供熱系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

摘要：為了適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展和我國(guó)城市供暖體制改革的需要，文中將無(wú)線射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用到供熱系統(tǒng)中，并結(jié)合預(yù)收費(fèi)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)，提出了一種供熱系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案，并給出了整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方法。通過(guò)該終端網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)供熱數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線自動(dòng)傳送，從而為供熱系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，使供熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效調(diào)控，提高節(jié)能減排效果。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；RFID；供熱系統(tǒng)；ZigBee；GPRS

0 引言
    繼互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信之后，物聯(lián)網(wǎng)無(wú)疑是引發(fā)新一輪信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)浪潮的重要產(chǎn)業(yè)，并已經(jīng)成為國(guó)際新的一輪技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是利用IT技術(shù)構(gòu)建一個(gè)物質(zhì)與物質(zhì)之間的信息交互網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的智能化實(shí)時(shí)管理與控制，提高資源的利用率和生產(chǎn)率。2009年10月，歐盟推出“物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略研究路線圖”，力推物聯(lián)網(wǎng)在航空航天、汽車、醫(yī)療、能源等18個(gè)主要領(lǐng)域的應(yīng)用。目前歐美國(guó)家已將RFID技術(shù)應(yīng)用于交通、車輛管理、身份識(shí)別、生產(chǎn)線自動(dòng)化控制、倉(cāng)儲(chǔ)管理及物資跟蹤等領(lǐng)域。在國(guó)內(nèi)，2011年，物聯(lián)網(wǎng)傳感器產(chǎn)品已率先在上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)防入侵系統(tǒng)中得到應(yīng)用。該系統(tǒng)可以防止人員的翻越、偷渡、恐怖襲擊等攻擊性入侵。濟(jì)南園博園也采用ZigBee無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了園內(nèi)路燈的物聯(lián)網(wǎng)控制。
    隨著我國(guó)城市供熱體制改革的不斷推進(jìn)，國(guó)內(nèi)供熱城市大多要求以節(jié)能減排為目的，實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)的自動(dòng)化調(diào)控和戶使用熱量表收費(fèi)?；诖?，本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的RFID技術(shù)、ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)應(yīng)用到熱力系統(tǒng)中，提出了預(yù)付費(fèi)與遠(yuǎn)程抄送相結(jié)合的供熱系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)的非接觸傳輸及結(jié)算交易控制，為實(shí)現(xiàn)城市集中供熱智能化管理提供了可能性。此系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字城市、數(shù)字社區(qū)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，具有很高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 物聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本系統(tǒng)包括預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)和無(wú)線遠(yuǎn)程抄送系統(tǒng)，系統(tǒng)主要南射頻卡、終端系統(tǒng)、集中器和中心服務(wù)器組成。其中，終端系統(tǒng)由熱量表、采集器和鎖閉閥構(gòu)成，采集器通過(guò)接口電路與熱量表通信和控制鎖閉閥；集中器與采集器之間應(yīng)用ZigBee技術(shù)構(gòu)成無(wú)線數(shù)據(jù)通信局域網(wǎng)；中心服務(wù)器與集中器之間由于通訊距離較遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)采用GPRS模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無(wú)線通信，圖1所示是該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

1．1 預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)
    預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)由射頻卡、熱量表、鎖閉閥、采集器和集中器構(gòu)成，射頻卡與熱量表、鎖閉閥和采集器通過(guò)集中器形成映射關(guān)系，圖2所示是基于射頻卡的預(yù)付費(fèi)工作原理圖。

    首先，用戶到熱力公司充值，使射頻卡內(nèi)含有一定的購(gòu)熱量。當(dāng)射頻卡進(jìn)入集中器的識(shí)讀器工作場(chǎng)時(shí)，集中器通過(guò)識(shí)讀器獲取射頻卡數(shù)據(jù)(用戶信息、購(gòu)熱量等)并進(jìn)行存儲(chǔ)、比較等處理．最后對(duì)射頻卡進(jìn)行數(shù)據(jù)清零處理。集中器定時(shí)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)向采集器發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，采集器再將熱量表的數(shù)據(jù)返回給集中器。這樣，根據(jù)用戶的用熱情況，用戶的購(gòu)熱量將逐漸減少，當(dāng)其值減為零時(shí)，集中器發(fā)送關(guān)閉鎖閉閥命令，停止對(duì)該用戶供熱，直至再次充值。
1．2 無(wú)線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)抄送系統(tǒng)
    該系統(tǒng)由中心服務(wù)器、集中器和終端(采集器、熱量表和鎖閉閥)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。中心服務(wù)器配置固定的IP地址，各個(gè)集中器通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)讀取每個(gè)熱量表的數(shù)據(jù)(熱量、管道流速、供回水溫度等)，通過(guò)GPRS通信模塊以IP數(shù)據(jù)包的方式把數(shù)據(jù)匯總到服務(wù)器，供熱中心主機(jī)的管理系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的處理、分析、存儲(chǔ)等，從而為熱力公司的協(xié)調(diào)部門提供數(shù)據(jù)。

2 硬件終端設(shè)計(jì)
2．1 熱量表
    熱量表利用超聲波測(cè)量管道流速、溫度敏感元件鉑電阻PT1000來(lái)測(cè)量供回水溫度，以精確計(jì)算用戶的用熱量，每個(gè)熱量表都有地址編號(hào)，能進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并向外部傳送供回水溫度、瞬時(shí)流速、累計(jì)流量、累計(jì)熱量、累計(jì)工作時(shí)間、日期等數(shù)據(jù)。
2．2 鎖閉閥
    鎖閉閥是直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的球閥，能夠接收控制命令，執(zhí)行開(kāi)關(guān)操作。
2．3 采集器
    采集器由微控制器(MCU)、接口電路、控制電路、電源電路和ZigBee模塊等組成，可通過(guò)接口電路讀取熱量表的數(shù)據(jù)，控制鎖閉閥開(kāi)關(guān)，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)完成與集中器的通信。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。

    采集器和集中器之間采用的ZigBee技術(shù)是一種短距離、低速率、高效率的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸頻帶為全球通用的2．4 GHz，其底層采用直擴(kuò)技術(shù)，具有大規(guī)模的組網(wǎng)能力。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)以接力的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，速率最快可達(dá)250 kB／s。在不同的工作頻率下，節(jié)點(diǎn)傳輸距離從十幾米到幾十米，若增加功率放大裝置，則可使傳輸距離更遠(yuǎn)。該系統(tǒng)的終端分布較集中，集中器與采集器之間距離較短，且傳輸數(shù)據(jù)量少，實(shí)時(shí)性要求高，因此，采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是最佳選擇。
2．4 射頻卡
    射頻卡中嵌入的RFID標(biāo)簽?zāi)軌虼鎯?chǔ)用戶信息和購(gòu)熱量等數(shù)據(jù)。采用RFID技術(shù)可以與識(shí)讀器進(jìn)行快速數(shù)據(jù)通信，將卡內(nèi)信息傳至集中器，集中器控制鎖閉閥以實(shí)現(xiàn)預(yù)交費(fèi)。RFlD技術(shù)主要使用無(wú)線通信來(lái)唯一地識(shí)別對(duì)象或人，通常由信息載體和信息獲取裝置組成。為實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的識(shí)別，無(wú)線射頻技術(shù)采用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，同時(shí)將采集到的相關(guān)信息通過(guò)無(wú)線技術(shù)進(jìn)行傳輸。它具有功耗小、成本低、穿透能力和抗十?dāng)_能力強(qiáng)、傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
2．5 集中器
    集中器以單片機(jī)為核心，由電源電路、識(shí)讀器、GPRS模塊、ZigBee模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路和顯示電路等部分組成，其硬件框圖如圖5所示。該硬件的主要功能是通過(guò)識(shí)讀器讀取射頻卡數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)購(gòu)熱量并將卡內(nèi)數(shù)據(jù)清零；同時(shí)定時(shí)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)獲取采集器瀆取的熱量表數(shù)據(jù)和鎖閉閥狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)打包；最后通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)向中心服務(wù)器傳送數(shù)據(jù)包。

    由于集中器的分散性且距中心服務(wù)器較遠(yuǎn)，所以，本系統(tǒng)采用GPRS技術(shù)進(jìn)行無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)。GPRS傳輸方式作為GSM較為成熟的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，可提供一種高效、低成本的無(wú)線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。特別適用于間斷的、突發(fā)性和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。
    在GPRS信道上提供有TCP／IP連接，可用于Internet連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。而在此網(wǎng)絡(luò)上提供的GPRS數(shù)據(jù)傳送業(yè)務(wù)的資費(fèi)甚至低于專網(wǎng)的維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)有著數(shù)據(jù)傳輸速率高、通信質(zhì)量可靠、開(kāi)發(fā)周期短、安裝調(diào)試方便等顯著優(yōu)點(diǎn)。因此，本系統(tǒng)在遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸通信上選用GPRS通信模式。
2．6 中心服務(wù)器
    中心服務(wù)器可通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)接收集中器傳送的數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣，管理部門就可通過(guò)主站軟件對(duì)用戶的熱量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析并監(jiān)測(cè)供熱情況，以便于供熱系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)控；同時(shí)可通過(guò)管理軟件和財(cái)務(wù)軟件完成用戶信息存儲(chǔ)和充值等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 采集器軟件設(shè)計(jì)
    采集器的軟件流程圖如圖6所示。該軟件的工作過(guò)程首先是對(duì)ZigBee模塊進(jìn)行初始化，包括初始化串口、I／O口等；然后發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，等待集中器內(nèi)的ZigBee模塊的應(yīng)答。若沒(méi)有接收到應(yīng)答，采集器則繼續(xù)發(fā)送入網(wǎng)信號(hào)，若加入網(wǎng)絡(luò)成功，則等待集中器的命令。接收到集中器的命令后，即可通過(guò)接口電路讀取熱量表的數(shù)據(jù)，并通過(guò)控制電路開(kāi)關(guān)鎖閉閥。

3．2 集中器軟件設(shè)計(jì)
    集中器的軟件流程如圖7所示。其中系統(tǒng)初始化包括定義系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)、工作頻率、存儲(chǔ)器初始化及I／O接口、定時(shí)器等外設(shè)的初始化，其初始化流程圖如圖8所示。初始化ZigBee模塊就是建立網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)與采集器建立連接；初始化GPRS模塊申請(qǐng)入網(wǎng)則與中心服務(wù)器建立連接。當(dāng)有射頻卡進(jìn)入識(shí)讀器的工作場(chǎng)時(shí)，程序會(huì)進(jìn)入中斷函數(shù)，完成射頻卡的讀寫操作，圖9所示是集中器讀射頻卡中斷處理流程圖。如果定時(shí)器時(shí)間到了，程序進(jìn)入定時(shí)器中斷函數(shù)，并采集熱量表的標(biāo)志位置位，同時(shí)在主程序中開(kāi)始通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)向采集器發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，然后等待返回?cái)?shù)據(jù)，最后將接收的數(shù)據(jù)打包通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳至中心服務(wù)器。

3．3 中心軟件設(shè)計(jì)
3．3．1 用戶檔案管理
    系統(tǒng)中的所有熱量表、鎖閉閥和采集器都應(yīng)建立檔案，包括安裝位置，熱量表型號(hào)，戶主信息，熱量表與采集器的對(duì)應(yīng)關(guān)系，熱量表更換和系統(tǒng)維護(hù)等信息，以便于日后維護(hù)管理；抄取的熱量表數(shù)據(jù)可存放于數(shù)據(jù)庫(kù)中，做好數(shù)據(jù)備份并提供公開(kāi)的接口，用戶可通過(guò)接口訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。
3．3．2 系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控
    在管理中心可以查看系統(tǒng)中任何一個(gè)熱量表和鎖閉閥的數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)，并可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，以便為熱力公司調(diào)控提供數(shù)據(jù)依據(jù)，保障供熱均衡。同時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)異常或熱量表故障時(shí)，還應(yīng)可以及時(shí)地采取措施。
3．3．3 財(cái)務(wù)系統(tǒng)
    如果是管理中心自行收費(fèi)，本系統(tǒng)可以自動(dòng)生成收費(fèi)報(bào)表，并打印收據(jù)，也可以根據(jù)客戶的需要打印查詢報(bào)表，并且應(yīng)具有繳費(fèi)方式統(tǒng)計(jì)和未繳費(fèi)用戶統(tǒng)計(jì)功能。

4 結(jié)語(yǔ)
    物聯(lián)網(wǎng)可以把新一代IT技術(shù)充分運(yùn)用在各行各業(yè)之中，將“物聯(lián)網(wǎng)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)與物理系統(tǒng)的整合，人類可以以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)方式管理生產(chǎn)和生活，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平。
    本系統(tǒng)利用近距離、數(shù)據(jù)量小的RFID和ZigBee無(wú)線通信來(lái)完成集中器和采集器之間的通信，同時(shí)利用GPRS網(wǎng)絡(luò)作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，從而發(fā)揮了通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了預(yù)付費(fèi)與無(wú)線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)抄送的成功結(jié)合，準(zhǔn)確、方便、快捷，不但能適應(yīng)現(xiàn)代用戶對(duì)用熱交費(fèi)的需求，而且能提高熱力公司的工作效率，減少工作中的盲目性，合理調(diào)控和分配供熱量，在
用戶舒適用熱的前提下節(jié)約能源。此外，供熱系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，運(yùn)營(yíng)成本低，具備良好的通用性，而且也適用于電力系統(tǒng)自動(dòng)抄表與遠(yuǎn)程控制等監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散或自然條件惡劣的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。