供熱系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡設(shè)計

引言

繼互聯(lián)網(wǎng)、移動通信之后，物聯(lián)網(wǎng)無疑是引發(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)成為國際新的一輪技術(shù)競爭的關(guān)鍵點。物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是利用IT技術(shù)構(gòu)建一個物質(zhì)與物質(zhì)之間的信息交互網(wǎng)絡,實現(xiàn)對物質(zhì)的智能化實時管理與控制,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個主要領(lǐng)域的應用。目前歐美國家已將RFID技術(shù)應用于交通、車輛管理、身份識別、生產(chǎn)線自動化控制、倉儲管理及物資跟蹤等領(lǐng)域。在國內(nèi),2011年，物聯(lián)網(wǎng)傳感器產(chǎn)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。濟南園博園也釆用ZigBee無線技術(shù)實現(xiàn)了園內(nèi)路燈的物聯(lián)網(wǎng)控制。

隨著我國城市供熱體制改革的不斷推進，國內(nèi)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(diào)控和戶使用熱量表收費?；诖耍疚膶⑽锫?lián)網(wǎng)技術(shù)中的RFID技術(shù)申」、ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)應用到熱力系統(tǒng)中，提出了預付費與遠程抄送相結(jié)合的供熱系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡設(shè)計方案，以實現(xiàn)對計量數(shù)據(jù)的非接觸傳輸及結(jié)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(shù)字城市、數(shù)字社區(qū)的堅實基礎(chǔ)，具有很高的社會效益和經(jīng)濟效益。

1  物聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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)主要由射頻卡、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(gòu)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(shù)構(gòu)成無線數(shù)據(jù)通信局域網(wǎng)E;中心服務器與集中器之間由于通訊距離較遠，設(shè)計采用GPRS模塊實現(xiàn)遠距離的無線通信「即，圖1所示是該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(gòu)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(guān)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(nèi)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(shù)據(jù)（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(shù)據(jù)清零處理。集中器定時通過ZigBee網(wǎng)絡向采集器發(fā)送數(shù)據(jù)請求,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，用戶的購熱量將逐漸減少，當其值減為零時，集中器發(fā)送關(guān)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(shù)據(jù)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(gòu)成，其結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡讀取每個熱量表的數(shù)據(jù)（熱量、管道流速、供回水溫度等），通過GPRS通信模塊以IP數(shù)據(jù)包的方式把數(shù)據(jù)匯總到服務器口七供熱中心主機的管理系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的處理、分析、存儲等，從而為熱力公司的協(xié)調(diào)部門提供數(shù)據(jù)。

圖3  遠程數(shù)據(jù)抄送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2  硬件終端設(shè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

2.2  鎖閉閥

鎖閉閥是直流減速電機驅(qū)動的球閥，能夠接收控制命令，執(zhí)行開關(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，可通過接口電路讀取熱量表的數(shù)據(jù)，控制鎖閉閥開關(guān)，通過ZigBee網(wǎng)絡完成與集中器的通信。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。

圖4  采集器結(jié)構(gòu)原理圖

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、高效率的無線網(wǎng)絡技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸頻帶為全球通用的2.4GHz,其底層采用直擴技術(shù)，具有大規(guī)模的組網(wǎng)能力。網(wǎng)絡中的節(jié)點以接力的方式進行數(shù)據(jù)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(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，實時性要求高，因此，采用ZigBee網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸是最佳選擇。

2.4  射頻卡

射頻卡中嵌入的RFID標簽能夠存儲用戶信息和購熱量等數(shù)據(jù)。采用RFID技術(shù)可以與識讀器進行快速數(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現(xiàn)預交費。RFID技術(shù)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(shù)采用射頻方式進行非接觸雙向通信，同時將采集到的相關(guān)信息通過無線技術(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，存儲購熱量并將卡內(nèi)數(shù)據(jù)清零；同時定時通過ZigBee網(wǎng)絡獲取采集器讀取的熱量表數(shù)據(jù)和鎖閉閥狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)存儲打包;最后通過GPRS網(wǎng)絡向中心服務器傳送數(shù)據(jù)包。

圖5  集中器結(jié)構(gòu)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(tǒng)采用GPRS技術(shù)進行無線傳輸數(shù)據(jù)。GPRS傳輸方式作為GSM較為成熟的無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，可提供一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務。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)絡上提供的GPRS數(shù)據(jù)傳送業(yè)務的資費甚至低于專網(wǎng)的維護費用，同時有著數(shù)據(jù)傳輸速率高、通信質(zhì)量可靠、開發(fā)周期短、安裝調(diào)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(wǎng)絡接收集中器傳送的數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)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(diào)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(shè)計

3.1  采集器軟件設(shè)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(wǎng)絡信號，等待集中器內(nèi)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(wǎng)信號，若加入網(wǎng)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(shù)據(jù)，并通過控制電路開關(guān)鎖閉閥。

圖6  釆集器軟件流程圖

3.2  集中器軟件設(shè)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(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，同時與采集器建立連接;初始化GPRS模塊申請入網(wǎng)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(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。如果定時器時間到了，程序進入定時器中斷函數(shù),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(wǎng)絡向采集器發(fā)送數(shù)據(jù)請求，然后等待返回數(shù)據(jù)，最后將接收的數(shù)據(jù)打包通過GPRS網(wǎng)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(shè)計

3.3.1  用戶檔案管理

系統(tǒng)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(guān)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(shù)據(jù)可存放于數(shù)據(jù)庫中，做好數(shù)據(jù)備份并提供公開的接口，用戶可通過接口訪問數(shù)據(jù)庫。

3.3.2  系統(tǒng)運行監(jiān)控

在管理中心可以査看系統(tǒng)中任何一個熱量表和鎖閉閥的數(shù)據(jù)和運行狀態(tài),并可以對數(shù)據(jù)進行智能分析，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，當出現(xiàn)異常或熱量表故障時，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(jù)，也可以根據(jù)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。

圖9  集中器讀射頻卡中斷處理流程圖

4  結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)可以把新一代IT技術(shù)充分運用在各行各業(yè)之中，將“物聯(lián)網(wǎng)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，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(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無線通信來完成集中器和采集器之間的通信，同時利用GPRS網(wǎng)絡作為遠程數(shù)據(jù)通信平臺，從而發(fā)揮了通用無線分組業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、穩(wěn)定性，實現(xiàn)了預付費與無線遠程數(shù)據(jù)抄送的成功結(jié)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(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(wǎng)絡。

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