熱力供暖狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

金盟，喬毅，蘇明濤

（大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，遼寧大連116028）

熱力供暖狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

金盟，喬毅，蘇明濤

（大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，遼寧大連116028）

定時(shí)監(jiān)控室溫可以有效解決熱力工況不穩(wěn)導(dǎo)致的用戶(hù)供暖效果不均勻的問(wèn)題，基于此，設(shè)計(jì)出了一種遠(yuǎn)程監(jiān)控溫度采集設(shè)備。該系統(tǒng)是基于STM32單片機(jī)和GPRS網(wǎng)絡(luò)的室溫采集與傳輸?shù)慕K端設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)室溫采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸和短信報(bào)警等功能；溫度遠(yuǎn)傳儀配置與調(diào)試軟件通過(guò)串口通信，應(yīng)用于終端設(shè)備的參數(shù)設(shè)置和設(shè)備調(diào)試。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的上位機(jī)，具備溫度數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程控制等功能；室溫監(jiān)測(cè)網(wǎng)站可將存儲(chǔ)入數(shù)據(jù)庫(kù)的溫度數(shù)據(jù)等進(jìn)行處理并以圖表等形式顯示，可供多用戶(hù)監(jiān)測(cè)和分析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息共享，擴(kuò)大了室溫?cái)?shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)范圍。

遠(yuǎn)程監(jiān)控；供暖狀態(tài)；STM32單片機(jī)；GPRS網(wǎng)絡(luò)

在我國(guó)北部地區(qū)，冬季的采暖工作是一個(gè)關(guān)系和涉及民生的關(guān)鍵問(wèn)題，目前室內(nèi)供暖系統(tǒng)溫度的最低標(biāo)準(zhǔn)限定，已經(jīng)由2005年的不得低于16攝氏度標(biāo)準(zhǔn)提高到不得低于18攝氏度[1]。在這種背景下，勢(shì)必要建立一個(gè)科學(xué)快速準(zhǔn)確的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)解決集中供熱過(guò)程中出現(xiàn)的種種問(wèn)題，與此同時(shí)，系統(tǒng)的建立，也便于相關(guān)部門(mén)及時(shí)了解、掌握與監(jiān)督供暖企業(yè)的運(yùn)行狀況，提高供熱管理水平，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗與科學(xué)運(yùn)行提供依據(jù)。而遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)檢測(cè)設(shè)備能夠體現(xiàn)出其在全局控制調(diào)整、系統(tǒng)自適應(yīng)性、安裝成本等方面的巨大優(yōu)勢(shì)。因此在熱力供暖系統(tǒng)中發(fā)展無(wú)線(xiàn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備及其系統(tǒng)具有重要的意義。

文中正是將無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于供暖系統(tǒng)的一種形式。文中將熱力供暖效果遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為上位機(jī)與下位機(jī)兩個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。供暖終端的溫度采集設(shè)備（下位機(jī)）實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)室溫?cái)?shù)據(jù)的采集，利用GPRS技術(shù)和Internet技術(shù)與計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸，將數(shù)據(jù)記錄于數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)供相關(guān)人員的查看與調(diào)用。下位機(jī)同時(shí)可利用SMS（Short Message Serve，短消息服務(wù)）實(shí)現(xiàn)溫度越限的報(bào)警，及時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和情況，能夠有效的提高熱力供暖的安全性和實(shí)時(shí)性[2]。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)旨在通過(guò)在各供暖區(qū)域內(nèi)合理的設(shè)立N個(gè)供暖用戶(hù)室溫的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)室內(nèi)溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集，具有定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到發(fā)送熱力公司的監(jiān)控中心以及溫度超限短信報(bào)警等功能。監(jiān)控中心配備有遠(yuǎn)程室溫的監(jiān)測(cè)軟件和監(jiān)控網(wǎng)站，通過(guò)Internet技術(shù)和GPRS技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與共享，達(dá)到對(duì)供暖溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理的目的[3]。遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

將遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體分為上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。根據(jù)實(shí)際的需求，除了數(shù)據(jù)庫(kù)部分使用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)軟件外，其余部分進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，熱力供暖效果無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要開(kāi)發(fā)具有如下的功能[4]：

系統(tǒng)的下位機(jī)部分：

設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)供暖用戶(hù)終端數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備即溫度遠(yuǎn)傳儀，它能夠定時(shí)精確地采集和存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)，并通過(guò)GPRS通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測(cè)中心的溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件建立連接，進(jìn)行相關(guān)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的通信傳輸，同時(shí)可通過(guò)短信服務(wù)對(duì)指定人員或者用戶(hù)實(shí)現(xiàn)報(bào)警短信的功能；設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)一個(gè)溫度采集終端設(shè)備的設(shè)置及調(diào)試軟件，用戶(hù)能夠簡(jiǎn)單快速的進(jìn)行設(shè)備產(chǎn)品參數(shù)的讀取與設(shè)定[5]。

系統(tǒng)的上位機(jī)部分：

計(jì)與開(kāi)發(fā)一個(gè)基于客戶(hù)端/服務(wù)器（Client/Service，C/S）結(jié)構(gòu)的溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，用于與溫度遠(yuǎn)傳儀建立通信連接，接收相關(guān)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)其至數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表，同時(shí)把溫度數(shù)據(jù)、設(shè)備電量、設(shè)備連接狀態(tài)與時(shí)間等實(shí)時(shí)地以在線(xiàn)設(shè)備列表的形式顯示處來(lái)，以供相關(guān)人員查看。并且能夠使用軟件發(fā)送相應(yīng)的命令指令更改溫度遠(yuǎn)傳儀的設(shè)備參數(shù)等。設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)一個(gè)基于瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Service，B/S）結(jié)構(gòu)的室溫遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)站，以列表和圖形的方式顯示溫度數(shù)據(jù)、設(shè)備電量、設(shè)備狀態(tài)等信息，解決和實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享與分析處理[6]。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)下位機(jī)部分溫度遠(yuǎn)傳儀的硬件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)溫度采集、溫度上傳，實(shí)現(xiàn)對(duì)供暖效果監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。溫度遠(yuǎn)傳儀的硬件主要包括STM32主控制器模塊、GPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊、溫度和電量檢測(cè)模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊、電源模塊、LCD顯示模塊、RTC時(shí)鐘模塊、EEPROM模塊以及下載調(diào)試模塊等。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 核心控制器設(shè)計(jì)

溫度遠(yuǎn)傳儀的主控器模塊使用的MCU是STM32L151C8T6，是意法公司推出的STM32系列處理器。該系列芯片產(chǎn)品成熟，性?xún)r(jià)比高，集成度高，專(zhuān)用于為了滿(mǎn)足能耗低、處理性能強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、價(jià)格低廉的嵌入式場(chǎng)合需求，且STM32系列處理器編程時(shí)可用其自帶的固件庫(kù)，有利于縮短開(kāi)發(fā)周期以及后期的維護(hù)工作[7-8]。

2.3 GPRS無(wú)線(xiàn)模塊

SIM900A是硬件部分的GPRS無(wú)線(xiàn)模塊的核心部分，它是一種雙頻的模塊，工作的頻段分別為：EGSW 900 MHz和DCS 1 800 MHz，可自動(dòng)搜索兩個(gè)頻段，也可通過(guò)AT指令來(lái)設(shè)置頻段，支持GPRS multi-slot class 10（默認(rèn)）/class 8（可選）和GPRS編碼格式CS-1，CS-2，CS-3和CS-4。SIM900A有豐富的硬件接口，具有鍵盤(pán)接口、SPI顯示接口，主串口、調(diào)試串口、一路音頻接口以及多個(gè)可編程通用輸出輸入接口，能夠滿(mǎn)足應(yīng)用模式下的全部需求，且模塊封裝尺寸小，能夠達(dá)到近乎所有應(yīng)用場(chǎng)合中對(duì)空間和尺寸的需求。SIM900A內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議，在數(shù)據(jù)通信方面的應(yīng)用時(shí)使用其擴(kuò)展的相應(yīng)AT指令，能夠方便快速的使用該協(xié)議[9-10]。

2.4 電源模塊

由于系統(tǒng)下位機(jī)的溫度遠(yuǎn)傳儀部分需要持續(xù)不間斷的工作在整個(gè)供暖期，單次工作的時(shí)間較長(zhǎng)，且當(dāng)供暖期結(jié)束之后需要進(jìn)行充電回收，基于這樣的較為特殊工作性質(zhì)，采用鋰電池進(jìn)行設(shè)備的電源進(jìn)行供電更為合適妥當(dāng)。因此，電源模塊分別兩個(gè)部分：鋰電池電源轉(zhuǎn)3.0 V電源電路，用于穩(wěn)定的電源輸出；鋰電池電源充電電路，用于補(bǔ)充鋰電池的電源電量[11]。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程溫度檢測(cè)系統(tǒng)的下位機(jī)部分溫度遠(yuǎn)傳儀的軟件部分是采用ARM公司推出的針對(duì)多種嵌入式控制器的最新軟件開(kāi)發(fā)工具RealView MDK，即微控制器開(kāi)發(fā)工具包，它是專(zhuān)門(mén)用于開(kāi)發(fā)基于ARM內(nèi)核的微控制器，支持包括ARM7、ARM9以及Cortex-M3等核處理器。軟件自身集成諸多的開(kāi)發(fā)套件，易于完成項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，等先前的開(kāi)發(fā)軟件相比，性能得到大幅的提高。MDK具有軟件仿真的功能，通過(guò)仿真，可以檢查程序錯(cuò)誤，提高閃存的使用壽命，MDK同時(shí)也具有支持程序下載和在線(xiàn)調(diào)試功能等[12]。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主流程圖

3.2 串口命令子程序設(shè)計(jì)

在主程序的流程中檢測(cè)到串口已經(jīng)準(zhǔn)備好，則進(jìn)入到監(jiān)視串口命令子程序，串口命令子程序主要的功能是與下位機(jī)部分溫度遠(yuǎn)傳儀配置與調(diào)試軟件進(jìn)行串口通訊，達(dá)到對(duì)終端設(shè)備參數(shù)設(shè)定的目的。流程圖如圖5所示。

圖5 串口命令子程序流程圖

3.3 短信報(bào)警子程序設(shè)計(jì)

短信報(bào)警子程序設(shè)定有高報(bào)溫度、低報(bào)溫度還有回差溫度。3個(gè)溫度的關(guān)系如下[13]：

l）當(dāng)室溫溫度高于高報(bào)溫度時(shí)，產(chǎn)生高溫報(bào)警且發(fā)送報(bào)警短信；當(dāng)溫度低于高報(bào)溫度減去回差溫度時(shí)，高溫報(bào)警取消；

2）當(dāng)室溫溫度低于低報(bào)溫度時(shí)，產(chǎn)生低溫報(bào)警且發(fā)送報(bào)警短信；當(dāng)溫度高于低報(bào)溫度加上回差溫度時(shí)，高溫報(bào)警取消。

短信報(bào)警子程序的開(kāi)始為了避免重復(fù)發(fā)送報(bào)警短信的情況，首先通過(guò)高報(bào)標(biāo)志位檢測(cè)高報(bào)短信是否已經(jīng)發(fā)送，如果已經(jīng)發(fā)送，則檢測(cè)和比較室溫與高報(bào)溫度減去回差溫度的差值的大小，根據(jù)兩個(gè)數(shù)值的大小情況決定高報(bào)標(biāo)志位是否置0；高報(bào)短信沒(méi)發(fā)送，則檢測(cè)和比較室溫與高報(bào)溫度值的大小，根據(jù)兩個(gè)數(shù)值的大小情況決定是否發(fā)送短信和高報(bào)標(biāo)志位是否置1。隨后進(jìn)行低溫報(bào)警的檢測(cè)[14]，流程與上述高溫報(bào)警的一致，短信報(bào)警子程序的整體流程圖如圖6所示。

3.4 系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

室溫遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)網(wǎng)站的用戶(hù)管理模塊主要包括用戶(hù)登錄和用戶(hù)注冊(cè)的功能。網(wǎng)站登錄功能頁(yè)面如圖7所示，登錄到室溫監(jiān)控網(wǎng)站主頁(yè)面，使用網(wǎng)站的監(jiān)控功能，是需要輸入正確的用戶(hù)名和密碼的，否則是無(wú)法進(jìn)入的。這樣既可以保證網(wǎng)站和數(shù)據(jù)的安全性，又能保證整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行的性能和穩(wěn)定性。同時(shí)，可以通過(guò)填寫(xiě)相應(yīng)的注冊(cè)信息申請(qǐng)使用監(jiān)控網(wǎng)站的權(quán)限，經(jīng)過(guò)監(jiān)控網(wǎng)站的管理人員驗(yàn)證核實(shí)后，將用戶(hù)數(shù)據(jù)加入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，就能夠正式登錄，使用監(jiān)控網(wǎng)站的各項(xiàng)功能了[15]。

圖6 短信報(bào)警子程序流程圖

圖7 系統(tǒng)上位機(jī)界面

4 結(jié) 論

本文針對(duì)集中供熱效果不均勻的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)了基于GPRS無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的室溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，旨在對(duì)熱力供暖的效果進(jìn)行檢測(cè)，提高與保證了室溫監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性與可靠性，豐富了熱網(wǎng)調(diào)控設(shè)備范圍。室溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的功能需求，并且已經(jīng)在大連市某國(guó)有供熱公司投入使用。

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Design and realization of remote monitoring system for heating condition

JIN Meng，QIAO Yi，SU Ming?tao
（School of Electronics and Information Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian116028，China）

Based on the thermal condition of instability caused by the uneven heating effect of user problems，a remote monitoring temperature acquisition device has been designed.System is based on the STM32 MCU and GPRS network room temperature acquisition and transmission of terminal equipment，to achieve room temperature acquisition，data display，data transmission and SMS alarm functions；temperature far eastone instrument configuration and debugging software is based on the serial port communication，applied to terminal equipment parameter Settings and equipment debugging.The corresponding upper machine system design，with temperature data receiving，data storage and remote control functions；room temperature monitoring the temperature of the site can be stored into the database data processed and displayed in the form of chart，etc，such as monitoring and analysis of data for multiple users，the information sharing，data on expanding our scope of monitoring the temperature data.

remote monitoring；heating status；STM32 microcontroller；GPRS network

TN91

A

1674-6236（2017）22-0131-05

2016-09-19稿件編號(hào)：201609169

金盟（1992—），男，遼寧大連人，碩士研究生。研究方向：綜合自動(dòng)化和先進(jìn)控制技術(shù)。