供熱系統物聯網終端網絡設計

引言

繼互聯網、移動通信之后，物聯網無疑是引發(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“物聯網戰(zhàn)略研究路線圖"，力推物聯網在航空航天、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，物聯網傳感器產品已率先在上海浦東國際機場防入侵系統中得到應用。該系統可以防止人員的翻越、偷渡、恐怖襲擊等攻擊性入侵。濟南園博園也釆用ZigBee無線技術實現了園內路燈的物聯網控制。

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，實現供熱系統的自動化調控和戶使用熱量表收費?；诖?，本文將物聯網技術中的RFID技術申」、ZigBee技術和GPRS技術應用到熱力系統中，提出了預付費與遠程抄送相結合的供熱系統物聯網終端網絡設計方案，以實現對計量數據的非接觸傳輸及結算交易控制，為實現城市集中供熱智能化管理提供了可能性。此系統是實現數字城市、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  物聯網供熱系統結構

本系統包括預付費系統和無線遠程抄送系統，系統主要由射頻卡、終端系統、集中器和中心服務器組成。其中，終端系統由熱量表、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E;中心服務器與集中器之間由于通訊距離較遠，設計采用GPRS模塊實現遠距離的無線通信「即，圖1所示是該系統的結構框圖。

圖1  系統結構框圖

1.1  預付費系統

預付費系統由射頻卡、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。

圖2  射頻卡預付費工作原理圖

1.2  無線遠程數據抄送系統

該系統由中心服務器、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口七供熱中心主機的管理系統完成數據的處理、分析、存儲等，從而為熱力公司的協調部門提供數據。

圖3  遠程數據抄送系統結構圖

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、溫度敏感元件鉗電阻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。

圖4  采集器結構原理圖

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2.4GHz,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250kB/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預交費。RFID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、穿透能力和抗干擾能力強、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網絡獲取采集器讀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。

圖5  集中器結構原理圖

由于集中器的分散性且距中心服務器較遠，所以，本系統采用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計、分析并監(jiān)測供熱情況,以便于供熱系統的實時調控；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  系統軟件設計

3.1  采集器軟件設計

釆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。

圖6  釆集器軟件流程圖

3.2  集中器軟件設計

集中器的軟件流程如圖7所示。其中系統初始化包括定義系統的時鐘信號、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。

圖7  集中器軟件流程圖

圖8  集中器初始化流程圖

3.3  中心軟件設計

3.3.1  用戶檔案管理

系統中的所有熱量表、鎖閉閥和釆集器都應建立檔案,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  系統運行監(jiān)控

在管理中心可以査看系統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

如果是管理中心自行收費,本系統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計和未繳費用戶統計功能。

圖9  集中器讀射頻卡中斷處理流程圖

4  結語

物聯網可以把新一代IT技術充分運用在各行各業(yè)之中，將“物聯網”與現有的互聯網整合起來，可以實現人類社會與物理系統的整合，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，供熱系統物聯網終端網絡實現簡單，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。

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