GPRS的远程供暖监控系统设计研究

冯波

(陕西国防工业职业技术学院 电子工程学院， 陕西 西安 710300)

0 引言

集中供热是我国北方地区普遍采用的供暖方式，复杂分散的居民区对供暖工作带来了较大的挑战，由不稳定的热力工况造成的用户供暖效果不均匀、温度不恒定等问题对远程供暖监控系统提出了更高的要求。定时监控室温数据信息可使功能不均衡问题得以有效解决,为供暖工作的开展和优化提供依据,稳定供暖温度在预期范围内，传统的人工或半人工室温监控模式因存在实时性及可靠性差等问题已经难以满足监控需求。为此本文完成了一种远程供暖监控系统的设计，该系统基于GPRS实现远程室温监测数据的传输。

1 需求分析

随着热力企业供热商品化水平的不断提高，“分户控制、分户计量”成为企业发展和管理的主要方向和重要手段，即能够通过供热监控系统实现单独控制和计量各用户的采暖数据,作为供热行业研究的重要课题，整个系统设计和优化的重点则在于针对众多分散的取暖用户热能通过使用一种高可靠易维护、使用及运维成本较低的通信方案实现实时便捷的计量和管理过程，通信网络的选择成为系统设计的关键,系统监控中心通过实时高效的数据传输通道实现同各远端结点间的实时数据交换过程。不断完善的网络信息技术促使了通用分组无线业务网络(GPRS)通讯模式的发展,GPRS模块具备较好的短信息应用优势、随时在线、成本低、覆盖广等特点,可有效满足小流量数据的频繁传送需求，成为实现远程无线数据传输的有效途径，在城市公用事业(水、电、气、供暖、污水管网等的监控)、运输业、汽车定位、无线POS及ATM、气象监测系统(遥测和告警灾害)等领域应用广泛[1]。远程供暖监控系统功能的实现需基于采暖用户数据实现，为有效实现数据的远程实时在线监控功能，为供暖的集中控制管理及按需消费热能的实现提供坚实的基础,本文主要通过使用GPRS技术完成了远程供暖监控系统的设计，结合运用网络计算机、无线传输技术实现了供暖数据远程传输及状态监控功能。

2 基于GPRS的远程供暖监控系统设计

2.1 GPRS的应用原理

基于GMS的GPRS(通用分组无线业务)提供于Phase 2+阶段，相比于GSMGPRS采用PDCH信道的数据传输过程在传输速率(理论上可高达每秒171.2 kbit)及使用成本方面具备明显的优势,作为一种高速有效的数据传送方式GPRS采用无线IP技术(基于分组传输模式，支持X.25协议和广泛应用的TCP/IP协议),可将动态的IP地址分配给网内终端，用户可对Internet(通过GGSN接入)站点进行直接访问。GPRS的主要特点为:(1) 对不同业务进行了定义,包括点对点的无连接、多播及面向连接等业务。(2) 支持4种QOS级别,支持偶尔的大量数据传输及间歇的突发式数据传送模式，可在短时间内恢复数据的重新传输(0.5～1 s内)。(3) 以灵活的分配方式对新GPRS无线信道进行了定义,每TDMA帧能够分配多个(通常为1～8个)可供动态用户共享的无线接口时隙,并且具备独立的向上和向下链路分配过程。(4) 基于IP技术(核心层)和分组交换技术,可无缝链接现有网络。GPRS更加适用于远程无线供暖分布式监测系统,通过GPRS网络技术的使用可实现对监控区域及监控点的有效拓展，该系统通过使用热能表(具有RS485接口)完成对各远程监控点的实时测量,无需租用网络代理服务器,能够便利的增减测量终端的数量，采用已有的电邮服务中心显著降低了系统的使用及运营成本，具备较高的性价比[2]。

2.2 监控系统总体架构设计

本文所构建的GPRS远程供暖监控系统的总体架构，如图1所示。

图1 远程供暖监控系统总体架构

该系统主要由负责实现人机交互工作和数据管理的监控中心主站、负责建立网络数据链路以及收发和中转数据的网络代理服务器、负责上送与下发信息的GPRS数据传输终端、负责采集包括热能量和进出口温度等在内的用户供暖信息的终端智能监控设备4部分构成,监控中心站的控制信号同样由终端智能监控设备负责接收。采用透明通道为监控系统同各远程监控点建立建立可靠的连接和通信过程，当前连接在通信失败的情况下断开(直至GPRS终端和客户端重新建立连接),具有通道检测功能,通信中心因无需对规约报文进行解释而保证了最大的可靠性和免维护性[3]。

2.2.1 监控中心站

互相连接的GPRS网络与互联网(均基于IP协议，且GPRS的中心站主服务器具有固定IP地址)支持通过ISDN ADSL方式上网,因此通过使用GPRS网络监控系统的各用户终端即可实现数据到监控中心网络上的透明传送过程。针对系统主服务器的多项数据处理任务通过增加WWW服务器和数据处理服务器(各一台)实现有效的分担过程，考虑到由多台服务器构成的数据中心站使用仅提供一个IP地址的外部公网,本文通过NAT技术(一种网络地址转换技术，具备NAT端口映射功能)的使用实现了某一主机的假IP地址到真IP地址的映射过程。服务器在用户访问请求提供某个端口(包含于映射端口主机)的情况下会将其向内部提供对应特定服务的主机转送,在避免将真IP地址向提供WWW服务的主机直接转送的基础上，通过让某台机器(内部网络中)将WWW服务提供给外部，数据处理服务器通过主服务器的端口完成用户信息的映射和接收后,向主服务器返回处理结果并在SQL数据库中保存，WWW服务器通过SQL数据库的调用实现用户信息的动态更新显示过程[3]。

2.2.2 用户远程终端

作为本系统关键组成部分,该模块主要由GPRS网络通讯单元(具体采用SIEMENS公司的MC55模块)、基于MSP430FW的热能测量表(一种低功耗的混合信号微控制器，16位)等构成，为使系统中的GPRS通讯端点数量得到最大程度的降低,热能表通过使用RS485串行通讯技术实现同通讯单元间的连接,通过MAX487电路(MAXIM公司)的使用可实现128个测量节点的扩展，仅需在一个单元中设置一个同监控中心进行实时数据交换的远端结点,可有效满足目前民用住宅一个单元包含多个住户的测量需求。用户远程测量及通讯终端结构示意图，如图2所示。

图2 用户远程测量及通讯终端结构示意图

设计远程终端解决的主要问题包括：(1) GPRS模块同热能表间通过采用RS485串行通讯技术实现实时高效的通信过程，终端热能表的关键处理部件采用了主要由微动阀门、传感器及功能扩展电路等构成的MSP430FW微控制器,能够对进出口温度、流量进行有效的测量，并根据相关参数(包括进出口温度差、流量、热焓等)通过查表完成单位时间及累计热能耗的计算,监控中心据此下达阀门的开关指令、相关参数的显示及非正常情况报警提示等操作。各监测点热能表的数据通过GPRS模块控制单片机完成分类处理过程,通过RS232通信端口将嵌入于AT命令行中的所需提交的数据向GPRS中的MC55模块传送；MC55接收到的短信息同样借助RS232向GPRS传送,再传送给热能表(通过RS485串行),热能表根据从中提取出的控制命令信息完成对阀门的控制[4]。

(2) GPRS模块MC55的设置，MC55支持电子邮件收发(基于SMTP、POP3协议)、TCP/IP及FTP链接，TCP/IP及FTP链接的建立需对相关IP地址(包括GPRS发送端和代理服务器)进行确定,即需租用专门的服务器,增加了使用成本。为在降低系统开发及使用成本的同时简化系统软件结构,本文系统的数据传输以电子邮件方式为主，用户热能表信息由GPRS发送端向指定邮件服务中心传送(无需租用网络代理服务器),以供监控中心访问并获取监测数据,监控中心向GPRS模块发送SMS短信形式的控制命令(通过GSM系统完成)，根据GPRS模块的SIM卡号码(无需解析GPRS模块的IP地址)即可对其进行远端控制，从而使系统运营成本得到显著降低。MC55包括连接模式与服务模式两层网络(可设定所需参数)，需在完成连接模式设置(最多可设6个，MU前可选用CSD或GPRS0接入模式)的基础上完成所需服务模式的选择，各连接模式支持10种服务模式,可建立2个HTTP和6个SOCKET链接服务[5]。

3 监控系统的实现

3.1 软件设计

采用提供RS232串行通讯口的MC55(西门子公司)作为GPRS的调制解调模块,支持基于AT指令集的控制方式，系统软件设计的重点在于实现MSP430F微控制器中AT命令的编辑，(具体使用C语言完成)以及系统同MC55间的通信过程(通过RS232通信接口)[6]。

(1) MC55的串行通讯，通讯软件流程,如图3所示。

图3 通讯软件流程图

热能表在完成进出口温度值测量的基础上，通过计算温度差并结合流量、热焓等参数完成瞬时和累计热能消耗量等计算结果的获取，同MC55模块间在将所需提交数据转换为简单的数组信息后(定时更新)通过RS485串行口实现通讯过程，MC55模块在初始化系统时会设定一个定时计数器(以规定的信息采集周期为依据)，在没有远程控制命令操作终端的情况下,系统在达到设置的采集周期时开始传输数据，并在完成传输后对定时器进行清零处理,重新开始循环[7]。

(2) 基于AT命令的数据传输流程为：先对系统的连接模式进行设定(ATSICS)，在此基础上完成对应服务模式的选择以及相关参数的写入(ATSISS),接下来启动数据传输(ATSISO)，再对数据进行读写(ATSISR/SISW)，最后结束数据传输(ATSISC)。各个输入的AT命令均对应模块的一个反馈信息(正常情况下为“OK”)。

(3) 监控中心软件，本文采用VC++完成监控中心软件的开发,主要完成用户终端配置及控制信息的下发、数据及故障告警信息的接收、入库存储采集到的用户数据，此外还提供缴费管理、查询、统计、报表等功能。

3.2 气候补偿系统

传统的供暖系统因受到普遍缺乏必要调控设备的限制而大多采用“大流量小温差”的供暖方式，需通过增加系统环流量、减小供回水温差的方式完成供暖过程，对室外温度对供暖系统的影响考虑不充分，室内温度随室外温度的升高而更高，供回水温差在室外温度降低时变大，不利于远端用户的热交换，不利于节能，本文设计了一种气候补偿系统。气候补偿系统原理，如图4所示。

图4 气候补偿系统

在不改变锅炉供水温度的基础上，将流经系统供水量的调节方式仅以室外温度变化情况为依据进行调整，具体将一个三通阀置于锅炉供水及回水管道间，三通阀开度虽室外温度升高而增大，减小流经系统的环流量，增加了回水管道中直流水量，使锅炉回水温度升高，有效满足用户的供热需求。假设，T0和Ti分别表示室外温度和散热器散热温度(℃)，ki和k0分别表示散热传热系数和房间外部传热系数(W/(m2·℃))、Ai和A0分别表示散热传热面积和房间外部传热面积(m2)，c表示热水的比热容(J/(kg·℃))，T表示室内温度(℃)，G表示室外某一温度下用户供水流量的流入(m3/h)。根据能量平衡可得到输入(Qi)及输出(Q0)热量的表达式[8],如式(1)、式(2)。

Qi=Aiki(Ti-T)

(1)

Q0=A0k0(T-T0)

(2)

房间储存热量表达式，如式(3)。

U=cmT

(3)

热能平衡方程式，如式(4)、式(5)。

dU=(Qi-Q0)dt

(4)

(5)

将m=ρv代入式(5)可得，如式(6)。

(6)

可得流量表达式，如式(7)。

(7)

该系统具有高可靠性、高数据传输率(约为60 kbit/s)，通过气候补偿系统可使室内温度基本维持恒定不变，达到节能的目的，各项技术性能指标达到了拟定要求,可实时高效的远距离传输小批量、非连续数据,具有较高的实际应用价值。

5 总结

为有效满足远程实时传送供暖监控数据的需求，本文结合运用GPRS网络通讯技术、MSP430FW用户热能表终端及监控中心完成了一种远程无线供暖分布式热能监控系统的设计,通讯模块通过设置RS485通讯接口实现了可扩展的多热能节点温度的测量功能,在信号覆盖范围内通过该系统即可不受区域和距离限制实现各监控节点供暖数据的实时监控以及室内恒定温度的有效保持,具有温度高效、传送数据量大、实时性好、使用及运维成本低等优势。