供熱系統(tǒng)物聯(lián)網終端網絡設計

摘要：為了適應物聯(lián)網技術不斷發(fā)展和我國城市供暖體制改革的需要，文中將無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術和無線通信技術應用到供熱系統(tǒng)中，并結合預收費系統(tǒng)和遠程數據傳送系統(tǒng)，提出了一種供熱系統(tǒng)物聯(lián)網終端網絡的設計方案，并給出了整體系統(tǒng)結構、硬件設計和軟件設計方法。通過該終端網絡可實現(xiàn)供熱數據的遠程實時在線自動傳送，從而為供熱系統(tǒng)提供實時、準確的數據，使供熱系統(tǒng)實現(xiàn)有效調控，提高節(jié)能減排效果。
關鍵詞：物聯(lián)網；RFID；供熱系統(tǒng)；ZigBee；GPRS

0 引言
    繼互聯(lián)網、移動通信之后，物聯(lián)網無疑是引發(fā)新一輪信息技術產業(yè)浪潮的重要產業(yè)，并已經成為國際新的一輪技術競爭的關鍵點。物聯(lián)網的本質是利用IT技術構建一個物質與物質之間的信息交互網絡，實現(xiàn)對物質的智能化實時管理與控制，提高資源的利用率和生產率。2009年10月，歐盟推出“物聯(lián)網戰(zhàn)略研究路線圖”，力推物聯(lián)網在航空航天、汽車、醫(yī)療、能源等18個主要領域的應用。目前歐美國家已將RFID技術應用于交通、車輛管理、身份識別、生產線自動化控制、倉儲管理及物資跟蹤等領域。在國內，2011年，物聯(lián)網傳感器產品已率先在上海浦東國際機場防入侵系統(tǒng)中得到應用。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。濟南園博園也采用ZigBee無線技術實現(xiàn)了園內路燈的物聯(lián)網控制。
    隨著我國城市供熱體制改革的不斷推進，國內供熱城市大多要求以節(jié)能減排為目的，實現(xiàn)供熱系統(tǒng)的自動化調控和戶使用熱量表收費。基于此，本文將物聯(lián)網技術中的RFID技術、ZigBee技術和GPRS技術應用到熱力系統(tǒng)中，提出了預付費與遠程抄送相結合的供熱系統(tǒng)物聯(lián)網終端網絡設計方案，以實現(xiàn)對計量數據的非接觸傳輸及結算交易控制，為實現(xiàn)城市集中供熱智能化管理提供了可能性。此系統(tǒng)是實現(xiàn)數字城市、數字社區(qū)的堅實基礎，具有很高的社會效益和經濟效益。

1 物聯(lián)網供熱系統(tǒng)結構
    本系統(tǒng)包括預付費系統(tǒng)和無線遠程抄送系統(tǒng)，系統(tǒng)主要南射頻卡、終端系統(tǒng)、集中器和中心服務器組成。其中，終端系統(tǒng)由熱量表、采集器和鎖閉閥構成，采集器通過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用ZigBee技術構成無線數據通信局域網；中心服務器與集中器之間由于通訊距離較遠，設計采用GPRS模塊實現(xiàn)遠距離的無線通信，圖1所示是該系統(tǒng)的結構框圖。

1．1 預付費系統(tǒng)
    預付費系統(tǒng)由射頻卡、熱量表、鎖閉閥、采集器和集中器構成，射頻卡與熱量表、鎖閉閥和采集器通過集中器形成映射關系，圖2所示是基于射頻卡的預付費工作原理圖。

    首先，用戶到熱力公司充值，使射頻卡內含有一定的購熱量。當射頻卡進入集中器的識讀器工作場時，集中器通過識讀器獲取射頻卡數據(用戶信息、購熱量等)并進行存儲、比較等處理．最后對射頻卡進行數據清零處理。集中器定時通過ZigBee網絡向采集器發(fā)送數據請求，采集器再將熱量表的數據返回給集中器。這樣，根據用戶的用熱情況，用戶的購熱量將逐漸減少，當其值減為零時，集中器發(fā)送關閉鎖閉閥命令，停止對該用戶供熱，直至再次充值。
1．2 無線遠程數據抄送系統(tǒng)
    該系統(tǒng)由中心服務器、集中器和終端(采集器、熱量表和鎖閉閥)構成，其結構圖如圖3所示。中心服務器配置固定的IP地址，各個集中器通過ZigBee網絡讀取每個熱量表的數據(熱量、管道流速、供回水溫度等)，通過GPRS通信模塊以IP數據包的方式把數據匯總到服務器，供熱中心主機的管理系統(tǒng)完成數據的處理、分析、存儲等，從而為熱力公司的協(xié)調部門提供數據。

2 硬件終端設計
2．1 熱量表
    熱量表利用超聲波測量管道流速、溫度敏感元件鉑電阻PT1000來測量供回水溫度，以精確計算用戶的用熱量，每個熱量表都有地址編號，能進行數據通信，并向外部傳送供回水溫度、瞬時流速、累計流量、累計熱量、累計工作時間、日期等數據。
2．2 鎖閉閥
    鎖閉閥是直流減速電機驅動的球閥，能夠接收控制命令，執(zhí)行開關操作。
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，可通過接口電路讀取熱量表的數據，控制鎖閉閥開關，通過ZigBee網絡完成與集中器的通信。其結構原理圖如圖4所示。

    采集器和集中器之間采用的ZigBee技術是一種短距離、低速率、高效率的無線網絡技術，數據傳輸頻帶為全球通用的2．4 GHz，其底層采用直擴技術，具有大規(guī)模的組網能力。網絡中的節(jié)點以接力的方式進行數據傳輸，速率最快可達250 kB／s。在不同的工作頻率下，節(jié)點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。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，且傳輸數據量少，實時性要求高，因此，采用ZigBee網絡進行數據傳輸是最佳選擇。
2．4 射頻卡
    射頻卡中嵌入的RFID標簽能夠存儲用戶信息和購熱量等數據。采用RFID技術可以與識讀器進行快速數據通信，將卡內信息傳至集中器，集中器控制鎖閉閥以實現(xiàn)預交費。RFlD技術主要使用無線通信來唯一地識別對象或人，通常由信息載體和信息獲取裝置組成。為實現(xiàn)對物體的識別，無線射頻技術采用射頻方式進行非接觸雙向通信，同時將采集到的相關信息通過無線技術進行傳輸。它具有功耗小、成本低、穿透能力和抗十擾能力強、傳輸速度快、傳輸距離遠和使用壽命長等優(yōu)點。
2．5 集中器
    集中器以單片機為核心，由電源電路、識讀器、GPRS模塊、ZigBee模塊、數據存儲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識讀器讀取射頻卡數據，存儲購熱量并將卡內數據清零；同時定時通過ZigBee網絡獲取采集器瀆取的熱量表數據和鎖閉閥狀態(tài)，并將數據存儲打包；最后通過GPRS網絡向中心服務器傳送數據包。

    由于集中器的分散性且距中心服務器較遠，所以，本系統(tǒng)采用GPRS技術進行無線傳輸數據。GPRS傳輸方式作為GSM較為成熟的無線數據傳輸業(yè)務，可提供一種高效、低成本的無線分組數據業(yè)務。特別適用于間斷的、突發(fā)性和頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。
    在GPRS信道上提供有TCP／IP連接，可用于Internet連接、數據傳輸等。而在此網絡上提供的GPRS數據傳送業(yè)務的資費甚至低于專網的維護費用，同時有著數據傳輸速率高、通信質量可靠、開發(fā)周期短、安裝調試方便等顯著優(yōu)點。因此，本系統(tǒng)在遠程無線傳輸通信上選用GPRS通信模式。
2．6 中心服務器
    中心服務器可通過GPRS網絡接收集中器傳送的數據并存入數據庫，這樣，管理部門就可通過主站軟件對用戶的熱量進行統(tǒng)計、分析并監(jiān)測供熱情況，以便于供熱系統(tǒng)的實時調控；同時可通過管理軟件和財務軟件完成用戶信息存儲和充值等。

3 系統(tǒng)軟件設計
3．1 采集器軟件設計
    采集器的軟件流程圖如圖6所示。該軟件的工作過程首先是對ZigBee模塊進行初始化，包括初始化串口、I／O口等；然后發(fā)送加入網絡信號，等待集中器內的ZigBee模塊的應答。若沒有接收到應答，采集器則繼續(xù)發(fā)送入網信號，若加入網絡成功，則等待集中器的命令。接收到集中器的命令后，即可通過接口電路讀取熱量表的數據，并通過控制電路開關鎖閉閥。

3．2 集中器軟件設計
    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)的時鐘信號、工作頻率、存儲器初始化及I／O接口、定時器等外設的初始化，其初始化流程圖如圖8所示。初始化ZigBee模塊就是建立網絡，同時與采集器建立連接；初始化GPRS模塊申請入網則與中心服務器建立連接。當有射頻卡進入識讀器的工作場時，程序會進入中斷函數，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。如果定時器時間到了，程序進入定時器中斷函數，并采集熱量表的標志位置位，同時在主程序中開始通過ZigBee網絡向采集器發(fā)送數據請求，然后等待返回數據，最后將接收的數據打包通過GPRS網絡上傳至中心服務器。

3．3 中心軟件設計
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建立檔案，包括安裝位置，熱量表型號，戶主信息，熱量表與采集器的對應關系，熱量表更換和系統(tǒng)維護等信息，以便于日后維護管理；抄取的熱量表數據可存放于數據庫中，做好數據備份并提供公開的接口，用戶可通過接口訪問數據庫。
3．3．2 系統(tǒng)運行監(jiān)控
    在管理中心可以查看系統(tǒng)中任何一個熱量表和鎖閉閥的數據和運行狀態(tài)，并可以對數據進行智能分析，以便為熱力公司調控提供數據依據，保障供熱均衡。同時，當出現(xiàn)異?；驘崃勘砉收蠒r，還應可以及時地采取措施。
3．3．3 財務系統(tǒng)
    如果是管理中心自行收費，本系統(tǒng)可以自動生成收費報表，并打印收據，也可以根據客戶的需要打印查詢報表，并且應具有繳費方式統(tǒng)計和未繳費用戶統(tǒng)計功能。

4 結語
    物聯(lián)網可以把新一代IT技術充分運用在各行各業(yè)之中，將“物聯(lián)網”與現(xiàn)有的互聯(lián)網整合起來，可以實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合，人類可以以更加精細和動態(tài)方式管理生產和生活，提高資源利用率和生產力水平。
    本系統(tǒng)利用近距離、數據量小的RFID和ZigBee無線通信來完成集中器和采集器之間的通信，同時利用GPRS網絡作為遠程數據通信平臺，從而發(fā)揮了通用無線分組業(yè)務數據傳輸的優(yōu)勢，保證了數據傳輸的可靠性、穩(wěn)定性，實現(xiàn)了預付費與無線遠程數據抄送的成功結合，準確、方便、快捷，不但能適應現(xiàn)代用戶對用熱交費的需求，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)網終端網絡實現(xiàn)簡單，運營成本低，具備良好的通用性，而且也適用于電力系統(tǒng)自動抄表與遠程控制等監(jiān)測點分散或自然條件惡劣的監(jiān)控網絡。