杜野

[摘? ? 要]主要描述了無線室溫監(jiān)測系統(tǒng)的采集層、傳輸層、管理平臺的設(shè)計，將用戶室溫作為一個參考量，對熱力站供熱參數(shù)進行微調(diào)。

[關(guān)鍵詞]GPRS;室溫數(shù)據(jù);自控調(diào)節(jié)

[中圖分類號]TP274 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）04–00–03

Design of Wireless Room Temperature Monitoring System Based on GPRS and the Self-Control Adjustment of Heating Pipe Network

Du Ye

[Abstract]This paper mainly describes the design of the collection layer， the transmission layer and the management platform of the wireless room temperature monitoring system， and discusses the fine-tuning of the heating parameters of the heating power station with the user room temperature as a reference.

[Keywords]GPRS; room temperature data; self-control adjustment

供熱系統(tǒng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)已成為我國節(jié)能減排的關(guān)注重點。目前的供熱系統(tǒng)中，缺乏有效、便利的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，供熱公司很難實時了解熱用戶的室溫情況，不能夠及時依據(jù)用戶室溫的變化對管網(wǎng)進行調(diào)節(jié)，造成供熱效果不均衡，能源消耗提高。因此，采用科學的、有效的用戶室溫監(jiān)測手段對熱用戶室內(nèi)溫度進行監(jiān)測是十分必要和有效的。

1 無線室溫監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

無線室溫監(jiān)測系統(tǒng)總體技術(shù)框架可分為采集層、傳輸層和數(shù)據(jù)層三大部分?？傮w技術(shù)框架如圖1所示。

1.1 采集層

現(xiàn)場采集部分由無線室溫監(jiān)測裝置組成，通過傳感器將用戶室溫數(shù)據(jù)收集轉(zhuǎn)化后，經(jīng)由GPRS模塊發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。

1.2 傳輸層

網(wǎng)絡傳輸部分采用運營商提供的GPRS網(wǎng)絡，采用專用APN與公共網(wǎng)絡進行隔離，確保數(shù)據(jù)的安全傳送。

1.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層由數(shù)據(jù)采集軟件及數(shù)據(jù)管理平臺組成。無線遠程室溫監(jiān)測設(shè)備定時傳輸居民家里面的溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集軟件對這些數(shù)據(jù)進行采集整理并存儲至數(shù)據(jù)庫，室溫監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理平臺通過調(diào)用這些數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)曲線的繪制，各類報表的生成。參數(shù)配置軟件通過與室溫監(jiān)測設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互，給室溫監(jiān)測設(shè)備發(fā)送相應的指令，以實現(xiàn)監(jiān)控中心工作人員對無線遠程室溫監(jiān)測儀進行遠程操作與管理。

2 采集設(shè)備的詳細設(shè)計

室溫監(jiān)測設(shè)備由低功耗中央處理器（CPU）、液晶顯示屏（LCD）、GPRS通信模塊、溫度傳感器、手機卡、大容量鋰電池和其他相關(guān)輔助模塊組成。將設(shè)備安裝在被監(jiān)測溫度居民家里，設(shè)備通過GPRS無線網(wǎng)絡定時傳輸設(shè)備所在居民家中的溫度數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心數(shù)據(jù)采集存儲服務器，這樣監(jiān)控中心工作人員就能即時了解到居民家中溫度變化情況，并據(jù)此做出相應的調(diào)節(jié)。供暖季結(jié)束時，還可以對設(shè)備遠程進行休眠指令操作，使其功耗降至最低，延長電池使用壽命;同樣在新的供暖季即將開始時，要對設(shè)備進行遠程喚醒指令操作，使其開始正常工作，采集裝置具體工作流程如圖2所示。

3 傳輸層的總體設(shè)計

數(shù)據(jù)中心需要安裝一條APN光纜，用來接入運營商GPRS網(wǎng)絡，通過固定IP地址連接雙方互聯(lián)路由器，通過GRE隧道連接運營商互聯(lián)路由器與GGNS。并申請專用的APN。用于GPRS專網(wǎng)的SIM卡僅開通該專用APN，限制使用其他APN。得到APN后，給所有現(xiàn)場采集點及數(shù)據(jù)中心分配移動內(nèi)部固定IP。通過端到端加密的方式連接運營商終端和服務器平臺，有效地保護數(shù)據(jù)，使其在傳輸過程中不會泄露。兩側(cè)采用防火墻進行隔離，并在防火墻上設(shè)置IP地址和端口過濾。

本系統(tǒng)具體組網(wǎng)如圖3所示。測溫設(shè)備通過專用APN接入運營商GPRS網(wǎng)絡，通過移動基站連接到運營商GGSN。GGSN是網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點，起網(wǎng)關(guān)作用，它可以和多種不同的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡連接。通過運營商GGSN與SGSN相連接。SGSN服務GPRS支持節(jié)點，作為移動通信網(wǎng)絡核心網(wǎng)分組域設(shè)備重要組成部分，主要完成分組數(shù)據(jù)包的路由轉(zhuǎn)發(fā)、移動性管理、會話管理、邏輯鏈路管理、鑒權(quán)和加密、話單產(chǎn)生和輸出等功能。SGSN與GGSN配合，共同完成移動通信網(wǎng)絡分組業(yè)務，將GPRS無線網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)光纖專線組成統(tǒng)一的虛擬專用網(wǎng)絡，完成測溫設(shè)備與數(shù)據(jù)服務器組網(wǎng)工作，使得測溫設(shè)備采集到的溫度數(shù)據(jù)成功上傳數(shù)據(jù)服務器。

4 數(shù)據(jù)管理平臺模塊及功能設(shè)計

數(shù)據(jù)管理平臺由實時數(shù)據(jù)模塊、歷史數(shù)據(jù)模塊、報警信息模塊、室溫報表模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、參數(shù)配置模塊、分布圖模塊7大模塊組成，有些功能下面還有諸多子功能模塊。

4.1 實時數(shù)據(jù)模塊

實時數(shù)據(jù)模塊要求顯示測溫設(shè)備的編號、安裝地址及目前室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)。超過20 ℃的用紅色字體表示，低于16℃的用藍色字體表示，溫度在16 ～20 ℃的用黑色字體表示。

4.2 歷史數(shù)據(jù)模塊

歷史數(shù)據(jù)模塊要求可以顯示單個設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)曲線，規(guī)定兩個時間節(jié)點，繪制2 h間節(jié)點間的歷史數(shù)據(jù)曲線圖。

4.3 報警信息模塊

報警信息模塊要求顯示測溫設(shè)備的所有報警信息，包括超溫報警、低溫報警、離線報警等設(shè)備異常報警。

4.4 室溫報表模塊

選擇兩個時間節(jié)點，將兩個時間節(jié)點間的歷史溫度數(shù)據(jù)以報表方式生成，供供熱公司人員進行分析。

4.5 數(shù)據(jù)分析模塊

包括信號強度分析、電池電量分析、供熱日平均溫度計月平均溫度等數(shù)據(jù)分析功能。

4.6 參數(shù)配置模塊

通過參數(shù)配置模塊，管理員可以對測溫設(shè)備所有信息進行添加、刪除及修改操作。

4.7 分布圖模塊

分布圖模塊可以顯示測溫設(shè)備的地理信息，在鼠標指向時可以顯示測溫點的編號、地址及溫度信息等。

5 無線室溫監(jiān)測數(shù)據(jù)參與管網(wǎng)自控調(diào)節(jié)的探討

全網(wǎng)平衡軟件根據(jù)供熱面積、室外溫度、出入口壓力溫度等供熱參數(shù)，對所有熱力站工況進行調(diào)節(jié)，以達到平衡供熱的目的。在全網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，加入如下算法對單個熱力站供熱參數(shù)進行微調(diào)。

5.1 通過閥門開度對總熱量進行調(diào)節(jié)

Q=Cm（tg-th） （1）

（2）

（3）

通過以上公式可以得出

（4）

Q為熱量;C為水的比熱;m為質(zhì)量;tg為熱力站一次網(wǎng)供水溫度;th為熱力站一次網(wǎng)回水溫度;v為流速;r為管徑;H為閥門開度。

在供熱管網(wǎng)中，熱力站一次網(wǎng)供回水溫度，管網(wǎng)內(nèi)流速都是通過全網(wǎng)平衡軟件控制的，在一定時期內(nèi)為定值。所以要對熱力站所供熱量進行調(diào)節(jié)，控制閥門開度是最有效的手段。

由于溫度調(diào)節(jié)具有滯后性，調(diào)節(jié)后不會短時間內(nèi)發(fā)生變化，且經(jīng)常性的調(diào)節(jié)供熱參數(shù)對供熱管網(wǎng)及穩(wěn)定供熱都是不利的，所以采取每15 d進行一次調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程分為兩步進行。

5.2 通過如下算法判斷是否需要進行調(diào)節(jié)

（5）

t1為某測點實測溫度;t0為所有測點平均溫度。

由于溫度調(diào)節(jié)具有滯后性，且人體對外界溫度感受的不敏感性，所測點溫度t1在與所有測點平均溫度t0相差2 ℃以內(nèi)，認為此測點不需要進行調(diào)節(jié)。如相差2℃以上，人體會出現(xiàn)過熱或者過冷的不適感覺，就需要對供熱參數(shù)進行調(diào)節(jié)。

5.3 通過如下算法對熱力站閥門開度進行微調(diào)

（6）

H為調(diào)節(jié)后閥門開度;H0為調(diào)節(jié)前閥門開度;t1為某測點實測溫度;t0為所有測點平均溫度。

通過此算法對熱力站一次網(wǎng)進口閥門開度進行調(diào)節(jié)，控制進入熱力站的熱量總量，以達到調(diào)節(jié)供熱溫度的目的。

假設(shè)調(diào)節(jié)前閥門開度H0為50%，所有測點平均溫度t0為20℃，某測點實測溫度t1為24℃，調(diào)節(jié)后閥門開度為調(diào)節(jié)前的80%，調(diào)節(jié)后閥門開度H0為40%。通過閥門調(diào)節(jié)使得調(diào)節(jié)后所供熱量也將為調(diào)節(jié)前的80%，以達到降低供熱溫度的目的。

假設(shè)調(diào)節(jié)前閥門開度H0為50%，所有測點平均溫度t0為20℃，某測點實測溫度t1為16 ℃，調(diào)節(jié)后閥門開度為調(diào)節(jié)前的120%，調(diào)節(jié)后閥門開度H0為60%。通過閥門調(diào)節(jié)使得調(diào)節(jié)后所供熱量也將為調(diào)節(jié)前的120%，以達到提高供熱溫度的目的。

以上均為理論計算值，在實踐中由于各個建筑的保溫程度不同，房屋結(jié)構(gòu)不同等各種因素作用，還需通過長期的實踐積累為調(diào)節(jié)算法加一個影響系數(shù)，以便對單個熱力站進行更精確的調(diào)節(jié)。

5.4 熱力站閥門開度微調(diào)算法

（7）

H為調(diào)節(jié)后閥門開度;H0為調(diào)節(jié)前閥門開度;t1為某測點實測溫度;t0為所有測點平均溫度;η為影響系數(shù)。

通過以上算法即可通過無線室溫監(jiān)測系統(tǒng)所測溫度數(shù)據(jù)，對單個熱力站供熱工況進行微調(diào)，以提高供熱質(zhì)量及供熱效率。

在實際應用中，通過用戶無線室溫監(jiān)測系統(tǒng)與全網(wǎng)平衡系統(tǒng)的聯(lián)動，可以實現(xiàn)對單個熱力站供熱工況的微調(diào)，以達到更好的供熱效果。

6 結(jié)束語

無線遠程室溫監(jiān)測系統(tǒng)通過在整個供暖用戶中合理地分布建立多個用戶室溫監(jiān)測點，利用GPRS無線通信技術(shù)將各個監(jiān)測點溫度信息發(fā)送到監(jiān)控中心，實時持續(xù)地監(jiān)測居民家中的溫度變化情況，除了可以進行大量的數(shù)據(jù)分析，掌握基本供熱情況外，還可以加入熱網(wǎng)自控系統(tǒng)，作為一個參考量對熱力站供熱參數(shù)進行微調(diào)，以達到更加平衡的供熱效果。

參考文獻

[1] 魏寧，王宇寰，施勇紅.基于GPRS無線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].北京電子科技學院學報，2006（4）：83-86.