基于電力線通信的分布式校園供水系統

李慧慧 趙恒

摘 要：針對目前學校內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的設計方法，該系統利用校園內部電力線構建局域網，對學校內部的水資源進行合理控制。文中介紹了此分布式系統的系統框架、硬件構成、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，實驗結果表明，該供水系統能夠顯著提高校園節水率，最高可達38%，具有良好的應用價值。

關鍵詞：節水；分布式系統；電力線通信；局域網

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

0 引 言

社會發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展成為我們全社會共同面臨的問題，而節約用水是解決這一問題最直接最有效的途徑之一。由于學校人員眾多，水資源浪費現象比較嚴重，從而成為節水效果最為明顯的場合。

針對目前學校內水資源浪費比較嚴重的現狀，提出了一種分布式校園供水系統設計方案，能對校園內部的水資源進行合理控制。在分析工作環境的基礎上，介紹了此系統的工作原理，設計了控制系統的硬件架構和軟件流程，闡述了此分布式節水系統的原理和方法，運用實際制作的模型機對本節水系統進行試驗比較分析。結果表明，該節水系統運行穩定，使用該系統后節水率高達38%，有較好的應用推廣價值。

1 分布式校園供水系統構架

分布式供水系統由一臺主機和通過電力線傳輸網絡連接起來的多個終端模塊構成，其整體架構圖如圖1所示。

從使用類別上可以將學校的供水分為教學區、宿舍區、辦公區、園林綠化區和消防緊急供水區五部分，每部分又可根據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。控制主機和終端模塊之間用電力線通信網絡連接，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、應急開關、電源以及多個電磁閥構成。終端模塊硬件框圖如圖2所示。

微控制器由一塊PIC16F8系列單片機構成，工作穩定。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，當有人進入洗漱室后就能給微控制器一個觸發信號。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備運行信息，包括設備的工作模式、時鐘、電磁閥工作狀態等信息。電磁閥要根據具體使用環境選擇尺寸功率等參數。應急開關可以在緊急情況下使得電磁閥強制打開，以保證在火災及其他特殊情況下持續供水。

電力線通信（Power Line Communication，PLC）技術是指利用電力線傳輸數據和媒體信號的一種通信方式，該技術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信息傳遞。系統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交流上可靠傳送數據而特別設計和開發的性價比很高的載波模塊。此載波模塊包括載波驅動、耦合、濾波、防雷擊等很多復雜的外圍電路，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），實現通過電力載波類似232通訊的全透明方式來收發數據。

由于一個學校一般都只有一臺主變壓器，電力線將整個學校連接成一個局域網，主機與終端模塊之間可以通過此電力線通信網絡連接，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或者紅外感應狀態，當工作于定時狀態時可以根據課程表設定電磁閥的開關時間，使得教學區在上課期間供水而宿舍區在午休或下課期間供水；當工作于紅外感應狀態時可以根據使用區域內是否有人來控制電磁閥的開關，以保證無人使用時自動切斷供水，從而最大限度的節約用水。每個終端模塊都有獨立地址，主機端可以設定模塊的工作模式。

由于本系統屬于分布式系統，終端分布于整個校園之內，抗干擾就成了硬件設計中必須考慮的因素。硬件中的干擾主要來源于供電系統、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，用適當的屏蔽及接地即可解決。在本系統中主要采用軟硬件結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。圖中驅動繼電器K1需要經過三極管Q1、光耦U1、三極管Q2三步驅動，使得繼電器開斷瞬間產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，當繼電器斷開時，其產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采集、冗余校驗和多次通信的方式。終端連接后每次發送數據包都要經過冗余校驗，若發現錯誤則返回錯誤數據包，要求重復發送，以避免錯誤。

3 上位機軟件設計

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

當采用定時控制時可以設定四組時間，設定供水起始時間和結束時間。當采用紅外感應控制時智能終端實時采樣紅外傳感器輸出，當監測到有人員進入指定區域后自動開啟供水電磁閥。強制關閉和強制開啟主要用于園林灌溉和綠化用水的控制，僅當使用時才開啟供水，當學校進入假期時也可以選擇強制關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

控制終端軟件系統由主程序和中斷程序兩部分構成，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據，若有人則開啟電磁閥并延時一段時間再關閉。若為定時方式，則從列表中查找開關區間，讀取此時是否在開啟期間。若為強制開啟和強制關閉狀態則直接控制電磁閥動作。

后臺程序由中斷構成，中斷產生后微處理器接收由上位機發來的地址，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 測試結果

本分布式校園供水系統選取了鄭州市滎陽第二高級中學作為樣本進行了為期一個月的小范圍實際測試。此高中共有學生3 000多人，80%學生為住校生，安裝本系統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，節水率高達38%，為學校每月節約水費近4 000元。

6 結 語

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

參考文獻

[1] 董麗莎，王公博，李智，等.一種溝槽式沖便器.中國.ZL20122017 3809.0[P] . 2012-04.

[2]李騰，朱金大，蔣媛媛，等.基于PRIME標準的低壓電力線載波通信組網方案[J].電力系統自動化，2014，38（24）：73-79..

[3]劉翠梅，承曉.基于51單片機的智能節水開關的設計[J].科技廣場，2015（10）：81-85.

[4]周莉，許文強.低壓電力線載波在校園節電系統中的應用[J].淮南職業技術學院學報，2015（6）：15-18.

[5]楊冉，田亞芳，李濟順. 一種分布式網絡化數據采集系統的設計[J].河南科技大學學報（自然科學版），2012，33（6）：31-34.

[6]秦紅波.基于無線傳感器網絡的PC臺式機實時防盜智能檢測系統設計[J].長江大學學報（自科科學版），2015，12（10）：48-51.