基于GPRS傳輸模式的綠色智能建筑能耗采集器設計

于雪+韓樂樂+魯艷慧

摘 要：目前常用的建筑能耗采集器多是上位機通過485或232總線直接連接分布在建筑內的儀器儀表，但這種采集方法存在一些缺陷。 首先大量部署485總線會帶來較高的施工成本，同時影響美觀。 另外當環境惡劣時，該方法布線復雜，或根本無法實現。 針對上述存在的問題，設計了一種基于GPRS傳輸模式的綠色智能建筑能耗采集系統。它利用SIM卡短信來設置通訊，網絡的保密性好，可靠性高，可實現一點對一點，一點對多點等靈活的組網方式。 在無法布線的情況下能方便的實現數據無線遠傳，容易實現異地和遠程監控。 子站GPRS模塊可對室內水、電、暖等多種相關能耗數據進行監控，從而實現控制中心對智能建筑內的能耗數據進行有效的監控。

關鍵詞：GPRS模塊；綠色智能建筑；建筑能耗采集器；數據無線遠傳

中圖分類號：TP334 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）11-0019-02

隨著國家智慧城市建設的不斷發展，對智能建筑低能耗的要求越來越高。在現實生活中，若能對建筑內的各種能耗數據進行有效監控和采集，將對智能建筑節能減排的工作提供巨大的幫助。近年來隨著無線通信技術[1]的不斷發展和進步，信息采集系統與通信網絡相結合正在成為一種新的發展趨勢。本設計將GPRS無線通訊技術[2-4]與綠色智能建筑能耗采集器相結合，組成無線能耗數據采集監控網絡，實時對建筑能耗數據進行采集和處理。在當今的中國，隨著國家對節能減排工作的重視，智能建筑能耗采集器具有良好的發展和應用前景。

1 總體方案選擇與論證

系統總體設計方案，當儀器儀表接收到相關指令時，需要將采集的各種相關能耗數據利用RS485接口傳給主控CPU，主控CPU通過RS232串口傳遞給子站GPRS。子站GPRS模塊與主站GPRS模塊的通信通過手機SIM卡的短信功能進行通信，主站GPRS模塊將采集的能耗數據經由RS232總線傳給上位機（PC）進行處理和存儲。子站GPRS模塊可對室內水、電、暖等多種相關能耗數據進行監控。

本設計中一個子站GPRS模塊通過RS232與主控CPU相連，而主控CPU通過485總線與多個儀表通訊。主站GPRS模塊通過SIM卡的短信設置可以與多個子站GPRS模塊進行通訊，可同時控制多個采集點，進行數據采集。系統采用ATmegal6作為主控芯片性能可靠，成本較低，功耗低、性價比高。主控CPU采集到能耗數據后，通過子站GPRS模塊轉SIM卡進行數據傳輸，主站GPRS將接收到的數據傳輸到上位機，在計算機上對采集到的能耗數據進行分析和處理。

2 數據采集

數據通過AVR單片機進行采集，當主站GPRS發來命令時，通過GSM網絡將信息傳輸給子站GPRS模塊，子站GPRS模塊通過232串口線將數據傳輸給主控CPU（ATMEGAL16），其接收命令后將信息通過485串口發送給智能電表進行數據采集。當數據采集完畢后，子站GPRS在通過短信的方式發給主站GPRS模塊，最終通過232串口發給上位機。

數據采集主要包括電量采集和溫度采集。電量采集模塊采用智能電表模塊，包括接收模塊及通訊接口，能夠實時的將電量數據采集，通過RS485串口傳遞給主控CPU。溫度采集模塊使用溫度傳感器DS18B20集成模塊，其在內部把所測得溫度信號轉換為多位數字信號，傳遞給主控CPU。其測量溫度范圍為-55℃～125℃，利用單I2C總線協議，方便硬件的實現。DS18B20智能溫度傳感器，可以直接讀出溫度，并且可根據實際要求通過程序控制實現溫度的顯示。再具體實施中，我們利用AVR單片機上集成的DS18B20模塊進行溫度數據的采集。

3 GPRS模塊通訊

短信模塊G100簡化了通信接口，性能穩定可靠，使用方便靈活。短信模塊G100的通信接口可以通過RS232與硬件進行連接，便于操作。采用G100的短信無線數據傳輸功能構建采集系統時，控制中心只需計算機連接一個G100主模塊即可。控制中心（PC機）可以利用串口將相關的控制密令傳送給G100主模塊，與G100分模塊的通信，可以利用網絡運營商的GSM網絡進行通信。GSM是全球移動通信系統，G100分模塊會將數據以短信的形式通過GSM網絡發送到控制中心進行處理。當G100分模塊接收到主模塊的相關指令后，會將指令數據通過RS232串口發送到采集控制器進行數據采集。當有數據從采集器傳送給G100分模塊時，分模塊利用GSM網絡的短信的功能與主模塊進行通信。GSM網絡為用戶提供了一個完全透明的數據傳輸通道，只要在GSM網絡覆蓋的地方，終端設備無需做任何改動即可搭建一個可靠、穩定的數據平臺。

本設計中，子站GPRS模塊可對多種能耗數據進行監控，一個主站GPRS模塊又可與多個子站GPRS模塊通訊。本設計采用GPRS模塊MC39i，我們通過RS-232串口將其與ATMEGAL16相連，采用標準的命令對其進行控制，同時把采集的信息送到GPRS網絡傳輸到控制中心。

4 GPRS與上位機連接

GPRS模塊接口與計算機進行連接時，由于兩者的電平不匹配，G100模塊采用的是TTL電平（+5V相當于邏輯“1”，0V相當于邏輯“0”），而計算機的接口電平不是TTL電平，這就造成兩者通信電平的不一致，需要進行電平轉換。TTL-232轉接板有兩種供電的模式，一種直接采用片外電源的方式進行供電，一種是由G100模塊上的電源進行供電，本設計采用了G100模塊的VOUT輸出5V電源進行供電。

5 測試平臺

系統具體實現，在本設計中系統采用ATmegal6作為系統控制芯片。采集系統采集到電表和溫度數據后，通過子站G100模塊轉SIM卡進行數據傳輸，主站G100接收數據，并通過串口將數據傳輸到上位機，進行數據的存儲。上位機監控軟件用VB程序編寫，實現數據的接收分析存儲與管理，以及針對分析結果實現對下位機的相應控制。本設計完成了整個數據采集、傳輸和存儲的過程，能夠實時的對電表和溫度的數據進行監控。

在本次的平臺搭建中，我們采用兩個G100模塊，模擬主站GPRS模塊和子站GPRS模塊，采集的數據包括電表數據和溫度數據，主控芯片為ATmegal6。電表與AVR單片機之間利用RS485總線進行連接，利用AVR單片機上集成的DS18B20模塊完成溫度數據的采集。利用計算機作為控制中心，采用上位機程序對主站GPRS進行相關數據的發送。本設計建筑能耗采集器采用GPRS無線通訊，省去了布線的費用，由于不需要鋪設有線線路，可有效縮短建設周期，符合當今智能建筑的發展方向。

6 總結與展望

本設計通過能耗采集器對室內水、電、暖等多種能耗數監控，通過GPRS模塊SIM卡短信設置實現數據遠程傳輸和監控，可以擺脫有線通信的制約，實現數據無線遠傳。采用無線接入的數據采集器，可方便地布署于各種場合，能夠通過PC機對電量、溫度等數據進行有效監控，實現了一套完整的系統，另外利用GSM網絡短信進行通信，有效提升了自我防護功能。上位機對采集的能耗數據進行處理和存儲，能夠為以后進行數據分析提供原始數據。同時，硬件和軟件方面具有良好的抗干擾設計，良好的完成了系統運作，能夠有效的傳輸數據，實現了遠程監控。綠色節能建筑是智能建筑發展的必然趨勢，將會作為現代建筑甚至未來建筑的一個有機組成部分。本系統設計能夠很好的應用到未來智能建筑的發展，適合于智能建筑的節能減排。

參考文獻

[1]陳玲，蔣中秋，朱軼.無線傳感器網絡監測中遠程數據傳輸的GPRS實現[J].煤田地質與勘探，2008，36（4）：70-72.

[2]范成軍，楊德芳，吳杰，等.基于GPRS的電能表的設計與實現[J].儀表技術，2006，（6）：21-23.

[3]代小紅，王光利.基于GPRS技術的設備遠程監控系統[J].壓電與聲光，2008，30（6）：765-768.

[4]梁娟，王典洪，熊月華.基于GR64模塊的通用GPRS數傳單元設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2007，（2）：48-50.