供熱系統(tǒng)戶用遠(yuǎn)程溫度測量裝置設(shè)計(jì)

張卓林

（吉化股份有限公司有機(jī)合成廠，吉林 132022）

目前在國內(nèi)供熱行業(yè)生產(chǎn)管理過程中，存在著城鎮(zhèn)供熱服務(wù)過程中遇到的供熱效果不易掌握，調(diào)節(jié)供熱糾紛無法提供事實(shí)依據(jù)等問題；而對于供熱企業(yè)來說，也面臨著區(qū)域供熱效果無法量化，不同地點(diǎn)室溫難以同時采集和進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，也就無法有針對性地科學(xué)調(diào)配生產(chǎn)，結(jié)果導(dǎo)致提高供熱效果和降低生產(chǎn)成本兩者無法兼顧[1]。為了解決以上問題，需從技術(shù)上體現(xiàn)用戶故意降低室溫的行為和對用熱終端溫度的不間斷測量，通過無線傳輸方式將溫度和測溫裝置的狀態(tài)信息送至供熱中心[2]，以提供不同供熱時段的溫度響應(yīng)曲線，用于輔助生產(chǎn)調(diào)配和提供供熱糾紛事實(shí)依據(jù)。

1 戶用測溫裝置的結(jié)構(gòu)組成

本文采用如圖1所示的組成結(jié)構(gòu)來完成需求。單片機(jī)選擇STC12C5A60S2，其具有豐富IO資源和雙路UART；測溫元件選擇DS18B20；獲取測溫時刻的日期和時間利用DS1302實(shí)現(xiàn)；為判別用戶是否惡意改變測溫地點(diǎn)（如擱置于溫度較低的陽臺），利用方向探測器RPI1031實(shí)現(xiàn)；在GPRS不可用時，將溫度和時間數(shù)據(jù)就地存儲于芯片AT45DB041中；顯示模塊采用LCD1602；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊選擇SIM300，利用標(biāo)準(zhǔn)AT指令完成與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的TCP連接，將用熱端的日期時間、溫度和裝置方向狀態(tài)所構(gòu)成的數(shù)據(jù)報(bào)文實(shí)時傳送至服務(wù)器。

圖1 溫度測量的組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Component structure of temperature measuring

2 戶用測溫裝置的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 溫度測量及輔助電路

如圖2的電路中，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)溫度的測量、測量時刻的日期時間的獲取、測量時刻測溫裝置的方向信息、以及本地FLASH存儲和顯示。測溫元件選擇數(shù)字式單總線溫度傳感器DS18B20[3]，其溫度測量范圍為-55℃～125℃，其精度可達(dá)±0.0625℃。

圖2 溫度測量及輔助電路Fig.2 Temperature measuring and accessory circuit

為了獲得采集溫度時刻的日期和時間，選擇串行通信的實(shí)時時鐘DS1302[4]，其內(nèi)含時鐘和日歷。通過SCLK和IO實(shí)現(xiàn)對DS1302時鐘寄存器的讀寫操作。利用RPI1031方向傳感器獲取測溫裝置的方向信息[5]，它由發(fā)光二極管、光敏接收三極管以及圓柱型遮光物構(gòu)成。根據(jù)遮擋物所處的4個位置，方向傳感器輸出［0 0］、［0 VDD］、［VDD 0］和［VDD VDD］4個狀態(tài)。若用戶挪動了測量位置，其輸出狀態(tài)將會發(fā)生變化，即可判別是否人為挪動測溫裝置。存儲溫度值和測量時刻的日期和時間利用SPI總線的AT45DB041D存儲器完成[6]，存儲容量為 4 MB，工作電壓為2.7～3.6 V，但所有的引腳均能承受5 V的電壓，可直接和5 V供電的單片機(jī)的I/O口連接，單片機(jī)利用時鐘端SCK、輸入端SI和輸出端SO實(shí)現(xiàn)命令字和地址以及數(shù)據(jù)的輸入和存儲數(shù)據(jù)的讀取。顯示單元選擇LCD1602[7]，用于顯示實(shí)時溫度、日期時間、GPRS連接狀態(tài)、方向狀態(tài)和測溫裝置ID等信息。通過指令數(shù)據(jù)選擇端RS和讀寫控制RW以及并行數(shù)據(jù)口P0完成對顯示地址和內(nèi)容的輸出。

2.2 遠(yuǎn)程傳輸接口電路

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸采用SIM300模塊，它是三頻段GSM/GPRS模塊，內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧和擴(kuò)展了TCP/IP的AT指令，單片機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)串行異步通信控制SIM300，其接口電路如圖3所示。

圖3 SIM300模塊與單片機(jī)接口電路Fig.3 Interface circuit of SIM300 and MCU

SIM300工作電壓為3.4V～4.5 V，VDD_EXT在運(yùn)行時為3.0V輸出，利用P1.1判別SIM300運(yùn)行狀態(tài)。SIM_VDD、SIM_I/O、SIM_CLK和SIM_RST是SIM300對SIM卡提供的I2C協(xié)議的讀寫和控制端口，22 Ω電阻串聯(lián)于SIM卡和模塊之間以匹配阻抗。當(dāng)利用AT指令對SIM卡注冊成功后，利用NetworkLed輸出的VDD_EXT脈沖電壓控制DS2的閃爍指示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。在SIM300上電時，首先利用P3.6控制PWRKEY來打開SIM300，當(dāng)PWRKEY持續(xù)3 s低電平后，SIM300啟動后再置PWRKEY高電平；SIM300提供雙UART，單片機(jī)通過UART1來控制SIM300。

3 遠(yuǎn)程測溫裝置的軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序和定時采集流程設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程測溫裝置軟件包括主程序、定時器T0的中斷服務(wù)程序、TCP連接子程序。主程序流程圖如圖4所示，首先設(shè)置單片機(jī)UART1異步通信工作方式和通信波特率。設(shè)置Timer0定時周期為1 s，用于周期采樣溫度數(shù)據(jù)和實(shí)時時鐘日期時間和方向探測器狀態(tài)以及數(shù)據(jù)顯示；然后讀取E2PROM獲得設(shè)備ID號和服務(wù)器IP地址，該ID同時用于數(shù)據(jù)上傳過程中標(biāo)識數(shù)據(jù)來源。而服務(wù)器IP地址是進(jìn)行TCP連接的必須字段，利用短消息對裝置進(jìn)行設(shè)置。然后啟動SIM300，并通過"AT"指令測試通信，并發(fā)送"AT+CMGF=1x00Dx00A"，將SMS設(shè)置為英文格式。然后建立TCP連接，若連接成功，利用"AT+CIPSENDx00Dx00A"指令發(fā)送溫度報(bào)文。同時判別FLASH中是否存儲有GPRS網(wǎng)絡(luò)不可用時的報(bào)文數(shù)據(jù)，若存在則一并發(fā)送。若TCP連接不可用，需要重新連接。同時查詢是否有設(shè)置服務(wù)器IP的SMS進(jìn)入SIM300，若有則提取IP信息并存儲于E2PROM和建立新的連接。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Main program flow chart

在Timer0中斷服務(wù)程序中分別獲取溫度、方向狀態(tài)和日期時間數(shù)據(jù)，并組建信息報(bào)文，通過主程序中設(shè)置的TCP連接可用標(biāo)志位來決定是否將報(bào)文信息就地存儲，同時就地顯示。

3.2 TCP連接子程序流程設(shè)計(jì)

TCP連接子程序完成對SIM卡的注冊和TCP連接的創(chuàng)建，其工作過程如圖5所示。

圖5 TCP連接子程序流程圖Fig.5 Flow chart of TCP connection program

發(fā)送指令"AT+CREG?x00Dx00A"，通過其返回值是否為"'0''1'"可知SIM卡是否注冊成功；成功后啟動移動場景，發(fā)送"AT+CSTTx00Dx00A"，若返回值為"OK "則啟動成功；成功后發(fā)送激活移動場景指令"AT+CIICRx00Dx00A"，若返回值為"OK "則激活成功；再發(fā)送打開場景指令"AT+CLPORT="TCP"，"PORT_NUMBER"x00Dx00A"，若返回"OK "則打開成功；接著發(fā)送"AT+CIFSRx00Dx00A"獲取本地IP地址，若返回"AL READY CONNECT"則已經(jīng)連接，利用"AT+CIP START="TCP"，"SERVER_IP"，"PORT_NUMBER"x00Dx00A"進(jìn)行TCP連接，若返回值包含"CONNECT"則連接成功。

4 遠(yuǎn)程測溫裝置的功能測試

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器端程序采用VC6.0的套接字線程池偵聽遠(yuǎn)程測溫裝置的連接請求。功能測試過程中首先給遠(yuǎn)程測溫裝置發(fā)送如下SMS：

"IP042.184.026.155MOBILE14745185740"

其中"14745185740"為遠(yuǎn)程測溫裝置手機(jī)號即設(shè)備ID，"042.184.026.155"為服務(wù)器的公網(wǎng)IP地址。LCD1602顯示了當(dāng)前時間、溫度、設(shè)備ID號和方向探測器狀態(tài)和TCP連接狀態(tài)。服務(wù)器端程序?qū)崟r更新來自遠(yuǎn)程測溫裝置傳送的數(shù)據(jù)報(bào)文，同時通過后臺SQL Sever數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)報(bào)文存入相應(yīng)字段。

5 結(jié)語

在當(dāng)前供熱公司利用手持測溫方式的基礎(chǔ)上，引入GPRS通信和方向探測技術(shù)，有效降低了工作量和剔除了人為干擾因素，同時獲取了整個供熱時段的溫度數(shù)據(jù)，更有利于指導(dǎo)供熱生產(chǎn)。通過設(shè)備在哈爾濱熱電廠供熱公司的長時間運(yùn)行，表明該設(shè)計(jì)的有效性和可靠性。

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