基于GPRS通信技術(shù)的熱網(wǎng)紅外測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 針對城市熱網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測困難，便捷高效、遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測設(shè)備短缺等突出問題，將遠(yuǎn)程通信及紅外測溫技術(shù)應(yīng)用于熱網(wǎng)溫度監(jiān)測中，設(shè)計(jì)了一種基于GPRS通信技術(shù)的熱網(wǎng)紅外測溫系統(tǒng)。以MLX90614紅外測溫傳感器獲取熱網(wǎng)觀測點(diǎn)的溫度信息并傳輸至低功耗單片機(jī)MSP430F169做解碼處理，采用GPRS通信模塊SIM900A，將解碼數(shù)據(jù)發(fā)送至固定管理平臺或移動管理終端，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測點(diǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，多點(diǎn)布控可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測。同時(shí)，每個(gè)監(jiān)測終端可實(shí)時(shí)顯示測溫結(jié)果，便于現(xiàn)場觀測與維護(hù)。測試實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)溫度信息采集準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，可滿足目前城市熱網(wǎng)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測的需求。

關(guān)鍵詞： 紅外測溫； 供熱管網(wǎng)； 遠(yuǎn)程監(jiān)測； 單片機(jī)； GPRS通信

中圖分類號： TN98?34； TP873 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）02?0119?03

Design of GPRS communication technology based infrared temperature measurement system for heat?supply network

ZHANG Shujuan1， 2， GE Wei1， 2， ZHU Jianjun1， 2， LI Ruibiao1， 2

（1. College of Underwater Acoustic Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China；

2. Key Laboratory of Underwater Acoustic Science and Technology， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China）

Abstract： For the prominent problems that the city heat?supply network is hard to monitor in real?time and lacks of the convenient and efficient remote temperature monitoring equipment， the infrared temperature measurement system for heat?supply network based on GPRS communication technology was designed by combining the remote communication with infrared temperature measurement technology. The temperature information of the heat?supply network observation point is acquired by means of MLX90614 infrared temperature sensor， and transmitted to the low?power consumption microcontroller MSP430F169 for decoding. The decoded data is sent to the fixed management platform or mobile management terminal by GPRS communication module to realize remote monitoring of the observation point. The multi?point monitoring can be realized by multi?point deploy and control. Each monitoring terminal can display the temperature measurement results in real?time， which is convenient for field observation and maintenance. The testing experiment results indicate that the system can perform accurate temperature information collection and stable data transmission， which can satisfy the need of real?time remote monitoring for city heat?supply network.

Keywords： infrared temperature measurement； heat?supply network； remote monitoring； microcontroller； GPRS communication

0 引 言

目前，我國北方地區(qū)冬季供暖系統(tǒng)大多采用大規(guī)模熱網(wǎng)集中供熱方式[1]，實(shí)時(shí)了解用戶室內(nèi)熱網(wǎng)溫度信息是供暖中心做出溫度調(diào)控的最有效參數(shù)之一。傳統(tǒng)的人工熱網(wǎng)管理維護(hù)存在信息統(tǒng)計(jì)與反饋滯后、工作效率低等問題，已無法滿足日益增大的大規(guī)模城市熱網(wǎng)管理需求，亟需尋求一種實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效、便捷的多點(diǎn)、全方位熱網(wǎng)溫度遠(yuǎn)程監(jiān)測方案。目前，已有研究人員提出將現(xiàn)代化技術(shù)應(yīng)用于熱網(wǎng)管理[2?6]，但針對實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效、便捷的熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測實(shí)施方案及設(shè)備的研究較少。針對這一現(xiàn)狀，本文結(jié)合紅外測溫技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)以及移動通信理念，提出適用于大規(guī)模城市熱網(wǎng)溫度監(jiān)測的遠(yuǎn)程監(jiān)測方案，并對用戶終端紅外測溫系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)以及實(shí)驗(yàn)研究。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)方案

基于GPRS通信技術(shù)的熱網(wǎng)溫度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下四部分組成：監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器、GPRS Modem、GPRS網(wǎng)絡(luò)和用戶終端紅外測溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要通過遠(yuǎn)端的紅外測溫系統(tǒng)對被監(jiān)測熱網(wǎng)的溫度參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，可設(shè)定閾值，以便待超過規(guī)定溫度范圍時(shí)實(shí)施報(bào)警，也可通過短信對檢測信息進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢。具體將傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)SIM900A通信模塊傳送至GPRS網(wǎng)絡(luò)，最終到達(dá)遠(yuǎn)端監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，做出相應(yīng)處理。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 紅外測溫遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2 紅外測溫系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括：紅外溫度傳感器及測量模塊、MSP430F169單片機(jī)控制模塊、GPRS通信模塊以及其他功能電路擴(kuò)展等單元的設(shè)計(jì)。紅外測溫系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 紅外測溫系統(tǒng)硬件框圖

2.1 紅外測溫模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的紅外溫度傳感器采用Melexis公司生產(chǎn)的MLX90614系列測溫芯片，測溫精度可以達(dá)到0.01 ℃，允許-40～125 ℃超大供需范圍，以及-70～380 ℃的擴(kuò)展物體溫度范圍。MLX90614系列芯片由紅外溫度傳感器、低噪聲放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP單元、脈寬調(diào)制電路及邏輯控制電路構(gòu)成。熱電耦輸出的溫度信號經(jīng)過內(nèi)部高性能、低噪聲的運(yùn)算放大器放大后，送給數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（ADC），ADC輸出的17位數(shù)字量經(jīng)過可編程FIR和IIR低通濾波器處理后輸出。該輸出作為測量結(jié)果保存在MLX90614內(nèi)部RAM存儲單元中，可以通過SMBus讀取，單片機(jī)通過讀取不同的地址單元，每條總線上最多可以搭載127片MLX90614，在實(shí)現(xiàn)溫度測量網(wǎng)絡(luò)化的同時(shí)還可以節(jié)省單片機(jī)的引腳資源，為其他功能的實(shí)現(xiàn)留出更多的硬件資源；同時(shí)測量結(jié)果送到后級數(shù)字式脈沖寬度調(diào)制電路，將測量結(jié)果以PWM的方式輸出[7]，與單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無縫連接，MLX90614與單片機(jī)連接電路如圖3所示。

圖3 MLX90614與單片機(jī)連接電路圖

2.2 MSP430F169單片機(jī)模塊

中心處理器MSP430F169是TI公司MSP430系列中的一款16位超低功耗的混合信號處理器，其功耗可以達(dá)到μA級。它的電源電壓采用1.8～3.6 V低電壓，RAM 數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1 μA，活動模式耗電250 pA/MIPS，擁有5種低功耗模式（LPM0至LPM4）[8]。整個(gè)系統(tǒng)采用了低功耗設(shè)計(jì)理念，單片機(jī)模塊向測溫傳感器發(fā)送控制命令，控制測溫傳感器的工作狀態(tài)（睡眠和喚醒模式）和數(shù)據(jù)讀取，當(dāng)接收到測溫傳感器的數(shù)據(jù)后進(jìn)行解碼，然后通過GPRS通信模塊發(fā)送至移動管理終端。這種設(shè)計(jì)方式，可以降低系統(tǒng)功耗，延長電池系統(tǒng)的使用時(shí)間。

2.3 GPRS通信模塊

GPRS通信模塊采用SIMCom公司的新型緊湊型產(chǎn)品SIM900A，它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用STM封裝，性能穩(wěn)定，外觀精巧，性價(jià)比高，SIM900A采用省電技術(shù)設(shè)計(jì)，在SLEEP模式下最低耗流只有1 mA，非常適合電池供電系統(tǒng)[9]。此外，該模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，擴(kuò)展的TCP/IP命令讓用戶能夠很容易使用TCP/IP協(xié)議，方便用戶做數(shù)據(jù)傳輸方面的應(yīng)用。通過AT命令進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，SIM900A將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)、GSM射頻處理、基帶處理并提供標(biāo)準(zhǔn)接口的功能模塊。可以實(shí)現(xiàn)收發(fā)短信、GPRS通信等功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括溫度測量、數(shù)據(jù)采集處理、GPRS通信以及其他功能等部分軟件的設(shè)計(jì)。MLX90614通過SMBus總線協(xié)議與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。在本系統(tǒng)中單片機(jī)作為主設(shè)備，MLX90614作為從設(shè)備，在每個(gè)測溫終端可以有多個(gè)MLX90614器件，每個(gè)器件可以通過E2PROM中的00EH單元設(shè)定其地址。單片機(jī)可通過地址來訪問不同的MLX90614器件，并將采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理之后，通過AT指令初始化通信模塊SIM900A，使其連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，并獲得動態(tài)IP地址，實(shí)現(xiàn)用戶測溫系統(tǒng)終端與服務(wù)器之間建立信息連接[10]。為了降低系統(tǒng)功耗，控制程序采取精細(xì)功耗管理模式。基于中斷結(jié)構(gòu)的測溫程序與MSP430F169微控制器的多種低功耗休眠模式以及MLX90614的睡眠模式相結(jié)合，可以提供一個(gè)最小功耗測量網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

圖4（a）中主循環(huán)的定時(shí)間隔是由MSP430F169中的16位硬件定時(shí)器Timer_A以增計(jì)數(shù)模式完成。實(shí)驗(yàn)中定時(shí)間隔設(shè)為60 s，每隔60 s系統(tǒng)便進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。這樣每次MLX90614間隔睡眠模式工作，測量溫度的時(shí)間間隔為60 s，完全滿足不同精度下MLX90614對轉(zhuǎn)換時(shí)間的要求，同時(shí)亦能滿足監(jiān)控中心對測試數(shù)據(jù)頻率的要求。

單片機(jī)控制MLX90614測溫部分程序代碼如下：

uint readtemp（void） //讀溫度數(shù)據(jù)

{

SCK=0； //時(shí)鐘線置低

start（）； //開始條件

SendByte（0x00）； //發(fā)送從地址00 SendByte（0x07）； //發(fā)送命令

start（）； //開始條件

SendByte（0x01）； //讀從地址00

bit_out=0； //數(shù)據(jù)標(biāo)志位

tempL=ReadByte（）； //讀數(shù)據(jù)低字節(jié)

bit_out=0；

tempH=ReadByte（）； //讀數(shù)據(jù)高字節(jié)

bit_out=1；

err=ReadByte（）； //讀錯(cuò)誤信息碼

stop（）； //停止條件

return（tempH*256+tempL）；

}

AT指令初始化通信模塊SIM900A的部分程序代碼如下：

if（Work_Mode==1） //判斷GPRS工作模式

{

Gprs_At_Command（9，AT_CloseIp，50）； //關(guān)閉IP連接

Gprs_At_Command（20，AT_IpParameters，30）；

//設(shè)置IP參數(shù)：等待時(shí)間、重發(fā)次數(shù)等

Gprs_At_Command（5，AT_W，30）； //保存設(shè)置

Gprs_At_Command（strlen（AT_CGDCONT），AT_CGDCONT，100）； //設(shè)置PDP聯(lián)系通道

Gprs_At_Command（13，AT_ActivateIp，100）； //激活I(lǐng)P地址

Tx_Head=AT_OpenIp0[0]；

Data_Cmnd_Snd（34，AT_OpenIp0[1]，1，5）； //連接中心IP

}

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別采用本系統(tǒng)和水銀溫度計(jì)對本單位內(nèi)的多組暖氣的進(jìn)水口和回水口處的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了測量，同時(shí)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。在實(shí)驗(yàn)中，從早上8點(diǎn)至晚上6點(diǎn)，每隔半小時(shí)對暖氣溫度值進(jìn)行水銀溫度計(jì)測量，并與紅外測溫系統(tǒng)顯示溫度對比，其二者測溫誤差不超過0.5 ℃，同時(shí)查看PC機(jī)接收數(shù)據(jù)，與紅外測溫系統(tǒng)顯示溫度完全一致，數(shù)據(jù)傳輸正確率達(dá)到100%。對系統(tǒng)工作電流進(jìn)行了測試，當(dāng)系統(tǒng)工作在休眠模式時(shí)，電流低于5 mA，具有低功耗特點(diǎn)，可延長電池的使用壽命。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的基于GPRS通信技術(shù)的熱網(wǎng)紅外測溫系統(tǒng)將MSP430F169微控制器、MLX90614紅外溫度傳感器和SIM9000A 模塊相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一種低功耗無線遠(yuǎn)程紅外測溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：在信號覆蓋范圍內(nèi)不會受到用戶終端距離和區(qū)域條件的限制，供暖監(jiān)控區(qū)域廣泛；實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸量大且費(fèi)用比較合理；測溫精準(zhǔn)，測溫精度可以控制在0.5 ℃以內(nèi)；為供暖監(jiān)控系統(tǒng)提供了一個(gè)無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方案，與有線網(wǎng)相比，節(jié)省了線路投資成本。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，研究成果為城鎮(zhèn)集中供暖系統(tǒng)提供了一種實(shí)時(shí)、便捷、高效的多點(diǎn)、全方位的熱網(wǎng)紅外溫度監(jiān)測方案，具有較好的可擴(kuò)展性。

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