基于GPRS通信技術的熱網紅外測溫系統設計

摘 要： 針對城市熱網實時監測困難，便捷高效、遠程溫度監測設備短缺等突出問題，將遠程通信及紅外測溫技術應用于熱網溫度監測中，設計了一種基于GPRS通信技術的熱網紅外測溫系統。以MLX90614紅外測溫傳感器獲取熱網觀測點的溫度信息并傳輸至低功耗單片機MSP430F169做解碼處理，采用GPRS通信模塊SIM900A，將解碼數據發送至固定管理平臺或移動管理終端，實現對監測點的遠程監測，多點布控可實現多點監測。同時，每個監測終端可實時顯示測溫結果，便于現場觀測與維護。測試實驗表明，該系統溫度信息采集準確、數據傳輸穩定，可滿足目前城市熱網實時遠程監測的需求。

關鍵詞： 紅外測溫； 供熱管網； 遠程監測； 單片機； GPRS通信

中圖分類號： TN98?34； TP873 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）02?0119?03

Design of GPRS communication technology based infrared temperature measurement system for heat?supply network

ZHANG Shujuan1， 2， GE Wei1， 2， ZHU Jianjun1， 2， LI Ruibiao1， 2

（1. College of Underwater Acoustic Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China；

2. Key Laboratory of Underwater Acoustic Science and Technology， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China）

Abstract： For the prominent problems that the city heat?supply network is hard to monitor in real?time and lacks of the convenient and efficient remote temperature monitoring equipment， the infrared temperature measurement system for heat?supply network based on GPRS communication technology was designed by combining the remote communication with infrared temperature measurement technology. The temperature information of the heat?supply network observation point is acquired by means of MLX90614 infrared temperature sensor， and transmitted to the low?power consumption microcontroller MSP430F169 for decoding. The decoded data is sent to the fixed management platform or mobile management terminal by GPRS communication module to realize remote monitoring of the observation point. The multi?point monitoring can be realized by multi?point deploy and control. Each monitoring terminal can display the temperature measurement results in real?time， which is convenient for field observation and maintenance. The testing experiment results indicate that the system can perform accurate temperature information collection and stable data transmission， which can satisfy the need of real?time remote monitoring for city heat?supply network.

Keywords： infrared temperature measurement； heat?supply network； remote monitoring； microcontroller； GPRS communication

0 引 言

目前，我國北方地區冬季供暖系統大多采用大規模熱網集中供熱方式[1]，實時了解用戶室內熱網溫度信息是供暖中心做出溫度調控的最有效參數之一。傳統的人工熱網管理維護存在信息統計與反饋滯后、工作效率低等問題，已無法滿足日益增大的大規模城市熱網管理需求，亟需尋求一種實時、準確、高效、便捷的多點、全方位熱網溫度遠程監測方案。目前，已有研究人員提出將現代化技術應用于熱網管理[2?6]，但針對實時、準確、高效、便捷的熱網遠程監測實施方案及設備的研究較少。針對這一現狀，本文結合紅外測溫技術、單片機技術以及移動通信理念，提出適用于大規模城市熱網溫度監測的遠程監測方案，并對用戶終端紅外測溫系統進行設計、實現以及實驗研究。

1 遠程監測系統方案

基于GPRS通信技術的熱網溫度遠程監測系統主要由以下四部分組成：監控中心數據服務器、GPRS Modem、GPRS網絡和用戶終端紅外測溫系統。該系統主要通過遠端的紅外測溫系統對被監測熱網的溫度參數進行實時監測，可設定閾值，以便待超過規定溫度范圍時實施報警，也可通過短信對檢測信息進行實時查詢。具體將傳感器采集的溫度數據經SIM900A通信模塊傳送至GPRS網絡，最終到達遠端監控中心，監控中心對數據進行統計、分析，做出相應處理。遠程監控系統整體框圖如圖1所示。

圖1 紅外測溫遠程監測系統框圖

2 紅外測溫系統硬件設計

系統硬件設計主要包括：紅外溫度傳感器及測量模塊、MSP430F169單片機控制模塊、GPRS通信模塊以及其他功能電路擴展等單元的設計。紅外測溫系統硬件框圖如圖2所示。

圖2 紅外測溫系統硬件框圖

2.1 紅外測溫模塊設計

本系統中的紅外溫度傳感器采用Melexis公司生產的MLX90614系列測溫芯片，測溫精度可以達到0.01 ℃，允許-40～125 ℃超大供需范圍，以及-70～380 ℃的擴展物體溫度范圍。MLX90614系列芯片由紅外溫度傳感器、低噪聲放大器、A/D轉換器、DSP單元、脈寬調制電路及邏輯控制電路構成。熱電耦輸出的溫度信號經過內部高性能、低噪聲的運算放大器放大后，送給數/模轉換器（ADC），ADC輸出的17位數字量經過可編程FIR和IIR低通濾波器處理后輸出。該輸出作為測量結果保存在MLX90614內部RAM存儲單元中，可以通過SMBus讀取，單片機通過讀取不同的地址單元，每條總線上最多可以搭載127片MLX90614，在實現溫度測量網絡化的同時還可以節省單片機的引腳資源，為其他功能的實現留出更多的硬件資源；同時測量結果送到后級數字式脈沖寬度調制電路，將測量結果以PWM的方式輸出[7]，與單片機可以實現無縫連接，MLX90614與單片機連接電路如圖3所示。

圖3 MLX90614與單片機連接電路圖

2.2 MSP430F169單片機模塊

中心處理器MSP430F169是TI公司MSP430系列中的一款16位超低功耗的混合信號處理器，其功耗可以達到μA級。它的電源電壓采用1.8～3.6 V低電壓，RAM 數據保持方式下耗電僅0.1 μA，活動模式耗電250 pA/MIPS，擁有5種低功耗模式（LPM0至LPM4）[8]。整個系統采用了低功耗設計理念，單片機模塊向測溫傳感器發送控制命令，控制測溫傳感器的工作狀態（睡眠和喚醒模式）和數據讀取，當接收到測溫傳感器的數據后進行解碼，然后通過GPRS通信模塊發送至移動管理終端。這種設計方式，可以降低系統功耗，延長電池系統的使用時間。

2.3 GPRS通信模塊

GPRS通信模塊采用SIMCom公司的新型緊湊型產品SIM900A，它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用STM封裝，性能穩定，外觀精巧，性價比高，SIM900A采用省電技術設計，在SLEEP模式下最低耗流只有1 mA，非常適合電池供電系統[9]。此外，該模塊內嵌TCP/IP協議，擴展的TCP/IP命令讓用戶能夠很容易使用TCP/IP協議，方便用戶做數據傳輸方面的應用。通過AT命令進行控制，從而實現數據的傳輸，SIM900A將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨立的操作系統、GSM射頻處理、基帶處理并提供標準接口的功能模塊?？梢詫崿F收發短信、GPRS通信等功能。

3 系統軟件設計

系統軟件主要包括溫度測量、數據采集處理、GPRS通信以及其他功能等部分軟件的設計。MLX90614通過SMBus總線協議與單片機實現通信。在本系統中單片機作為主設備，MLX90614作為從設備，在每個測溫終端可以有多個MLX90614器件，每個器件可以通過E2PROM中的00EH單元設定其地址。單片機可通過地址來訪問不同的MLX90614器件，并將采集到的溫度數據進行分析處理之后，通過AT指令初始化通信模塊SIM900A，使其連接到GPRS網絡上，并獲得動態IP地址，實現用戶測溫系統終端與服務器之間建立信息連接[10]。為了降低系統功耗，控制程序采取精細功耗管理模式。基于中斷結構的測溫程序與MSP430F169微控制器的多種低功耗休眠模式以及MLX90614的睡眠模式相結合，可以提供一個最小功耗測量網絡系統，系統工作流程圖如圖4所示。

圖4 系統工作流程圖

圖4（a）中主循環的定時間隔是由MSP430F169中的16位硬件定時器Timer_A以增計數模式完成。實驗中定時間隔設為60 s，每隔60 s系統便進入中斷服務子程序。這樣每次MLX90614間隔睡眠模式工作，測量溫度的時間間隔為60 s，完全滿足不同精度下MLX90614對轉換時間的要求，同時亦能滿足監控中心對測試數據頻率的要求。

單片機控制MLX90614測溫部分程序代碼如下：

uint readtemp（void） //讀溫度數據

{

SCK=0； //時鐘線置低

start（）； //開始條件

SendByte（0x00）； //發送從地址00 SendByte（0x07）； //發送命令

start（）； //開始條件

SendByte（0x01）； //讀從地址00

bit_out=0； //數據標志位

tempL=ReadByte（）； //讀數據低字節

bit_out=0；

tempH=ReadByte（）； //讀數據高字節

bit_out=1；

err=ReadByte（）； //讀錯誤信息碼

stop（）； //停止條件

return（tempH*256+tempL）；

}

AT指令初始化通信模塊SIM900A的部分程序代碼如下：

if（Work_Mode==1） //判斷GPRS工作模式

{

Gprs_At_Command（9，AT_CloseIp，50）； //關閉IP連接

Gprs_At_Command（20，AT_IpParameters，30）；

//設置IP參數：等待時間、重發次數等

Gprs_At_Command（5，AT_W，30）； //保存設置

Gprs_At_Command（strlen（AT_CGDCONT），AT_CGDCONT，100）； //設置PDP聯系通道

Gprs_At_Command（13，AT_ActivateIp，100）； //激活IP地址

Tx_Head=AT_OpenIp0[0]；

Data_Cmnd_Snd（34，AT_OpenIp0[1]，1，5）； //連接中心IP

}

4 實驗結果

分別采用本系統和水銀溫度計對本單位內的多組暖氣的進水口和回水口處的溫度數據進行了測量，同時通過GPRS網絡進行傳輸。在實驗中，從早上8點至晚上6點，每隔半小時對暖氣溫度值進行水銀溫度計測量，并與紅外測溫系統顯示溫度對比，其二者測溫誤差不超過0.5 ℃，同時查看PC機接收數據，與紅外測溫系統顯示溫度完全一致，數據傳輸正確率達到100%。對系統工作電流進行了測試，當系統工作在休眠模式時，電流低于5 mA，具有低功耗特點，可延長電池的使用壽命。

5 結 語

本文設計的基于GPRS通信技術的熱網紅外測溫系統將MSP430F169微控制器、MLX90614紅外溫度傳感器和SIM9000A 模塊相結合，實現了一種低功耗無線遠程紅外測溫系統。該系統具有以下特點：在信號覆蓋范圍內不會受到用戶終端距離和區域條件的限制，供暖監控區域廣泛；實時性較強，數據傳輸量大且費用比較合理；測溫精準，測溫精度可以控制在0.5 ℃以內；為供暖監控系統提供了一個無線遠程數據傳輸方案，與有線網相比，節省了線路投資成本。經過實驗室測試，系統工作穩定、可靠，研究成果為城鎮集中供暖系統提供了一種實時、便捷、高效的多點、全方位的熱網紅外溫度監測方案，具有較好的可擴展性。

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