基于GPRS技術的熱網(wǎng)遠程監(jiān)測系統(tǒng)

劉 冰，許青松，杜 娟，黨震宇

（1.航天長征化學工程股份有限公司 蘭州分公司 蘭州 730050；2.東北電力大學 自動化工程學院，吉林 132012；3.中國煤炭科工集團 沈陽設計研究院，沈陽 110000）

0 引言

針對供熱系統(tǒng)中，供熱站數(shù)量眾多，地理位置分布廣泛，用傳統(tǒng)的ADSL進行通信存在布線困難、維護費用高等缺點。隨著供熱系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控技術的發(fā)展，利用GPRS網(wǎng)絡遠程傳輸數(shù)據(jù)，可以通過小數(shù)據(jù)流的方式實現(xiàn)實時監(jiān)測供熱站運行數(shù)據(jù)，根據(jù)需要進行數(shù)據(jù)分析處理、為企業(yè)提供失水量監(jiān)測、供熱品質(zhì)報警、政府監(jiān)管、實時與歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

本文主要以吉林市市政供熱工程為背景，進行了基于無線網(wǎng)絡的供熱站監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)研究。系統(tǒng)對供熱站的運行參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集，通過DTU終端將數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS網(wǎng)絡傳輸?shù)秸{(diào)度監(jiān)測中心。監(jiān)測中心系統(tǒng)采用B/S結構，具有分布性特點，可以隨時隨地進行瀏覽操作、擴展簡單靈活、維護簡單方便、開發(fā)簡單、共享性強等優(yōu)點，方便運行人員使用。GPRS無線網(wǎng)絡、無線監(jiān)測終端部分、現(xiàn)場傳感器等組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

1 系統(tǒng)設計

1.1 總體設計

就供熱系統(tǒng)而言，供熱單位需向熱用戶提供一定溫度和壓力的合格的熱水，供熱單位按用熱量向熱電廠繳納一定的費用，供熱單位需要對各供熱站里的溫度、壓力、流量、液位等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測。根據(jù)從各供熱站所監(jiān)測到的實時運行數(shù)據(jù)，調(diào)整運行工況，從而保證供熱系統(tǒng)穩(wěn)定安全的運行。熱網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)測中心服務器、

1.2 工作流程

GPRS是通用分組無線技術（General Packet Radio Service）的簡稱，它是GSM的延續(xù)。GPRS是以封包（Packet）式來傳輸，因此所產(chǎn)生的費用是以數(shù)據(jù)量來計算，并不占用整個頻道，所以運行費用較為低廉。GPRS的理論報文數(shù)據(jù)交換速率高達171.2kbp/s，實際速度是30-70kbp/s。

在各個熱力站安裝熱電阻和壓力變送器一次元件將現(xiàn)場供回水溫度、壓力值轉(zhuǎn)換為4-20mA電流信號通過微處理器控制電路將電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)串口傳給GPRS模塊，然后通過網(wǎng)絡傳給監(jiān)測中心服務器。監(jiān)測中心將數(shù)據(jù)包解析出來。這里解析出來的運行數(shù)據(jù)是標準的4-20mA信號值，最后通過現(xiàn)場傳感器的類別、量程轉(zhuǎn)換成溫度、壓力值，供管理軟件使用。由于通過GPRS技術將電信網(wǎng)絡和計算機網(wǎng)絡有機連接在一起，監(jiān)測中心主機通過配置固定的IP地址或域名就可以同各個熱力站的數(shù)據(jù)傳輸單元DTU進行數(shù)據(jù)通信。

2 硬件設計

監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成主要由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機、GPRS模塊等組成。監(jiān)測終端硬件框圖如圖2所示，終端處理器采用SAMSUNG公司的S3C2440A芯片，GPRS模塊采用華為公司的GTM900C模塊。S3C2440A處理器工作主頻為400MHZ，自帶8通道復用10位的ADC，3通道UART可基于DMA方式或中斷模式工作。GTM900C模塊工作頻段為EGSM900/GSM1800，協(xié)議兼容GSM/GPRS Phase2/2+支持華為GT800協(xié)議，支持透明傳輸。

圖2 監(jiān)測終端硬件框圖

GTM900C模塊與S3C2440連接通過串口連接通信，由于GTM900-C模塊的信號是TTL2.85±0.1V接口，需要進行電平轉(zhuǎn)換，芯片采用Sipex公司的SP3238轉(zhuǎn)換芯片。TTL 電平轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 電平轉(zhuǎn)換電路

GTM900C模塊提供標準SIM卡接口，包括SIM卡在位信號、數(shù)據(jù)傳輸接口、時鐘信號、電源接口等。SIM卡電路如圖4所示。

圖4 SIM卡電路

GTM900C模塊電源供電范圍為3.4-4.7V，推薦電壓為3.8V，系統(tǒng)總電源采用9V電源供電，本設計采用NS公司的LM2576S-ADJ單片降壓式穩(wěn)壓器，輸出電壓可調(diào)，利用兩個比例電阻的比例來使輸出電壓為4V。圖5為4V電源電路設計，其中VTP為9V電源供電。

圖5 GTM900C電源供電電路

3 監(jiān)測中心軟件設計

3.1 終端控制模塊程序設計

程序設計主要包括系統(tǒng)的初始化和S3C2440與GTM900C模塊通信，系統(tǒng)初始化主要進行內(nèi)部寄存器初始化、I/O端口的初始化、配置外圍地址空間、設置異常向量等。S3C2440與GTM900C通過串口進行通信，處理器通過發(fā)送AT指令來控制GPRS模塊與監(jiān)測中心軟件建立數(shù)據(jù)連接。

本設計中S3C2440需要對GTM900C發(fā)送一些AT指令，主要介紹如下：

1）AT%ETCPIP命令用于實現(xiàn)PDP激活和TCP/IP的初始化，是使用TCP/IP功能前必須完成的一步操作。

2）AT%IPOPEN命令用于打開一條TCP或者UDP鏈接命令。主要參數(shù)包括打開的鏈接號、連接的IP地址、對應的IP端口、鏈接類型等。

3）AT%IPCLOSE命令用于實現(xiàn)關閉一條鏈接功能。

4）AT%IPSENDX命令用于發(fā)送數(shù)據(jù)到已經(jīng)打開的TCP/UDP鏈接。

5）AT%IPDR命令用于讀取接收緩存中的數(shù)據(jù)包，默認讀取緩存中首包為未讀數(shù)據(jù)包。

3.2 監(jiān)測中心通訊程序設計

GPRS DTU與監(jiān)測中心通訊功能的設計，是在C++builder2010開發(fā)環(huán)境下完成的。實現(xiàn)中心對多點的對等數(shù)據(jù)傳輸，利用動態(tài)庫底層驅(qū)動自動完成DTU的自動連接與數(shù)據(jù)交互。程序包括向指定終端發(fā)送數(shù)據(jù)或定時群發(fā)、查詢設備上線通知、關閉指定或關閉所有終端連接、終端上傳數(shù)據(jù)處理等功能。發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖如圖6所示。

圖6 DTU發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

監(jiān)測中心設備與各站DTU之間數(shù)據(jù)以Modbus-RTU方式傳輸，通過監(jiān)測中心主機定時循環(huán)發(fā)送查詢消息得到各站DTU的回應消息。

表1 Modbus-R TU的幀格式

程序通過Start_Dsc_Server函數(shù)來啟動服務，啟動服務后主窗口通過響應消息函數(shù)和底層服務通訊。通過Stop_Dsc_Server函數(shù)停止服務，斷開并禁止所有DTU連接。利用Send_All_Dev函數(shù)向DTU發(fā)送查詢信息。通過Get_Dev_Status函數(shù)來查詢DTU設備是否在線。

DTU報道信息結構：

typedef struct DTU_LOGIN_INFO

{

unsigned char Dtu_Imei[15];

//設備標識，不足15字節(jié)時末端補0

unsigned char Dtu_Iccid[20];

//設備卡號，不足20字節(jié)時末端補0

unsigned char Dtu_Name[32];

//設備名稱，不足32字節(jié)時末端補0

unsigned char Dtu_IP [15];

//設備IP，不足15字節(jié)時末端補0

unsigned char Dtu_Port[2];

//設備端口，高字節(jié)在前，低字節(jié)在后

unsigned char Dtu_NetMode;

//設備網(wǎng)絡模式，1為TCP，2為UDP

unsigned char Dtu_Signal;

//設備信號強度，最大為32

}Login_Info;

DTU數(shù)據(jù)傳輸信息包結構：

typedf struct DTU_DATA_PACK

{

unsigned char Dtu_Imei[15];

//設備標識，不足15字節(jié)末端補0

unsigned int Dtu_Data_Len[2];

//接收設備數(shù)據(jù)的長度

unsigned int Dtu_Data_Buf[Len];

//接收到的數(shù)據(jù)

}Data_Pack;

在網(wǎng)絡中GPRS DTU相當于客戶端，在這里GPRS DTU需要進行參數(shù)設置，主要設置如下：

1）連接方式有兩種方式一種是以固定IP連接數(shù)據(jù)中心，這種方式適用在數(shù)據(jù)中心有固定的IP地址。另一種是以域名的方式連接數(shù)據(jù)中心，在數(shù)據(jù)中心沒有固定IP而有域名時適用。如果數(shù)據(jù)中心既沒有IP地址也沒有域名，可以選用動態(tài)域名來代替。本文采用有固定IP地址的方式。

2）連接協(xié)議一種是以TCP方式連接數(shù)據(jù)中心，另一種是以UDP方式連接數(shù)據(jù)中心。連接協(xié)議需要與數(shù)據(jù)中心軟件保持一致，不同的協(xié)議適用于不同的場合。TCP協(xié)議適用于數(shù)據(jù)差錯和順序要求較高的場合，其好處是保證數(shù)據(jù)的正確性和合順序性。UDP協(xié)議適應于數(shù)據(jù)的正確性和順序要求不高的場合，其好處是帶寬利用率高。本文采用TCP方式連接數(shù)據(jù)中心。

3）心跳包的時間設置，GPRS網(wǎng)絡的特點是，如果長時間沒有數(shù)據(jù)通信，那么移動網(wǎng)關將斷開GPRS DTU與數(shù)據(jù)中心的連接。為了保持DTU的永久在線，采用設置心跳間隔，設置間隔一定的時間向數(shù)據(jù)中心發(fā)送一個心跳包，已保證移動運營商斷開。經(jīng)測試心跳間隔為25分鐘（吉林市）可以達到永久在線的要求。

4）本地站號的設置，本地站號位設備內(nèi)部Modbus協(xié)議地址，供監(jiān)測中心軟件區(qū)分各個熱力站，站號范圍1～255。

4 熱網(wǎng)遠程監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

熱網(wǎng)遠程監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在吉林市安裝使用，吉林市供熱站多而且分散。為了解決人工監(jiān)測造成的數(shù)據(jù)準確度低，上報不及時等問題。設計了一套熱網(wǎng)遠程監(jiān)測系統(tǒng)，采用GPRS無線傳輸方式，成功實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測。圖7是熱網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)界面。

熱網(wǎng)遠程監(jiān)測管理軟件主要包括以下部分：

1）系統(tǒng)管理：各個熱力站基本信息的管理。

2）供熱管理：主要包括各熱力站的運行基礎參數(shù)、室溫度顯示與分析、供熱質(zhì)量分析和熱源數(shù)據(jù)分析四大部分。完成供熱站運行數(shù)據(jù)的實時顯示和歷史數(shù)據(jù)查詢、供熱管線分析、熱源數(shù)據(jù)分析等功能。

3）政府監(jiān)管：包括基礎數(shù)據(jù)、批量登記、問題登記、登記管理統(tǒng)計分析等部分。主要功能是對各熱力公司的供熱質(zhì)量進行監(jiān)管，供熱質(zhì)量報警、問題登記、問題反饋等。

4）系統(tǒng)工具：提供一些供熱條例，超級管理員權限（包括修改密碼，增加操作員，刪除數(shù)據(jù)等工作）等工具。

圖7 熱力站的實時數(shù)據(jù)

5 結論

基于GPRS技術的熱網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)不僅結構簡單，而且能滿足監(jiān)測數(shù)據(jù)實時通訊的需要。采用B/S結構讓熱網(wǎng)監(jiān)測使用更加方便有效，為實現(xiàn)熱網(wǎng)的信息化提供可行性基礎。投運期間系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，滿足了熱網(wǎng)遠程網(wǎng)監(jiān)測的要求，具有廣闊的應用前景。在已經(jīng)到來的3G時代，帶寬和數(shù)據(jù)速率的大幅度提高，熱網(wǎng)遠程視頻監(jiān)測等技術將會有更大的挖掘潛力。

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