孫紅利　姜佳鵬

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)受到了人們的廣泛關(guān)注。在解析了物聯(lián)網(wǎng)的基本特征后，對比分析了物聯(lián)網(wǎng)與傳感器網(wǎng)絡、手持設備等概念的關(guān)系，提出了一種城市供暖一體化數(shù)據(jù)采集方案。該方案通過自動采集、手持采集、數(shù)據(jù)傳輸、傳輸監(jiān)聽、可視監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲六大模塊來實現(xiàn)供暖系統(tǒng)的低能耗和高可控性，使供暖系統(tǒng)更加智能。經(jīng)過實際應用表明，該文方案能有效提高系統(tǒng)運行及管理的效率。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；城市供暖；自動采集；可視監(jiān)控；智能管理

中圖分類號：TP302 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）36-0285-04

1 概述

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT）是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發(fā)展階段，被視為信息領(lǐng)域的一次重大發(fā)現(xiàn)。近年來，一些發(fā)達國家紛紛出臺物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展計劃，我國也將物聯(lián)網(wǎng)作為戰(zhàn)略性的新興產(chǎn)業(yè)予以重點關(guān)注和推進。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的應用拓展，與其說物聯(lián)網(wǎng)是網(wǎng)絡，不如說物聯(lián)網(wǎng)是業(yè)務和應用。因此，應用創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心，以用戶體驗為核心的創(chuàng)新2.0是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的靈魂。

在經(jīng)濟全球化和網(wǎng)絡新經(jīng)濟的背景下，網(wǎng)絡信息技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1-7]的發(fā)展使企業(yè)的競爭環(huán)境發(fā)生了巨大的變化。信息技術(shù)與傳統(tǒng)應用的日益融合已成為大眾的迫切需求，促進了社會的進步與發(fā)展。對于城市供暖系統(tǒng)[8-9]來說，隨著技術(shù)的改進和節(jié)能減排的需求，傳統(tǒng)集中供暖日益受到排斥，新的按需供暖方式受到越來越多的追捧。隨著智能城市的發(fā)展和節(jié)能減排的提倡，如何安全、有效、科學地控制供暖系統(tǒng)成為城市現(xiàn)代化急需解決的問題。

傳統(tǒng)的統(tǒng)一按面積收費、應答式服務以及盲目熱能調(diào)度等方式已經(jīng)不能適應于當今社會的新的供暖模式，不能滿足用戶服務期望的需求。由此，基于物聯(lián)網(wǎng)的新型服務方式應運而生。王起等[10]提出的利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建先進的城市供暖系統(tǒng)方案，可實現(xiàn)城市供熱的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)?！钡摹肮?、控、營”一體化，能有效解決供暖能耗、供暖質(zhì)量的監(jiān)控，讓供暖設備更加智能化，做到可監(jiān)測、可控制、可調(diào)節(jié)，并根據(jù)我們的需要來選擇溫度。徐金鳳[11]提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集中供熱節(jié)能網(wǎng)絡系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將換熱站、工作人員、控制中心與互聯(lián)網(wǎng)相連接，組建成一個完整的集中供熱節(jié)能網(wǎng)絡系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)在天津市南開區(qū)、東麗區(qū)等地區(qū)得到成功應用，數(shù)據(jù)顯示運行效率增加，供熱質(zhì)量提高，節(jié)能效果明顯。唐詠[12]提出的小區(qū)供暖監(jiān)控系統(tǒng)設計，根據(jù)城市小區(qū)供暖的自動控制要求，采用上位機、PLC、各類溫度、液位、壓力傳感器，設計了一個供暖控制系統(tǒng)，并通過西門子WinCC組態(tài)，設計了組態(tài)畫面和監(jiān)控程序，從而實現(xiàn)了小區(qū)供暖系統(tǒng)溫度、壓力、流量的現(xiàn)場檢測，提高了供暖效果。

本文提出的新型服務模式需要實時獲取供暖系統(tǒng)各關(guān)鍵節(jié)點的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。為解決此問題，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，給出一種城市供暖系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點信息實時采集方案，利用實時采集的信息，可以為實現(xiàn)以下功能提供數(shù)據(jù)支持：（1）可以實時了解整個城市的熱力使用分布情況，在此基礎上進行合理的熱力調(diào)度。（2）可以實時了解供暖系統(tǒng)各個關(guān)鍵節(jié)點的工作狀態(tài)，為故障預測、故障定位、故障報警提供支持。（3）可以獲得每個用戶使用的熱能流量數(shù)據(jù)，為按需收費提供支持，避免耗費大量人力進行查表工作。（4）可以利用獲得歷史采集數(shù)據(jù)，進行挖掘分析，為故障決策、熱能生成計劃及其它分析提供基礎數(shù)據(jù)。

2 模型設計與實現(xiàn)（The model of Design and implementation）

在本文中，我們設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的城市供暖系統(tǒng)一體化數(shù)據(jù)采集方案。它分為六個模塊：自動采集模塊、手持采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、傳輸監(jiān)聽模塊、可視監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊，模型如圖1所示。

每個采集點都集成了自動采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。采集點能夠通過自動采集模塊自動采集點處的溫度、壓力、流量和閥門開關(guān)情況等信息，并能夠通過集成的數(shù)據(jù)傳輸模塊定期地將采集的信息以多跳轉(zhuǎn)發(fā)方式傳輸給服務器。同時，采集點也能夠通過數(shù)據(jù)傳輸模塊接收服務器發(fā)送的采集設置參數(shù)，然后以設置參數(shù)的要求向服務器發(fā)送采集信息。采集點還可以通過數(shù)據(jù)傳輸模塊以無線通信方式直接與手持采集模塊連接，向手持采集模塊發(fā)送采集信息或接受手持采集模塊導入的路由表。

在服務器端，可視監(jiān)控模塊通過傳輸監(jiān)聽模塊接收各個采集點發(fā)送的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)存儲模塊中，并將數(shù)據(jù)實時顯示在供暖系統(tǒng)的地圖上。可視監(jiān)控模塊利用圖形界面設定某個或某些采集點的采集參數(shù)，并通過傳輸監(jiān)控模塊發(fā)送給相應的采集點；還可以通過圖形界面操作方式為手持采集模塊分配采集任務，向手持采集模塊導入采集點的路由表。通過可視監(jiān)控模塊實時顯示的數(shù)據(jù)能夠為判斷供暖系統(tǒng)的運行情況、故障預測與診斷等提供支持。數(shù)據(jù)傳輸模塊用于轉(zhuǎn)發(fā)服務器發(fā)向采集點的采集參數(shù)設置命令或采集點發(fā)向服務器的采集信息。在城市供暖一體化采集方案中，集成在采集點的數(shù)據(jù)傳輸模塊和單獨部署的數(shù)據(jù)傳輸模塊都是靜態(tài)的。因此，通過設定固定路由表方式獲得每個輸出模塊的轉(zhuǎn)發(fā)路由。傳輸監(jiān)聽模塊監(jiān)聽來自采集點的采集信息并交付給可視監(jiān)控模塊，并將可視監(jiān)控模塊發(fā)送的采集設置命令發(fā)送出去，經(jīng)由數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送給相應的采集點。

手持采集模塊可以通過串口與服務器直接連接，通過可視監(jiān)控模塊分配手動采集任務或?qū)氩杉c的路由表。然后，將手持采集模塊與采集點近距離接觸，通過無線連接方式獲取采集信息或向集成在采集點的數(shù)據(jù)傳輸模塊導入路由表。此外，手持采集模塊還可以與獨立數(shù)據(jù)傳輸模塊近距離接觸，向其導入路由表。

由于采集系統(tǒng)需要利用無線或有線傳輸完成信息采集，因此，本系統(tǒng)無線或有線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包格式如圖2所示。其中，type表示數(shù)據(jù)包的類型，1表示從服務器發(fā)向采集點的采集設置命令，2表示采集點發(fā)向服務器的采集信息；source表示發(fā)送節(jié)點地址；destination表示目的節(jié)點地址；data表示傳送的數(shù)據(jù)。

2.1 自動采集模塊

自動采集模塊一般安裝在需要進行實時信息采集的位置，比如用戶供暖的入口、小區(qū)供暖入口和出口等。用于采集供暖系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、流量、閥門打開程度等，并將采集的數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式封裝后交由數(shù)據(jù)傳輸模塊，最終傳送到服務器。此外，自動采集模塊還包括一個小型顯示屏，能夠顯示采集的數(shù)據(jù)。

自動采集模塊的核心是單片機，它的工作原理分為三方面，通過串口接收來自服務器端的采集設置命令；顯示采集的信息，并發(fā)送給服務器；從外界輸入的報警和顯示設置信號。

（1） 接收采集設置命令

單片機通過串口接收服務器端采集設置命令可以采集到采集點的標識，發(fā)送周期，發(fā)送采集信息的類型等。若單片機接收到period為零的命令，立即調(diào)用一次“采集信息顯示與發(fā)送”，按照命令中type要求，發(fā)送一次采集信息；若單片機接收到period非零的命令，將命令中的period和type分別存儲到單片機維護的兩個參數(shù)period和type中，表示采集點需要每period秒按照type要求發(fā)送一次采集信息。而后單片機設置溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器以及電動閥門的信息采集周期為period。至此，接收采集設置命令結(jié)束。

（2） 采集信息顯示與發(fā)送

單片機向服務器端發(fā)送采集信息時，單片機從溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器和電動閥門分別獲得溫度信息、壓力信息、流量信息（實時流量和累積流量）和閥門開關(guān)程度信息。當單片機維護的type為0時，發(fā)送Heating_info_1的采集信息；當單片機維護的type為1時，發(fā)送Heating_info_2的采集信息。Struct Heating_info_1的信息包括采集點編號，溫度，壓力，流量等。Struct Heating_info_2的信息包括采集點編號，溫度，壓力，流量，開關(guān)程度，周期開始時間及結(jié)束時間。將發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送到顯示屏顯示后，當period到時，將發(fā)送的信息通過串口交給與自動采集模塊封裝在一起的數(shù)據(jù)傳輸模塊，由數(shù)據(jù)傳輸模塊向服務器端發(fā)送即可。

（3） 接收外界輸入的報警和顯示設置信號

外界報警按鈕共有5個，當用戶或巡查人員發(fā)現(xiàn)顯示屏顯示的信息異常時，可以按下相應按鈕持續(xù)5秒以上向服務器進行故障申報。顯示屏設置有兩個，分別表示顯示實時溫度、壓力、流量和開關(guān)程度，以及顯示一個周期的平均溫度、平均壓力、累積流量和平均開關(guān)程度、周期開始時間和周期結(jié)束時間。用戶或巡查人員可以通過按下相應按鈕持續(xù)5秒以上切換顯示方式。

2.2 手持采集模塊

手持采集模塊是一個便攜式設備，可在采集點附近一定范圍內(nèi)（一般10米之內(nèi)），獲取采集點信息或向采集進行設置。獲取的信息與自動采集模塊發(fā)向服務器信息的封裝完全一致。

手持采集模塊工作時，利用串口與服務器連接，如果利用手持采集設備采集信息，則向手持采集模塊分配采集任務；如果利用手持采集設備導入路由表，則向手持采集模塊導入某個或某些采集點的路由表RT1和RT2。（1）采集員手持采集模塊接收采集點的信息，解析出采集點的id。如果采集任務中存在某個id和當前采集點的id匹配，則開始接收采集點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將接收的數(shù)據(jù)同時顯示在顯示屏上和存儲在存儲模塊中。當接收Number組數(shù)據(jù)后，完成數(shù)據(jù)采集。也可以手動按結(jié)束采集按鈕（持續(xù)3秒）結(jié)束數(shù)據(jù)采集。如果采集任務中不存在和當前采集點id匹配的id，則提示當前采集點不屬于采集任務規(guī)定的采集點。（2）采集員攜帶手持采集設備導入路由表，手持采集模塊接收數(shù)據(jù)傳輸模塊的信息，解析出采集點的id。如果導入路由表任務中存在某個id和當前數(shù)據(jù)傳輸模塊的id匹配，則開始向數(shù)據(jù)傳輸模塊導入路由表RT1和RT2。不斷重復直至路由表導入完成。將手持采集模塊通過串口與服務器連接，打開服務器的數(shù)據(jù)讀取程序，即可進行數(shù)據(jù)的讀取。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊接收來自自動采集模塊、其它數(shù)據(jù)傳輸模塊或傳輸監(jiān)聽模塊的信息，將信息緩存在數(shù)據(jù)緩存模塊中，并通過無線發(fā)送模塊發(fā)送出去。當接收到接收確認后清空緩存數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸模塊分為三種類型：類型1是通過串口與自動采集模塊集成在一起，類型2是進行無線信號轉(zhuǎn)發(fā)，類型3是接收一個區(qū)域內(nèi)所有的其它數(shù)據(jù)傳輸模塊的信息，然后通過網(wǎng)口以有線方式傳輸給服務器。在供暖系統(tǒng)一體化數(shù)據(jù)采集方案中，各采集點的拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示。

類型1數(shù)據(jù)傳輸模塊A工作時，監(jiān)聽A的無線接收模塊、串口。如果串口有數(shù)據(jù)到達，并且是A第一次接收到串口發(fā)來的數(shù)據(jù)，則將收到數(shù)據(jù)的id解析處理，存放到A的變量joint_id中，表示與A連接的自動采集模塊的id是joint_id。將串口發(fā)來的數(shù)據(jù)封裝在數(shù)據(jù)包的data域，source設為A，將destination設為從A的路由表RT2中隨機選取的一個節(jié)點的id。最后將裝好的數(shù)據(jù)包緩存在數(shù)據(jù)緩存模塊，并通過無線發(fā)送模塊將封發(fā)送出去。當接收到destination的確認后清空緩存；如果無線接收模塊有數(shù)據(jù)到達，則向數(shù)據(jù)包的source節(jié)點發(fā)送確認數(shù)據(jù)包。如果數(shù)據(jù)包的type是1，則檢查A的joint_id是否與data域解析出的id相同。如果相同，將data域解析出的數(shù)據(jù)通過串口交給自動采集模塊。如果不同，則將數(shù)據(jù)包的source置為A，destination置為從路由表RT1（RT1在安裝時通過手持采集設備設置）中隨機選擇一個節(jié)點id，其它域不變。將裝好的數(shù)據(jù)包緩存在數(shù)據(jù)緩存模塊，并通過無線發(fā)送模塊將封發(fā)送出去。當接收到destination的確認后清空緩存。如果數(shù)據(jù)包的type是2，則將數(shù)據(jù)包的source置為A，destination置為從路由表RT2中隨機選擇一個節(jié)點id，其它域不變。將裝好的數(shù)據(jù)包緩存在數(shù)據(jù)緩存模塊，并通過無線發(fā)送模塊將封發(fā)送出去。當接收到destination的確認后清空緩存；如果沒有數(shù)據(jù)到達，繼續(xù)監(jiān)聽。

類型3數(shù)據(jù)傳輸模塊B工作時，監(jiān)聽B的無線接收模塊、網(wǎng)口。如果網(wǎng)口有數(shù)據(jù)到達，則向數(shù)據(jù)包的source節(jié)點發(fā)送確認數(shù)據(jù)包。將網(wǎng)口發(fā)來數(shù)據(jù)包source設為B，將destination設為從B的路由表RT1中隨機選取的一個節(jié)點的id。將裝好的數(shù)據(jù)包緩存在數(shù)據(jù)緩存模塊，并通過無線發(fā)送模塊發(fā)送出去。當接收到destination的確認后清空緩存。如果無線接收模塊有數(shù)據(jù)到達，則向數(shù)據(jù)包的source節(jié)點發(fā)送確認數(shù)據(jù)包。將數(shù)據(jù)包的source置為B，destination置為從路由表RT2中隨機選擇一個節(jié)點id，其它域不變。將裝好的數(shù)據(jù)包緩存在數(shù)據(jù)緩存模塊，并通過網(wǎng)口發(fā)送出去。當接收到destination的確認后清空緩存。如果沒有數(shù)據(jù)到達，繼續(xù)監(jiān)聽。

類型2數(shù)據(jù)傳輸模塊C工作時，監(jiān)聽C的無線接收模塊。如果有數(shù)據(jù)到達，則繼續(xù)監(jiān)聽。向數(shù)據(jù)包的source節(jié)點發(fā)送確認數(shù)據(jù)包。如果數(shù)據(jù)包的type是1，則將數(shù)據(jù)包的source置為C，destination置為從路由表RT1中隨機選擇一個節(jié)點id，其它域不變。將裝好的數(shù)據(jù)包緩存在數(shù)據(jù)緩存模塊，并通過無線發(fā)送模塊將封發(fā)送出去。當接收到destination的確認后清空緩存。如果數(shù)據(jù)包的type是2，則將數(shù)據(jù)包的source置為C，destination置為從路由表RT2中隨機選擇一個節(jié)點id，其它域不變。將裝好的數(shù)據(jù)包緩存在數(shù)據(jù)緩存模塊，并通過無線發(fā)送模塊將封發(fā)送出去。當接收到destination的確認后清空緩存。

2.4 傳輸監(jiān)聽模塊

傳輸監(jiān)聽模塊是運行在服務器上的一個軟件，它實時監(jiān)聽網(wǎng)口，以接收采集點發(fā)送的采集信息或?qū)⒎掌鞯牟杉O置命令發(fā)送給相應的采集點。傳輸監(jiān)聽模塊的工作時，實時監(jiān)聽網(wǎng)口和服務器，如果網(wǎng)口有數(shù)據(jù)到達，則向接收數(shù)據(jù)包向的source節(jié)點發(fā)送確認數(shù)據(jù)包。將數(shù)據(jù)包的data域解析處理交給服務，有服務器將信息存儲在數(shù)據(jù)存儲模塊；如果服務器有命令發(fā)送，則將根據(jù)服務器設置參數(shù)的id從路由表RT中查詢滿足條件路由條目，隨機選取一個路由條目對應的轉(zhuǎn)發(fā)模塊的id作為數(shù)據(jù)包的destination，source設為服務器，然后緩存該數(shù)據(jù)包，并通過網(wǎng)口發(fā)送出去。當收到destination的確認后清空緩存；如果都沒有，則繼續(xù)監(jiān)聽。

2.5 可視監(jiān)控模塊

可視監(jiān)控模塊是運行在服務器上的一個軟件，它能夠?qū)崟r顯示整個供暖網(wǎng)絡的地圖、各個采集的分布、各個采集點的工作狀態(tài)，并具有圖形用戶界面為手持采集模塊設置采集任務、初始化采集點路由表以及產(chǎn)生采集設置命令。可視化控模塊的工作時，如果出現(xiàn)手持采集模塊采集任務消息，則提示連接手持采集模塊。通過鼠標或鍵盤操作確定手持采集任務的采集點序列以及每個節(jié)點采集信息的組數(shù)Number。如果出現(xiàn)設置采集命令消息，通過鼠標或鍵盤操作確定采集命令參數(shù)，并按確定交由傳輸監(jiān)聽模塊發(fā)送給相應的采集點。如果接收到來自傳輸監(jiān)聽模塊接收采集的消息，將采集信息進行解析，并實時現(xiàn)在地圖的相應采集點上，并將結(jié)束的信息存儲到數(shù)據(jù)存儲模塊。如果出現(xiàn)導出數(shù)據(jù)傳輸模塊路由表的消息，則提示連接手持采集模塊。通過鼠標或鍵盤操作將某個或某些數(shù)據(jù)傳輸模塊的路由表導入到手持采集模塊。

2.6 數(shù)據(jù)存儲模塊模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊存放可視監(jiān)控模塊接收的來自各個采集點的信息，為進行進一步?jīng)Q策提供數(shù)據(jù)支持。

3 結(jié)論（Conclusion）

本系統(tǒng)通過自動采集、手持采集、數(shù)據(jù)傳輸、傳輸監(jiān)聽、可視監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲六大模塊實現(xiàn)供暖系統(tǒng)的低能耗和高可控，使供暖系統(tǒng)更加智能。應用于河南省洛陽市某小區(qū)可明顯提高系統(tǒng)運行效率及管理效率，實現(xiàn)對整個住宅區(qū)的一體化數(shù)據(jù)采集，判斷供暖系統(tǒng)的運行情況、故障預測與診斷等。在集中供暖的實時自動監(jiān)測、監(jiān)控、控制系統(tǒng)中融入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將會對集中供暖的理念和管理模式方面造成重要影響，同時也是發(fā)展綠色低碳經(jīng)濟的戰(zhàn)略性舉措和應用。

參考文獻：

[1] 孫其博，劉杰，黎羴，等.物聯(lián)網(wǎng)：概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J].北京郵電大學學報，2010，33（3）：1-9.

[2] 陳海明，崔莉，謝開斌，等.物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)方法的比較研究[J].計算機學，2013，36（1）：168-188.

[3] 陳海明，崔莉.面向服務的物聯(lián)網(wǎng)軟件體系結(jié)構(gòu)設計與模型檢測[J].計算機學報，2016，39（5）：853-871.

[4] 劉強，崔莉，陳海明，等.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應用[J].計算機科學，2010，37（6）：1-4.

[5] 朱洪波，楊龍祥，于全，等.物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)思想與應用策略研究[J].通信學報，2010，31（11）：2-9.

[6] 錢志鴻，王義君.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應用研究[J].電子學報，2012，40（5）：1023-1029.

[7] 胡永利，孫艷豐，尹寶才等.物聯(lián)網(wǎng)信息感知與交互技術(shù)[J].計算機學報，2012，35（6）：1147-1163.

[8] 馬文鑫.城市供暖系統(tǒng)設計現(xiàn)狀及節(jié)能措施[J].中國科技投資，2016（14）：78-78.

[9] 韓梅，孫浩，谷峰，等.供暖系統(tǒng)的自動化節(jié)能控制[J].科技傳播，2013（24）：69-69，77.

[10] 王起，陳紅兵，吳瑋，等.物聯(lián)網(wǎng)在集中供熱系統(tǒng)中的應用[J].區(qū)域供熱，2014（1）：21-26.

[11] 徐金鳳.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集中供熱節(jié)能網(wǎng)絡系統(tǒng)設計與研究[D].天津理工大學，2013.

[12] 唐詠.小區(qū)供暖監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2014（2）：22-24.