基于GPRS技術的熱網遠程監測系統

劉 冰，許青松，杜 娟，黨震宇

（1.航天長征化學工程股份有限公司 蘭州分公司 蘭州 730050；2.東北電力大學 自動化工程學院，吉林 132012；3.中國煤炭科工集團 沈陽設計研究院，沈陽 110000）

0 引言

針對供熱系統中，供熱站數量眾多，地理位置分布廣泛，用傳統的ADSL進行通信存在布線困難、維護費用高等缺點。隨著供熱系統數據采集與監控技術的發展，利用GPRS網絡遠程傳輸數據，可以通過小數據流的方式實現實時監測供熱站運行數據，根據需要進行數據分析處理、為企業提供失水量監測、供熱品質報警、政府監管、實時與歷史數據查詢等功能。

本文主要以吉林市市政供熱工程為背景，進行了基于無線網絡的供熱站監控系統的開發研究。系統對供熱站的運行參數進行數據采集，通過DTU終端將數據經GPRS網絡傳輸到調度監測中心。監測中心系統采用B/S結構，具有分布性特點，可以隨時隨地進行瀏覽操作、擴展簡單靈活、維護簡單方便、開發簡單、共享性強等優點，方便運行人員使用。GPRS無線網絡、無線監測終端部分、現場傳感器等組成，如圖1所示。

圖1 系統結構圖

1 系統設計

1.1 總體設計

就供熱系統而言，供熱單位需向熱用戶提供一定溫度和壓力的合格的熱水，供熱單位按用熱量向熱電廠繳納一定的費用，供熱單位需要對各供熱站里的溫度、壓力、流量、液位等數據進行實時監測。根據從各供熱站所監測到的實時運行數據，調整運行工況，從而保證供熱系統穩定安全的運行。熱網監測系統主要由監測中心服務器、

1.2 工作流程

GPRS是通用分組無線技術（General Packet Radio Service）的簡稱，它是GSM的延續。GPRS是以封包（Packet）式來傳輸，因此所產生的費用是以數據量來計算，并不占用整個頻道，所以運行費用較為低廉。GPRS的理論報文數據交換速率高達171.2kbp/s，實際速度是30-70kbp/s。

在各個熱力站安裝熱電阻和壓力變送器一次元件將現場供回水溫度、壓力值轉換為4-20mA電流信號通過微處理器控制電路將電流信號轉換成數字信號，經串口傳給GPRS模塊，然后通過網絡傳給監測中心服務器。監測中心將數據包解析出來。這里解析出來的運行數據是標準的4-20mA信號值，最后通過現場傳感器的類別、量程轉換成溫度、壓力值，供管理軟件使用。由于通過GPRS技術將電信網絡和計算機網絡有機連接在一起，監測中心主機通過配置固定的IP地址或域名就可以同各個熱力站的數據傳輸單元DTU進行數據通信。

2 硬件設計

監測系統硬件組成主要由傳感器、A/D轉換器、單片機、GPRS模塊等組成。監測終端硬件框圖如圖2所示，終端處理器采用SAMSUNG公司的S3C2440A芯片，GPRS模塊采用華為公司的GTM900C模塊。S3C2440A處理器工作主頻為400MHZ，自帶8通道復用10位的ADC，3通道UART可基于DMA方式或中斷模式工作。GTM900C模塊工作頻段為EGSM900/GSM1800，協議兼容GSM/GPRS Phase2/2+支持華為GT800協議，支持透明傳輸。

圖2 監測終端硬件框圖

GTM900C模塊與S3C2440連接通過串口連接通信，由于GTM900-C模塊的信號是TTL2.85±0.1V接口，需要進行電平轉換，芯片采用Sipex公司的SP3238轉換芯片。TTL 電平轉換電路如圖3所示。

圖3 電平轉換電路

GTM900C模塊提供標準SIM卡接口，包括SIM卡在位信號、數據傳輸接口、時鐘信號、電源接口等。SIM卡電路如圖4所示。

圖4 SIM卡電路

GTM900C模塊電源供電范圍為3.4-4.7V，推薦電壓為3.8V，系統總電源采用9V電源供電，本設計采用NS公司的LM2576S-ADJ單片降壓式穩壓器，輸出電壓可調，利用兩個比例電阻的比例來使輸出電壓為4V。圖5為4V電源電路設計，其中VTP為9V電源供電。

圖5 GTM900C電源供電電路

3 監測中心軟件設計

3.1 終端控制模塊程序設計

程序設計主要包括系統的初始化和S3C2440與GTM900C模塊通信，系統初始化主要進行內部寄存器初始化、I/O端口的初始化、配置外圍地址空間、設置異常向量等。S3C2440與GTM900C通過串口進行通信，處理器通過發送AT指令來控制GPRS模塊與監測中心軟件建立數據連接。

本設計中S3C2440需要對GTM900C發送一些AT指令，主要介紹如下：

1）AT%ETCPIP命令用于實現PDP激活和TCP/IP的初始化，是使用TCP/IP功能前必須完成的一步操作。

2）AT%IPOPEN命令用于打開一條TCP或者UDP鏈接命令。主要參數包括打開的鏈接號、連接的IP地址、對應的IP端口、鏈接類型等。

3）AT%IPCLOSE命令用于實現關閉一條鏈接功能。

4）AT%IPSENDX命令用于發送數據到已經打開的TCP/UDP鏈接。

5）AT%IPDR命令用于讀取接收緩存中的數據包，默認讀取緩存中首包為未讀數據包。

3.2 監測中心通訊程序設計

GPRS DTU與監測中心通訊功能的設計，是在C++builder2010開發環境下完成的。實現中心對多點的對等數據傳輸，利用動態庫底層驅動自動完成DTU的自動連接與數據交互。程序包括向指定終端發送數據或定時群發、查詢設備上線通知、關閉指定或關閉所有終端連接、終端上傳數據處理等功能。發送數據流程圖如圖6所示。

圖6 DTU發送數據流程圖

監測中心設備與各站DTU之間數據以Modbus-RTU方式傳輸，通過監測中心主機定時循環發送查詢消息得到各站DTU的回應消息。

表1 Modbus-R TU的幀格式

程序通過Start_Dsc_Server函數來啟動服務，啟動服務后主窗口通過響應消息函數和底層服務通訊。通過Stop_Dsc_Server函數停止服務，斷開并禁止所有DTU連接。利用Send_All_Dev函數向DTU發送查詢信息。通過Get_Dev_Status函數來查詢DTU設備是否在線。

DTU報道信息結構：

typedef struct DTU_LOGIN_INFO

{

unsigned char Dtu_Imei[15];

//設備標識，不足15字節時末端補0

unsigned char Dtu_Iccid[20];

//設備卡號，不足20字節時末端補0

unsigned char Dtu_Name[32];

//設備名稱，不足32字節時末端補0

unsigned char Dtu_IP [15];

//設備IP，不足15字節時末端補0

unsigned char Dtu_Port[2];

//設備端口，高字節在前，低字節在后

unsigned char Dtu_NetMode;

//設備網絡模式，1為TCP，2為UDP

unsigned char Dtu_Signal;

//設備信號強度，最大為32

}Login_Info;

DTU數據傳輸信息包結構：

typedf struct DTU_DATA_PACK

{

unsigned char Dtu_Imei[15];

//設備標識，不足15字節末端補0

unsigned int Dtu_Data_Len[2];

//接收設備數據的長度

unsigned int Dtu_Data_Buf[Len];

//接收到的數據

}Data_Pack;

在網絡中GPRS DTU相當于客戶端，在這里GPRS DTU需要進行參數設置，主要設置如下：

1）連接方式有兩種方式一種是以固定IP連接數據中心，這種方式適用在數據中心有固定的IP地址。另一種是以域名的方式連接數據中心，在數據中心沒有固定IP而有域名時適用。如果數據中心既沒有IP地址也沒有域名，可以選用動態域名來代替。本文采用有固定IP地址的方式。

2）連接協議一種是以TCP方式連接數據中心，另一種是以UDP方式連接數據中心。連接協議需要與數據中心軟件保持一致，不同的協議適用于不同的場合。TCP協議適用于數據差錯和順序要求較高的場合，其好處是保證數據的正確性和合順序性。UDP協議適應于數據的正確性和順序要求不高的場合，其好處是帶寬利用率高。本文采用TCP方式連接數據中心。

3）心跳包的時間設置，GPRS網絡的特點是，如果長時間沒有數據通信，那么移動網關將斷開GPRS DTU與數據中心的連接。為了保持DTU的永久在線，采用設置心跳間隔，設置間隔一定的時間向數據中心發送一個心跳包，已保證移動運營商斷開。經測試心跳間隔為25分鐘（吉林市）可以達到永久在線的要求。

4）本地站號的設置，本地站號位設備內部Modbus協議地址，供監測中心軟件區分各個熱力站，站號范圍1～255。

4 熱網遠程監測系統的實現

熱網遠程監測系統已經在吉林市安裝使用，吉林市供熱站多而且分散。為了解決人工監測造成的數據準確度低，上報不及時等問題。設計了一套熱網遠程監測系統，采用GPRS無線傳輸方式，成功實現遠程實時監測。圖7是熱網監測系統界面。

熱網遠程監測管理軟件主要包括以下部分：

1）系統管理：各個熱力站基本信息的管理。

2）供熱管理：主要包括各熱力站的運行基礎參數、室溫度顯示與分析、供熱質量分析和熱源數據分析四大部分。完成供熱站運行數據的實時顯示和歷史數據查詢、供熱管線分析、熱源數據分析等功能。

3）政府監管：包括基礎數據、批量登記、問題登記、登記管理統計分析等部分。主要功能是對各熱力公司的供熱質量進行監管，供熱質量報警、問題登記、問題反饋等。

4）系統工具：提供一些供熱條例，超級管理員權限（包括修改密碼，增加操作員，刪除數據等工作）等工具。

圖7 熱力站的實時數據

5 結論

基于GPRS技術的熱網監測系統不僅結構簡單，而且能滿足監測數據實時通訊的需要。采用B/S結構讓熱網監測使用更加方便有效，為實現熱網的信息化提供可行性基礎。投運期間系統運行穩定可靠，滿足了熱網遠程網監測的要求，具有廣闊的應用前景。在已經到來的3G時代，帶寬和數據速率的大幅度提高，熱網遠程視頻監測等技術將會有更大的挖掘潛力。

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