馮波

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院 電子工程學院， 陜西 西安 710300)

0 引言

集中供熱是我國北方地區(qū)普遍采用的供暖方式，復雜分散的居民區(qū)對供暖工作帶來了較大的挑戰(zhàn)，由不穩(wěn)定的熱力工況造成的用戶供暖效果不均勻、溫度不恒定等問題對遠程供暖監(jiān)控系統提出了更高的要求。定時監(jiān)控室溫數據信息可使功能不均衡問題得以有效解決,為供暖工作的開展和優(yōu)化提供依據,穩(wěn)定供暖溫度在預期范圍內，傳統的人工或半人工室溫監(jiān)控模式因存在實時性及可靠性差等問題已經難以滿足監(jiān)控需求。為此本文完成了一種遠程供暖監(jiān)控系統的設計，該系統基于GPRS實現遠程室溫監(jiān)測數據的傳輸。

1 需求分析

隨著熱力企業(yè)供熱商品化水平的不斷提高，“分戶控制、分戶計量”成為企業(yè)發(fā)展和管理的主要方向和重要手段，即能夠通過供熱監(jiān)控系統實現單獨控制和計量各用戶的采暖數據,作為供熱行業(yè)研究的重要課題，整個系統設計和優(yōu)化的重點則在于針對眾多分散的取暖用戶熱能通過使用一種高可靠易維護、使用及運維成本較低的通信方案實現實時便捷的計量和管理過程，通信網絡的選擇成為系統設計的關鍵,系統監(jiān)控中心通過實時高效的數據傳輸通道實現同各遠端結點間的實時數據交換過程。不斷完善的網絡信息技術促使了通用分組無線業(yè)務網絡(GPRS)通訊模式的發(fā)展,GPRS模塊具備較好的短信息應用優(yōu)勢、隨時在線、成本低、覆蓋廣等特點,可有效滿足小流量數據的頻繁傳送需求，成為實現遠程無線數據傳輸的有效途徑，在城市公用事業(yè)(水、電、氣、供暖、污水管網等的監(jiān)控)、運輸業(yè)、汽車定位、無線POS及ATM、氣象監(jiān)測系統(遙測和告警災害)等領域應用廣泛[1]。遠程供暖監(jiān)控系統功能的實現需基于采暖用戶數據實現，為有效實現數據的遠程實時在線監(jiān)控功能，為供暖的集中控制管理及按需消費熱能的實現提供堅實的基礎,本文主要通過使用GPRS技術完成了遠程供暖監(jiān)控系統的設計，結合運用網絡計算機、無線傳輸技術實現了供暖數據遠程傳輸及狀態(tài)監(jiān)控功能。

2 基于GPRS的遠程供暖監(jiān)控系統設計

2.1 GPRS的應用原理

基于GMS的GPRS(通用分組無線業(yè)務)提供于Phase 2+階段，相比于GSMGPRS采用PDCH信道的數據傳輸過程在傳輸速率(理論上可高達每秒171.2 kbit)及使用成本方面具備明顯的優(yōu)勢,作為一種高速有效的數據傳送方式GPRS采用無線IP技術(基于分組傳輸模式，支持X.25協議和廣泛應用的TCP/IP協議),可將動態(tài)的IP地址分配給網內終端，用戶可對Internet(通過GGSN接入)站點進行直接訪問。GPRS的主要特點為:(1) 對不同業(yè)務進行了定義,包括點對點的無連接、多播及面向連接等業(yè)務。(2) 支持4種QOS級別,支持偶爾的大量數據傳輸及間歇的突發(fā)式數據傳送模式，可在短時間內恢復數據的重新傳輸(0.5～1 s內)。(3) 以靈活的分配方式對新GPRS無線信道進行了定義,每TDMA幀能夠分配多個(通常為1～8個)可供動態(tài)用戶共享的無線接口時隙,并且具備獨立的向上和向下鏈路分配過程。(4) 基于IP技術(核心層)和分組交換技術,可無縫鏈接現有網絡。GPRS更加適用于遠程無線供暖分布式監(jiān)測系統,通過GPRS網絡技術的使用可實現對監(jiān)控區(qū)域及監(jiān)控點的有效拓展，該系統通過使用熱能表(具有RS485接口)完成對各遠程監(jiān)控點的實時測量,無需租用網絡代理服務器,能夠便利的增減測量終端的數量，采用已有的電郵服務中心顯著降低了系統的使用及運營成本，具備較高的性價比[2]。

2.2 監(jiān)控系統總體架構設計

本文所構建的GPRS遠程供暖監(jiān)控系統的總體架構，如圖1所示。

圖1 遠程供暖監(jiān)控系統總體架構

該系統主要由負責實現人機交互工作和數據管理的監(jiān)控中心主站、負責建立網絡數據鏈路以及收發(fā)和中轉數據的網絡代理服務器、負責上送與下發(fā)信息的GPRS數據傳輸終端、負責采集包括熱能量和進出口溫度等在內的用戶供暖信息的終端智能監(jiān)控設備4部分構成,監(jiān)控中心站的控制信號同樣由終端智能監(jiān)控設備負責接收。采用透明通道為監(jiān)控系統同各遠程監(jiān)控點建立建立可靠的連接和通信過程，當前連接在通信失敗的情況下斷開(直至GPRS終端和客戶端重新建立連接),具有通道檢測功能,通信中心因無需對規(guī)約報文進行解釋而保證了最大的可靠性和免維護性[3]。

2.2.1 監(jiān)控中心站

互相連接的GPRS網絡與互聯網(均基于IP協議，且GPRS的中心站主服務器具有固定IP地址)支持通過ISDN ADSL方式上網,因此通過使用GPRS網絡監(jiān)控系統的各用戶終端即可實現數據到監(jiān)控中心網絡上的透明傳送過程。針對系統主服務器的多項數據處理任務通過增加WWW服務器和數據處理服務器(各一臺)實現有效的分擔過程，考慮到由多臺服務器構成的數據中心站使用僅提供一個IP地址的外部公網,本文通過NAT技術(一種網絡地址轉換技術，具備NAT端口映射功能)的使用實現了某一主機的假IP地址到真IP地址的映射過程。服務器在用戶訪問請求提供某個端口(包含于映射端口主機)的情況下會將其向內部提供對應特定服務的主機轉送,在避免將真IP地址向提供WWW服務的主機直接轉送的基礎上，通過讓某臺機器(內部網絡中)將WWW服務提供給外部，數據處理服務器通過主服務器的端口完成用戶信息的映射和接收后,向主服務器返回處理結果并在SQL數據庫中保存，WWW服務器通過SQL數據庫的調用實現用戶信息的動態(tài)更新顯示過程[3]。

2.2.2 用戶遠程終端

作為本系統關鍵組成部分,該模塊主要由GPRS網絡通訊單元(具體采用SIEMENS公司的MC55模塊)、基于MSP430FW的熱能測量表(一種低功耗的混合信號微控制器，16位)等構成，為使系統中的GPRS通訊端點數量得到最大程度的降低,熱能表通過使用RS485串行通訊技術實現同通訊單元間的連接,通過MAX487電路(MAXIM公司)的使用可實現128個測量節(jié)點的擴展，僅需在一個單元中設置一個同監(jiān)控中心進行實時數據交換的遠端結點,可有效滿足目前民用住宅一個單元包含多個住戶的測量需求。用戶遠程測量及通訊終端結構示意圖，如圖2所示。

圖2 用戶遠程測量及通訊終端結構示意圖

設計遠程終端解決的主要問題包括：(1) GPRS模塊同熱能表間通過采用RS485串行通訊技術實現實時高效的通信過程，終端熱能表的關鍵處理部件采用了主要由微動閥門、傳感器及功能擴展電路等構成的MSP430FW微控制器,能夠對進出口溫度、流量進行有效的測量，并根據相關參數(包括進出口溫度差、流量、熱焓等)通過查表完成單位時間及累計熱能耗的計算,監(jiān)控中心據此下達閥門的開關指令、相關參數的顯示及非正常情況報警提示等操作。各監(jiān)測點熱能表的數據通過GPRS模塊控制單片機完成分類處理過程,通過RS232通信端口將嵌入于AT命令行中的所需提交的數據向GPRS中的MC55模塊傳送；MC55接收到的短信息同樣借助RS232向GPRS傳送,再傳送給熱能表(通過RS485串行),熱能表根據從中提取出的控制命令信息完成對閥門的控制[4]。

(2) GPRS模塊MC55的設置，MC55支持電子郵件收發(fā)(基于SMTP、POP3協議)、TCP/IP及FTP鏈接，TCP/IP及FTP鏈接的建立需對相關IP地址(包括GPRS發(fā)送端和代理服務器)進行確定,即需租用專門的服務器,增加了使用成本。為在降低系統開發(fā)及使用成本的同時簡化系統軟件結構,本文系統的數據傳輸以電子郵件方式為主，用戶熱能表信息由GPRS發(fā)送端向指定郵件服務中心傳送(無需租用網絡代理服務器),以供監(jiān)控中心訪問并獲取監(jiān)測數據,監(jiān)控中心向GPRS模塊發(fā)送SMS短信形式的控制命令(通過GSM系統完成)，根據GPRS模塊的SIM卡號碼(無需解析GPRS模塊的IP地址)即可對其進行遠端控制，從而使系統運營成本得到顯著降低。MC55包括連接模式與服務模式兩層網絡(可設定所需參數)，需在完成連接模式設置(最多可設6個，MU前可選用CSD或GPRS0接入模式)的基礎上完成所需服務模式的選擇，各連接模式支持10種服務模式,可建立2個HTTP和6個SOCKET鏈接服務[5]。

3 監(jiān)控系統的實現

3.1 軟件設計

采用提供RS232串行通訊口的MC55(西門子公司)作為GPRS的調制解調模塊,支持基于AT指令集的控制方式，系統軟件設計的重點在于實現MSP430F微控制器中AT命令的編輯，(具體使用C語言完成)以及系統同MC55間的通信過程(通過RS232通信接口)[6]。

(1) MC55的串行通訊，通訊軟件流程,如圖3所示。

圖3 通訊軟件流程圖

熱能表在完成進出口溫度值測量的基礎上，通過計算溫度差并結合流量、熱焓等參數完成瞬時和累計熱能消耗量等計算結果的獲取，同MC55模塊間在將所需提交數據轉換為簡單的數組信息后(定時更新)通過RS485串行口實現通訊過程，MC55模塊在初始化系統時會設定一個定時計數器(以規(guī)定的信息采集周期為依據)，在沒有遠程控制命令操作終端的情況下,系統在達到設置的采集周期時開始傳輸數據，并在完成傳輸后對定時器進行清零處理,重新開始循環(huán)[7]。

(2) 基于AT命令的數據傳輸流程為：先對系統的連接模式進行設定(ATSICS)，在此基礎上完成對應服務模式的選擇以及相關參數的寫入(ATSISS),接下來啟動數據傳輸(ATSISO)，再對數據進行讀寫(ATSISR/SISW)，最后結束數據傳輸(ATSISC)。各個輸入的AT命令均對應模塊的一個反饋信息(正常情況下為“OK”)。

(3) 監(jiān)控中心軟件，本文采用VC++完成監(jiān)控中心軟件的開發(fā),主要完成用戶終端配置及控制信息的下發(fā)、數據及故障告警信息的接收、入庫存儲采集到的用戶數據，此外還提供繳費管理、查詢、統計、報表等功能。

3.2 氣候補償系統

傳統的供暖系統因受到普遍缺乏必要調控設備的限制而大多采用“大流量小溫差”的供暖方式，需通過增加系統環(huán)流量、減小供回水溫差的方式完成供暖過程，對室外溫度對供暖系統的影響考慮不充分，室內溫度隨室外溫度的升高而更高，供回水溫差在室外溫度降低時變大，不利于遠端用戶的熱交換，不利于節(jié)能，本文設計了一種氣候補償系統。氣候補償系統原理，如圖4所示。

圖4 氣候補償系統

在不改變鍋爐供水溫度的基礎上，將流經系統供水量的調節(jié)方式僅以室外溫度變化情況為依據進行調整，具體將一個三通閥置于鍋爐供水及回水管道間，三通閥開度雖室外溫度升高而增大，減小流經系統的環(huán)流量，增加了回水管道中直流水量，使鍋爐回水溫度升高，有效滿足用戶的供熱需求。假設，T0和Ti分別表示室外溫度和散熱器散熱溫度(℃)，ki和k0分別表示散熱傳熱系數和房間外部傳熱系數(W/(m2·℃))、Ai和A0分別表示散熱傳熱面積和房間外部傳熱面積(m2)，c表示熱水的比熱容(J/(kg·℃))，T表示室內溫度(℃)，G表示室外某一溫度下用戶供水流量的流入(m3/h)。根據能量平衡可得到輸入(Qi)及輸出(Q0)熱量的表達式[8],如式(1)、式(2)。

Qi=Aiki(Ti-T)

(1)

Q0=A0k0(T-T0)

(2)

房間儲存熱量表達式，如式(3)。

U=cmT

(3)

熱能平衡方程式，如式(4)、式(5)。

dU=(Qi-Q0)dt

(4)

(5)

將m=ρv代入式(5)可得，如式(6)。

(6)

可得流量表達式，如式(7)。

(7)

該系統具有高可靠性、高數據傳輸率(約為60 kbit/s)，通過氣候補償系統可使室內溫度基本維持恒定不變，達到節(jié)能的目的，各項技術性能指標達到了擬定要求,可實時高效的遠距離傳輸小批量、非連續(xù)數據,具有較高的實際應用價值。

5 總結

為有效滿足遠程實時傳送供暖監(jiān)控數據的需求，本文結合運用GPRS網絡通訊技術、MSP430FW用戶熱能表終端及監(jiān)控中心完成了一種遠程無線供暖分布式熱能監(jiān)控系統的設計,通訊模塊通過設置RS485通訊接口實現了可擴展的多熱能節(jié)點溫度的測量功能,在信號覆蓋范圍內通過該系統即可不受區(qū)域和距離限制實現各監(jiān)控節(jié)點供暖數據的實時監(jiān)控以及室內恒定溫度的有效保持,具有溫度高效、傳送數據量大、實時性好、使用及運維成本低等優(yōu)勢。