基于GPRS無(wú)線室溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及供熱管網(wǎng)自控調(diào)節(jié)

杜野

[摘? ? 要]主要描述了無(wú)線室溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集層、傳輸層、管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)，將用戶室溫作為一個(gè)參考量，對(duì)熱力站供熱參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

[關(guān)鍵詞]GPRS;室溫?cái)?shù)據(jù);自控調(diào)節(jié)

[中圖分類(lèi)號(hào)]TP274 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）04–00–03

Design of Wireless Room Temperature Monitoring System Based on GPRS and the Self-Control Adjustment of Heating Pipe Network

Du Ye

[Abstract]This paper mainly describes the design of the collection layer， the transmission layer and the management platform of the wireless room temperature monitoring system， and discusses the fine-tuning of the heating parameters of the heating power station with the user room temperature as a reference.

[Keywords]GPRS; room temperature data; self-control adjustment

供熱系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已成為我國(guó)節(jié)能減排的關(guān)注重點(diǎn)。目前的供熱系統(tǒng)中，缺乏有效、便利的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，供熱公司很難實(shí)時(shí)了解熱用戶的室溫情況，不能夠及時(shí)依據(jù)用戶室溫的變化對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，造成供熱效果不均衡，能源消耗提高。因此，采用科學(xué)的、有效的用戶室溫監(jiān)測(cè)手段對(duì)熱用戶室內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)是十分必要和有效的。

1 無(wú)線室溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無(wú)線室溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體技術(shù)框架可分為采集層、傳輸層和數(shù)據(jù)層三大部分?？傮w技術(shù)框架如圖1所示。

1.1 采集層

現(xiàn)場(chǎng)采集部分由無(wú)線室溫監(jiān)測(cè)裝置組成，通過(guò)傳感器將用戶室溫?cái)?shù)據(jù)收集轉(zhuǎn)化后，經(jīng)由GPRS模塊發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。

1.2 傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸部分采用運(yùn)營(yíng)商提供的GPRS網(wǎng)絡(luò)，采用專(zhuān)用APN與公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離，確保數(shù)據(jù)的安全傳送。

1.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層由數(shù)據(jù)采集軟件及數(shù)據(jù)管理平臺(tái)組成。無(wú)線遠(yuǎn)程室溫監(jiān)測(cè)設(shè)備定時(shí)傳輸居民家里面的溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行采集整理并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)，室溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)通過(guò)調(diào)用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)曲線的繪制，各類(lèi)報(bào)表的生成。參數(shù)配置軟件通過(guò)與室溫監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，給室溫監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的指令，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心工作人員對(duì)無(wú)線遠(yuǎn)程室溫監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行遠(yuǎn)程操作與管理。

2 采集設(shè)備的詳細(xì)設(shè)計(jì)

室溫監(jiān)測(cè)設(shè)備由低功耗中央處理器（CPU）、液晶顯示屏（LCD）、GPRS通信模塊、溫度傳感器、手機(jī)卡、大容量鋰電池和其他相關(guān)輔助模塊組成。將設(shè)備安裝在被監(jiān)測(cè)溫度居民家里，設(shè)備通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定時(shí)傳輸設(shè)備所在居民家中的溫度數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)服務(wù)器，這樣監(jiān)控中心工作人員就能即時(shí)了解到居民家中溫度變化情況，并據(jù)此做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。供暖季結(jié)束時(shí)，還可以對(duì)設(shè)備遠(yuǎn)程進(jìn)行休眠指令操作，使其功耗降至最低，延長(zhǎng)電池使用壽命;同樣在新的供暖季即將開(kāi)始時(shí)，要對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程喚醒指令操作，使其開(kāi)始正常工作，采集裝置具體工作流程如圖2所示。

3 傳輸層的總體設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心需要安裝一條APN光纜，用來(lái)接入運(yùn)營(yíng)商GPRS網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)固定IP地址連接雙方互聯(lián)路由器，通過(guò)GRE隧道連接運(yùn)營(yíng)商互聯(lián)路由器與GGNS。并申請(qǐng)專(zhuān)用的APN。用于GPRS專(zhuān)網(wǎng)的SIM卡僅開(kāi)通該專(zhuān)用APN，限制使用其他APN。得到APN后，給所有現(xiàn)場(chǎng)采集點(diǎn)及數(shù)據(jù)中心分配移動(dòng)內(nèi)部固定IP。通過(guò)端到端加密的方式連接運(yùn)營(yíng)商終端和服務(wù)器平臺(tái)，有效地保護(hù)數(shù)據(jù)，使其在傳輸過(guò)程中不會(huì)泄露。兩側(cè)采用防火墻進(jìn)行隔離，并在防火墻上設(shè)置IP地址和端口過(guò)濾。

本系統(tǒng)具體組網(wǎng)如圖3所示。測(cè)溫設(shè)備通過(guò)專(zhuān)用APN接入運(yùn)營(yíng)商GPRS網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)移動(dòng)基站連接到運(yùn)營(yíng)商GGSN。GGSN是網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)，起網(wǎng)關(guān)作用，它可以和多種不同的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接。通過(guò)運(yùn)營(yíng)商GGSN與SGSN相連接。SGSN服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)，作為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)分組域設(shè)備重要組成部分，主要完成分組數(shù)據(jù)包的路由轉(zhuǎn)發(fā)、移動(dòng)性管理、會(huì)話管理、邏輯鏈路管理、鑒權(quán)和加密、話單產(chǎn)生和輸出等功能。SGSN與GGSN配合，共同完成移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)分組業(yè)務(wù)，將GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)光纖專(zhuān)線組成統(tǒng)一的虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，完成測(cè)溫設(shè)備與數(shù)據(jù)服務(wù)器組網(wǎng)工作，使得測(cè)溫設(shè)備采集到的溫度數(shù)據(jù)成功上傳數(shù)據(jù)服務(wù)器。

4 數(shù)據(jù)管理平臺(tái)模塊及功能設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理平臺(tái)由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊、歷史數(shù)據(jù)模塊、報(bào)警信息模塊、室溫報(bào)表模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、參數(shù)配置模塊、分布圖模塊7大模塊組成，有些功能下面還有諸多子功能模塊。

4.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊要求顯示測(cè)溫設(shè)備的編號(hào)、安裝地址及目前室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)。超過(guò)20 ℃的用紅色字體表示，低于16℃的用藍(lán)色字體表示，溫度在16 ～20 ℃的用黑色字體表示。

4.2 歷史數(shù)據(jù)模塊

歷史數(shù)據(jù)模塊要求可以顯示單個(gè)設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)曲線，規(guī)定兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，繪制2 h間節(jié)點(diǎn)間的歷史數(shù)據(jù)曲線圖。

4.3 報(bào)警信息模塊

報(bào)警信息模塊要求顯示測(cè)溫設(shè)備的所有報(bào)警信息，包括超溫報(bào)警、低溫報(bào)警、離線報(bào)警等設(shè)備異常報(bào)警。

4.4 室溫報(bào)表模塊

選擇兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，將兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)間的歷史溫度數(shù)據(jù)以報(bào)表方式生成，供供熱公司人員進(jìn)行分析。

4.5 數(shù)據(jù)分析模塊

包括信號(hào)強(qiáng)度分析、電池電量分析、供熱日平均溫度計(jì)月平均溫度等數(shù)據(jù)分析功能。

4.6 參數(shù)配置模塊

通過(guò)參數(shù)配置模塊，管理員可以對(duì)測(cè)溫設(shè)備所有信息進(jìn)行添加、刪除及修改操作。

4.7 分布圖模塊

分布圖模塊可以顯示測(cè)溫設(shè)備的地理信息，在鼠標(biāo)指向時(shí)可以顯示測(cè)溫點(diǎn)的編號(hào)、地址及溫度信息等。

5 無(wú)線室溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)參與管網(wǎng)自控調(diào)節(jié)的探討

全網(wǎng)平衡軟件根據(jù)供熱面積、室外溫度、出入口壓力溫度等供熱參數(shù)，對(duì)所有熱力站工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到平衡供熱的目的。在全網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，加入如下算法對(duì)單個(gè)熱力站供熱參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

5.1 通過(guò)閥門(mén)開(kāi)度對(duì)總熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)

Q=Cm（tg-th） （1）

（2）

（3）

通過(guò)以上公式可以得出

（4）

Q為熱量;C為水的比熱;m為質(zhì)量;tg為熱力站一次網(wǎng)供水溫度;th為熱力站一次網(wǎng)回水溫度;v為流速;r為管徑;H為閥門(mén)開(kāi)度。

在供熱管網(wǎng)中，熱力站一次網(wǎng)供回水溫度，管網(wǎng)內(nèi)流速都是通過(guò)全網(wǎng)平衡軟件控制的，在一定時(shí)期內(nèi)為定值。所以要對(duì)熱力站所供熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制閥門(mén)開(kāi)度是最有效的手段。

由于溫度調(diào)節(jié)具有滯后性，調(diào)節(jié)后不會(huì)短時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化，且經(jīng)常性的調(diào)節(jié)供熱參數(shù)對(duì)供熱管網(wǎng)及穩(wěn)定供熱都是不利的，所以采取每15 d進(jìn)行一次調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過(guò)程分為兩步進(jìn)行。

5.2 通過(guò)如下算法判斷是否需要進(jìn)行調(diào)節(jié)

（5）

t1為某測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度;t0為所有測(cè)點(diǎn)平均溫度。

由于溫度調(diào)節(jié)具有滯后性，且人體對(duì)外界溫度感受的不敏感性，所測(cè)點(diǎn)溫度t1在與所有測(cè)點(diǎn)平均溫度t0相差2 ℃以內(nèi)，認(rèn)為此測(cè)點(diǎn)不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。如相差2℃以上，人體會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱或者過(guò)冷的不適感覺(jué)，就需要對(duì)供熱參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

5.3 通過(guò)如下算法對(duì)熱力站閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行微調(diào)

（6）

H為調(diào)節(jié)后閥門(mén)開(kāi)度;H0為調(diào)節(jié)前閥門(mén)開(kāi)度;t1為某測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度;t0為所有測(cè)點(diǎn)平均溫度。

通過(guò)此算法對(duì)熱力站一次網(wǎng)進(jìn)口閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制進(jìn)入熱力站的熱量總量，以達(dá)到調(diào)節(jié)供熱溫度的目的。

假設(shè)調(diào)節(jié)前閥門(mén)開(kāi)度H0為50%，所有測(cè)點(diǎn)平均溫度t0為20℃，某測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度t1為24℃，調(diào)節(jié)后閥門(mén)開(kāi)度為調(diào)節(jié)前的80%，調(diào)節(jié)后閥門(mén)開(kāi)度H0為40%。通過(guò)閥門(mén)調(diào)節(jié)使得調(diào)節(jié)后所供熱量也將為調(diào)節(jié)前的80%，以達(dá)到降低供熱溫度的目的。

假設(shè)調(diào)節(jié)前閥門(mén)開(kāi)度H0為50%，所有測(cè)點(diǎn)平均溫度t0為20℃，某測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度t1為16 ℃，調(diào)節(jié)后閥門(mén)開(kāi)度為調(diào)節(jié)前的120%，調(diào)節(jié)后閥門(mén)開(kāi)度H0為60%。通過(guò)閥門(mén)調(diào)節(jié)使得調(diào)節(jié)后所供熱量也將為調(diào)節(jié)前的120%，以達(dá)到提高供熱溫度的目的。

以上均為理論計(jì)算值，在實(shí)踐中由于各個(gè)建筑的保溫程度不同，房屋結(jié)構(gòu)不同等各種因素作用，還需通過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐積累為調(diào)節(jié)算法加一個(gè)影響系數(shù)，以便對(duì)單個(gè)熱力站進(jìn)行更精確的調(diào)節(jié)。

5.4 熱力站閥門(mén)開(kāi)度微調(diào)算法

（7）

H為調(diào)節(jié)后閥門(mén)開(kāi)度;H0為調(diào)節(jié)前閥門(mén)開(kāi)度;t1為某測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度;t0為所有測(cè)點(diǎn)平均溫度;η為影響系數(shù)。

通過(guò)以上算法即可通過(guò)無(wú)線室溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)溫度數(shù)據(jù)，對(duì)單個(gè)熱力站供熱工況進(jìn)行微調(diào)，以提高供熱質(zhì)量及供熱效率。

在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)用戶無(wú)線室溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與全網(wǎng)平衡系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)熱力站供熱工況的微調(diào)，以達(dá)到更好的供熱效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線遠(yuǎn)程室溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)在整個(gè)供暖用戶中合理地分布建立多個(gè)用戶室溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用GPRS無(wú)線通信技術(shù)將各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度信息發(fā)送到監(jiān)控中心，實(shí)時(shí)持續(xù)地監(jiān)測(cè)居民家中的溫度變化情況，除了可以進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)分析，掌握基本供熱情況外，還可以加入熱網(wǎng)自控系統(tǒng)，作為一個(gè)參考量對(duì)熱力站供熱參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到更加平衡的供熱效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 魏寧，王宇寰，施勇紅.基于GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].北京電子科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（4）：83-86.