基于GPRS傳輸模式的綠色智能建筑能耗采集器設(shè)計

于雪+韓樂樂+魯艷慧

摘 要：目前常用的建筑能耗采集器多是上位機通過485或232總線直接連接分布在建筑內(nèi)的儀器儀表，但這種采集方法存在一些缺陷。 首先大量部署485總線會帶來較高的施工成本，同時影響美觀。 另外當環(huán)境惡劣時，該方法布線復(fù)雜，或根本無法實現(xiàn)。 針對上述存在的問題，設(shè)計了一種基于GPRS傳輸模式的綠色智能建筑能耗采集系統(tǒng)。它利用SIM卡短信來設(shè)置通訊，網(wǎng)絡(luò)的保密性好，可靠性高，可實現(xiàn)一點對一點，一點對多點等靈活的組網(wǎng)方式。 在無法布線的情況下能方便的實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線遠傳，容易實現(xiàn)異地和遠程監(jiān)控。 子站GPRS模塊可對室內(nèi)水、電、暖等多種相關(guān)能耗數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，從而實現(xiàn)控制中心對智能建筑內(nèi)的能耗數(shù)據(jù)進行有效的監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：GPRS模塊；綠色智能建筑；建筑能耗采集器；數(shù)據(jù)無線遠傳

中圖分類號：TP334 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）11-0019-02

隨著國家智慧城市建設(shè)的不斷發(fā)展，對智能建筑低能耗的要求越來越高。在現(xiàn)實生活中，若能對建筑內(nèi)的各種能耗數(shù)據(jù)進行有效監(jiān)控和采集，將對智能建筑節(jié)能減排的工作提供巨大的幫助。近年來隨著無線通信技術(shù)[1]的不斷發(fā)展和進步，信息采集系統(tǒng)與通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合正在成為一種新的發(fā)展趨勢。本設(shè)計將GPRS無線通訊技術(shù)[2-4]與綠色智能建筑能耗采集器相結(jié)合，組成無線能耗數(shù)據(jù)采集監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實時對建筑能耗數(shù)據(jù)進行采集和處理。在當今的中國，隨著國家對節(jié)能減排工作的重視，智能建筑能耗采集器具有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景。

1 總體方案選擇與論證

系統(tǒng)總體設(shè)計方案，當儀器儀表接收到相關(guān)指令時，需要將采集的各種相關(guān)能耗數(shù)據(jù)利用RS485接口傳給主控CPU，主控CPU通過RS232串口傳遞給子站GPRS。子站GPRS模塊與主站GPRS模塊的通信通過手機SIM卡的短信功能進行通信，主站GPRS模塊將采集的能耗數(shù)據(jù)經(jīng)由RS232總線傳給上位機（PC）進行處理和存儲。子站GPRS模塊可對室內(nèi)水、電、暖等多種相關(guān)能耗數(shù)據(jù)進行監(jiān)控。

本設(shè)計中一個子站GPRS模塊通過RS232與主控CPU相連，而主控CPU通過485總線與多個儀表通訊。主站GPRS模塊通過SIM卡的短信設(shè)置可以與多個子站GPRS模塊進行通訊，可同時控制多個采集點，進行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)采用ATmegal6作為主控芯片性能可靠，成本較低，功耗低、性價比高。主控CPU采集到能耗數(shù)據(jù)后，通過子站GPRS模塊轉(zhuǎn)SIM卡進行數(shù)據(jù)傳輸，主站GPRS將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，在計算機上對采集到的能耗數(shù)據(jù)進行分析和處理。

2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)通過AVR單片機進行采集，當主站GPRS發(fā)來命令時，通過GSM網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸給子站GPRS模塊，子站GPRS模塊通過232串口線將數(shù)據(jù)傳輸給主控CPU（ATMEGAL16），其接收命令后將信息通過485串口發(fā)送給智能電表進行數(shù)據(jù)采集。當數(shù)據(jù)采集完畢后，子站GPRS在通過短信的方式發(fā)給主站GPRS模塊，最終通過232串口發(fā)給上位機。

數(shù)據(jù)采集主要包括電量采集和溫度采集。電量采集模塊采用智能電表模塊，包括接收模塊及通訊接口，能夠?qū)崟r的將電量數(shù)據(jù)采集，通過RS485串口傳遞給主控CPU。溫度采集模塊使用溫度傳感器DS18B20集成模塊，其在內(nèi)部把所測得溫度信號轉(zhuǎn)換為多位數(shù)字信號，傳遞給主控CPU。其測量溫度范圍為-55℃～125℃，利用單I2C總線協(xié)議，方便硬件的實現(xiàn)。DS18B20智能溫度傳感器，可以直接讀出溫度，并且可根據(jù)實際要求通過程序控制實現(xiàn)溫度的顯示。再具體實施中，我們利用AVR單片機上集成的DS18B20模塊進行溫度數(shù)據(jù)的采集。

3 GPRS模塊通訊

短信模塊G100簡化了通信接口，性能穩(wěn)定可靠，使用方便靈活。短信模塊G100的通信接口可以通過RS232與硬件進行連接，便于操作。采用G100的短信無線數(shù)據(jù)傳輸功能構(gòu)建采集系統(tǒng)時，控制中心只需計算機連接一個G100主模塊即可?？刂浦行模≒C機）可以利用串口將相關(guān)的控制密令傳送給G100主模塊，與G100分模塊的通信，可以利用網(wǎng)絡(luò)運營商的GSM網(wǎng)絡(luò)進行通信。GSM是全球移動通信系統(tǒng)，G100分模塊會將數(shù)據(jù)以短信的形式通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制中心進行處理。當G100分模塊接收到主模塊的相關(guān)指令后，會將指令數(shù)據(jù)通過RS232串口發(fā)送到采集控制器進行數(shù)據(jù)采集。當有數(shù)據(jù)從采集器傳送給G100分模塊時，分模塊利用GSM網(wǎng)絡(luò)的短信的功能與主模塊進行通信。GSM網(wǎng)絡(luò)為用戶提供了一個完全透明的數(shù)據(jù)傳輸通道，只要在GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方，終端設(shè)備無需做任何改動即可搭建一個可靠、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)平臺。

本設(shè)計中，子站GPRS模塊可對多種能耗數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，一個主站GPRS模塊又可與多個子站GPRS模塊通訊。本設(shè)計采用GPRS模塊MC39i，我們通過RS-232串口將其與ATMEGAL16相連，采用標準的命令對其進行控制，同時把采集的信息送到GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

4 GPRS與上位機連接

GPRS模塊接口與計算機進行連接時，由于兩者的電平不匹配，G100模塊采用的是TTL電平（+5V相當于邏輯“1”，0V相當于邏輯“0”），而計算機的接口電平不是TTL電平，這就造成兩者通信電平的不一致，需要進行電平轉(zhuǎn)換。TTL-232轉(zhuǎn)接板有兩種供電的模式，一種直接采用片外電源的方式進行供電，一種是由G100模塊上的電源進行供電，本設(shè)計采用了G100模塊的VOUT輸出5V電源進行供電。

5 測試平臺

系統(tǒng)具體實現(xiàn)，在本設(shè)計中系統(tǒng)采用ATmegal6作為系統(tǒng)控制芯片。采集系統(tǒng)采集到電表和溫度數(shù)據(jù)后，通過子站G100模塊轉(zhuǎn)SIM卡進行數(shù)據(jù)傳輸，主站G100接收數(shù)據(jù)，并通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，進行數(shù)據(jù)的存儲。上位機監(jiān)控軟件用VB程序編寫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收分析存儲與管理，以及針對分析結(jié)果實現(xiàn)對下位機的相應(yīng)控制。本設(shè)計完成了整個數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲的過程，能夠?qū)崟r的對電表和溫度的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控。

在本次的平臺搭建中，我們采用兩個G100模塊，模擬主站GPRS模塊和子站GPRS模塊，采集的數(shù)據(jù)包括電表數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，主控芯片為ATmegal6。電表與AVR單片機之間利用RS485總線進行連接，利用AVR單片機上集成的DS18B20模塊完成溫度數(shù)據(jù)的采集。利用計算機作為控制中心，采用上位機程序?qū)χ髡綠PRS進行相關(guān)數(shù)據(jù)的發(fā)送。本設(shè)計建筑能耗采集器采用GPRS無線通訊，省去了布線的費用，由于不需要鋪設(shè)有線線路，可有效縮短建設(shè)周期，符合當今智能建筑的發(fā)展方向。

6 總結(jié)與展望

本設(shè)計通過能耗采集器對室內(nèi)水、電、暖等多種能耗數(shù)監(jiān)控，通過GPRS模塊SIM卡短信設(shè)置實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸和監(jiān)控，可以擺脫有線通信的制約，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線遠傳。采用無線接入的數(shù)據(jù)采集器，可方便地布署于各種場合，能夠通過PC機對電量、溫度等數(shù)據(jù)進行有效監(jiān)控，實現(xiàn)了一套完整的系統(tǒng)，另外利用GSM網(wǎng)絡(luò)短信進行通信，有效提升了自我防護功能。上位機對采集的能耗數(shù)據(jù)進行處理和存儲，能夠為以后進行數(shù)據(jù)分析提供原始數(shù)據(jù)。同時，硬件和軟件方面具有良好的抗干擾設(shè)計，良好的完成了系統(tǒng)運作，能夠有效的傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了遠程監(jiān)控。綠色節(jié)能建筑是智能建筑發(fā)展的必然趨勢，將會作為現(xiàn)代建筑甚至未來建筑的一個有機組成部分。本系統(tǒng)設(shè)計能夠很好的應(yīng)用到未來智能建筑的發(fā)展，適合于智能建筑的節(jié)能減排。

參考文獻

[1]陳玲，蔣中秋，朱軼.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測中遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)腉PRS實現(xiàn)[J].煤田地質(zhì)與勘探，2008，36（4）：70-72.

[2]范成軍，楊德芳，吳杰，等.基于GPRS的電能表的設(shè)計與實現(xiàn)[J].儀表技術(shù)，2006，（6）：21-23.

[3]代小紅，王光利.基于GPRS技術(shù)的設(shè)備遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].壓電與聲光，2008，30（6）：765-768.

[4]梁娟，王典洪，熊月華.基于GR64模塊的通用GPRS數(shù)傳單元設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007，（2）：48-50.