如下：

（1）采用藍牙無線模塊實現設備之間的無線局域網操作簡單、成本較低。

（2）對所構建的實際網絡的運行測試結果表明在通信距離、數據發送速率、組網能力等方面完全達到了供水泵房環境下對數據傳輸速率、穩定性、可靠性和組網能力等各方面的要求。

（3）將藍牙無線傳輸技術應用于該供水泵房內監測設備與工控計算機之間的短距離無線數據傳輸，在此基礎上開發藍牙局域網接入點，實現了有線傳輸和無線傳輸的最優融合，為供水工程自動化監測控制系統的合理經濟開發提供了新的實現思路。

（4）對供水工程自動化監控而言，通過有線和無線結合的方式，既可以發揮無線傳輸靈活的特點，又具有有線傳輸安全、穩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：在供水自動化監控領域中,藍牙技術的開發研究還處于起步階段,但以藍牙為代表的無線通信技術在供水自動化監控領域的應用前景非常廣闊。

[1]曹斌.基于移動控制的新型數控系統中的藍牙通信技術及其實現方法[D].合肥：合肥工業大學，2005：4-8.

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

[3]焦凱.基于藍牙技術的無線局域網系統的研究與實現[D].南京：南京理工大學，2005：12-9.

[4]馬建倉，羅亞軍，趙玉亭.藍牙核心技術及應用[M].北京：北京科學出版社，2003：4-10.

[5]唐欣，陳雷，周正.干擾受限環境下藍牙系統的性能及自適應跳頻共存機制電路與系統學報.2003.10.P23-27.