GPRS無線網絡在智能熱水供應系統中的應用

沈立剛

(上海金自天正信息技術有限公司，上海 201900)

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GPRS無線網絡在智能熱水供應系統中的應用

沈立剛

(上海金自天正信息技術有限公司，上海 201900)

1　GPRS概述

GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線服務技術的簡稱[1]，是在現有GSM(Global System for Mobile Communication)網絡基礎上發展的一種新型移動數據業務。

GPRS技術通過利用GSM網絡中未使用的TDMA信道，以封包(Packet)方式傳輸數據，通過增加相應的功能實體和對現有的基站系統進行部分改造來實現分組交換[2]。

GPRS網絡具有持續在線、接入速度快、按數據流量計費的特點，支持TCP/IP協議，能夠與Internet實現無縫對接。

2　智能熱水供應系統簡介

如圖1所示，某高校智能熱水供應系統主要由太陽能集熱器、熱泵機組、燃氣鍋爐和水箱等組成。該系統的設計理念是 “以太陽能為主、電能及燃氣為輔”來實現熱水的節能、高效、智能供應。由于該校所處地區太陽輻射強度高、日照時間長，因此在夏季且天氣狀況良好的情況下，每套系統配置的太陽能板產生的熱量基本可以滿足日常供應熱水時所需的能量；在陰雨天或冬季，太陽能發揮作用欠佳，主要依靠熱泵機組或/和天然氣鍋爐對水進行加熱，提高鍋爐的熱效率，降低運行成本。

正常運行時，太陽能集熱器對容量為6t的小水箱內的循環水進行加熱，達到預設溫度后的熱水通過補水泵進入容量為15t的大水箱(保溫水箱)，以供應日常用水。當經太陽能集熱器加熱的循環水達不到預設溫度時，再由熱泵機組或/和燃氣鍋爐對兩個保溫水箱內的水進行加熱直至達到設計水溫。

為充分利用太陽能，減少電能和燃氣的使用量，可在監控畫面上設定熱泵機組和鍋爐的使用時間(如14:00～23:00)以及系統運行時間(如7:00～24:00)，根據不同季節劃分運行模式(如鍋爐只允許在冬季模式下使用)，如此可減少系統能源消耗。

圖1　某高校智能熱水供應系統結構簡圖

3　監控系統網絡設計

由于該高校占地面積較廣，需要進行監控的智能熱水供應系統所在樓宇分布較為分散，為節省工程投資、縮短施工周期，經考察、討論，決定采用GPRS無線通訊方式實現數據遠程傳輸。

GPRS無線網絡在實際的應用中主要有GPRS在線監控、外網動態IP+DNS解析、外網靜態IP、SMS通訊、APN專線接入等組網方案[3]。

3.1GPRS在線監控方案

該高校生活區分為A區和B區，每個區的智能熱水供應系統各自獨立，現以A區系統為例進行設計。需要對A區共28棟樓的智能熱水供應系統進行監控，根據熱水供應的設備數量及安裝位置，確定A區GPRS在線監控系統網絡拓撲結構(圖2)。

圖2　GPRS在線監控系統網絡結構拓撲圖

該系統由一臺西門子工控機作為中心數據服務器，安裝在集中管理辦公室，主要完成數據的處理和存儲、系統狀態顯示、實時運行控制等操作。另外，在現場控制柜上安裝了MCGS TPC7062KX 7″彩色觸摸屏，用于實現系統的現場控制，主要完成系統狀態顯示、實時運行控制、當前數據顯示及歷史數據查詢等功能。每套智能熱水供應控制系統均設置2塊西門子S7-224XP控制器，每塊控制器分別控制1條獨立的熱水加熱及供應管路。

該系統主要包括PLC(CPU224XP CN)56臺、觸摸屏(MCGS TPC7062KX 7″彩色觸摸屏)28臺、無線發射/接收設備(F2114 GPRS IP MODEM)28臺、無線路由器(F3X25 ROUTER)1臺、智能電表(RS-485/P、I、U)28臺、液位/溫度傳感器若干。

F2114設備與中心數據服務器端的F3X25路由器進行GPRS通訊，將采集到的現場數據上傳到中心數據服務器并將遠程控制命令傳送給PLC控制器，以實現遠程監控。

通常F2114獲得的IP地址為動態內網IP地址，訪問Internet時GPRS網關為F2114提供臨時的NAT端口映射服務，因此，Internet上的中心服務器不能主動發起對F2114的訪問，而必須由F2114上線時首先發起對Internet主機的訪問后，雙向通訊才能正常進行。移動GPRS網關提供的NAT端口映射服務具有時效效應，若需要雙向的通訊必須設置F2114定時發送心跳數據包，保持NAT 端口映射。

調試運行一段時間后，發現通訊質量會受到通訊距離遠、無線信號干擾、建筑物屏蔽等因素的影響從而無法達到實時監控的要求，因此從盡量降低工程投資成本的角度考慮，最終選擇了外網動態IP+DNS解析方案進行組網。

3.2動態IP+DNS解析方案

動態IP+DNS解析方案系統的網絡結構見圖3，可以看到，該方案取消了GPRS無線路由器(F3X25 ROUTER)，改為由中心數據服務器采用動態IP的方式接入Internet。在這種方案中，雖然中心數據服務器端每次上線的IP可能不同，但通過DNS動態域名解析可以在GPRS模塊與中心數據服務器之間建立連接。

圖3　外網動態IP+DNS解析系統網絡結構拓撲圖

采用動態IP+DNS解析方案，需要為中心數據服務器申請一個域名，并把這個域名寫入GPRS模塊(F2114)中。中心數據服務器端首先接入Internet，再與DNS服務器進行連接，將當前獲得的動態IP報告給DNS服務器。在GPRS模塊上電后，先采用域名尋址的方式連接DNS服務器，再由DNS服務器找到中心數據服務器外網動態IP，以實現兩者之間的通訊。

該方案可以減少申請和使用外網靜態IP的費用，避免中心數據服務器端GPRS設備受到信號干擾、屏蔽，滿足工程通訊要求。

3.3數據采集端網絡結構

如圖4所示，在本工程中，控制器之間數據交換采用PPI通訊協議，PLC與熱泵機組、智能電表之間均通過Modbus-RTU協議進行通訊；PLC與觸摸屏和F2114采用PPI協議進行通信；其余設備采用硬接線的方式與PLC連接。

圖4　數據采集端網絡結構拓撲圖

4　系統組態

本工程在中心數據服務器上安裝一體化監控指揮平臺iCentroView(簡稱iCV)，該平臺可提供給用戶豐富的軟件開發工具(包括統一客戶端顯示框架、組態、報表、統計圖、趨勢圖等)，支持模塊化開發方法，具有強大的腳本編輯功能，可以快速搭建出用戶所需的監控平臺。

4.1配置中心數據服務器

中心數據服務器端通過iCV平臺對服務器進行配置，開放4415服務端口，開啟服務功能。

在采用GPRS在線監控方案時，需要在網關路由器(F3X25 ROUTER)上做NAT映射。在IE瀏覽器中輸入網關路由器IP地址，進入路由器設置頁面，在NAT選項下添加運營商分配的外網IP(例如27.154.68.226)和內網服務器的IP地址(例如192.168.1.10)，將來源端口和目的端口統一設定為4415端口。設置完成后，當來自外網的數據包訪問27.154.68.226網關的4415端口時，網關就把數據轉給內網數據中心192.168.1.10的4415端口。

在采用動態IP+DNS解析方案時，需要通過動態域名客戶端軟件申請二級域名，經申請的中心數據服務器域名為：ndlwill.f3322.org。

4.2配置F2114 IP MODEM

在F2114設備中插入SIM卡，確定調試工具電腦串口號以及比特率(例如選用COM1通訊端口，比特率為115 200bps)。通過IP Modem Configure對F2114設備進行配置，首先確定中心數據服務器地址和端口，在采用GPRS在線監控方案時，輸入IP地址27.154.68.226和4415端口號；在采用動態IP+DNS解析方案時，輸入中心數據服務器域名ndlwill.f3322.org和4415端口號。其次，配置IP Modem工作參數，工作模式選擇PROT,輸入所插入的SIM號碼，無線網絡為3gnet,APN需根據所選擇的服務商進行確定(移動為cmnet,聯通為uninet)。最后，通過SSCOM串口工具進行通訊測試。

5　結束語

基于GPRS無線網絡實現的某高校智能熱水供應系統現已正式投入運行，實踐證明該系統有效地降低了工程投資，且運行穩定，滿足智能監控要求。可見，GPRS無線網絡在綠色、智能建筑領域具有較高的實用價值與推廣意義。

[1]鐘章隊，蔣文怡，李紅君.GPRS通用分組無線業務[M].北京：人民郵電出版社，2001.12.

[2]顧肇基，王穎.GSM網絡與GPRS[M].北京：電子工業出版社，2002.

[3]趙亮，黎峰.GPRS無線網絡在遠程數據采集中的應用[J].計算機工程與設計，2005.26(9)：2552-2554.

Application of GPRS Wireless Network in the Intelligent Hot Water Supplying System

Shen Ligang

分析了某高校智能熱水供應系統的結構特點，重點對基于GPRS網絡通過物聯網數據終端設備實現的無線長距離數據傳輸系統進行了研究與實驗，并對系統組態過程進行了概述。

物聯網GPRS數據傳輸DNS

The structural features of the intelligent hot water supplying system in a university is analyzed,and it focus on the implementation of the long-distance data transmission system which based on the GPRS network and composed of the IoT(internet of things)data terminal equipment.Furthermore,the procedure of the system’s configuration is introduced.

internet of things，GPRS，data transmission，DNS