熱力供暖狀態遠程監測系統的設計與實現

金盟，喬毅，蘇明濤

（大連交通大學電氣信息學院，遼寧大連116028）

熱力供暖狀態遠程監測系統的設計與實現

金盟，喬毅，蘇明濤

（大連交通大學電氣信息學院，遼寧大連116028）

定時監控室溫可以有效解決熱力工況不穩導致的用戶供暖效果不均勻的問題，基于此，設計出了一種遠程監控溫度采集設備。該系統是基于STM32單片機和GPRS網絡的室溫采集與傳輸的終端設備，能夠實現室溫采集、數據顯示、數據傳輸和短信報警等功能；溫度遠傳儀配置與調試軟件通過串口通信，應用于終端設備的參數設置和設備調試。系統設計了相應的上位機，具備溫度數據接收、數據存儲和遠程控制等功能；室溫監測網站可將存儲入數據庫的溫度數據等進行處理并以圖表等形式顯示，可供多用戶監測和分析數據，實現了數據信息共享，擴大了室溫數據的監測范圍。

遠程監控；供暖狀態；STM32單片機；GPRS網絡

在我國北部地區，冬季的采暖工作是一個關系和涉及民生的關鍵問題，目前室內供暖系統溫度的最低標準限定，已經由2005年的不得低于16攝氏度標準提高到不得低于18攝氏度[1]。在這種背景下，勢必要建立一個科學快速準確的遠程溫度監測系統對解決集中供熱過程中出現的種種問題，與此同時，系統的建立，也便于相關部門及時了解、掌握與監督供暖企業的運行狀況，提高供熱管理水平，為實現節能降耗與科學運行提供依據。而遠程無線檢測設備能夠體現出其在全局控制調整、系統自適應性、安裝成本等方面的巨大優勢。因此在熱力供暖系統中發展無線的遠程監控設備及其系統具有重要的意義。

文中正是將無線遠程監控技術應用于供暖系統的一種形式。文中將熱力供暖效果遠程監測系統分為上位機與下位機兩個部分進行設計。供暖終端的溫度采集設備（下位機）實現對相關室溫數據的采集，利用GPRS技術和Internet技術與計算機（上位機）實現相關數據的傳輸，將數據記錄于數據庫中，同時通過互聯網絡供相關人員的查看與調用。下位機同時可利用SMS（Short Message Serve，短消息服務）實現溫度越限的報警，及時反饋現場數據和情況，能夠有效的提高熱力供暖的安全性和實時性[2]。

1 系統的總體結構設計

本系統旨在通過在各供暖區域內合理的設立N個供暖用戶室溫的遠程監測點，對室內溫度等進行實時的采集，具有定時發送數據到發送熱力公司的監控中心以及溫度超限短信報警等功能。監控中心配備有遠程室溫的監測軟件和監控網站，通過Internet技術和GPRS技術等，實現數據存儲與共享，達到對供暖溫度遠程監控和管理的目的[3]。遠程溫度監測系統總體結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構示意圖

將遠程溫度監測系統總體分為上位機和下位機兩個部分進行設計，系統總體架構如圖2所示。根據實際的需求，除了數據庫部分使用SQL Server 2008數據庫軟件外，其余部分進行自主開發設計，熱力供暖效果無線遠程溫度監測系統需要開發具有如下的功能[4]：

系統的下位機部分：

設計與開發供暖用戶終端數據采集與傳輸設備即溫度遠傳儀，它能夠定時精確地采集和存儲溫度數據，并通過GPRS通信網絡與監測中心的溫度遠程監控軟件建立連接，進行相關的各項數據的通信傳輸，同時可通過短信服務對指定人員或者用戶實現報警短信的功能；設計與開發一個溫度采集終端設備的設置及調試軟件，用戶能夠簡單快速的進行設備產品參數的讀取與設定[5]。

系統的上位機部分：

計與開發一個基于客戶端/服務器（Client/Service，C/S）結構的溫度遠程監控軟件，用于與溫度遠傳儀建立通信連接，接收相關數據并存儲其至數據庫中對應的數據表，同時把溫度數據、設備電量、設備連接狀態與時間等實時地以在線設備列表的形式顯示處來，以供相關人員查看。并且能夠使用軟件發送相應的命令指令更改溫度遠傳儀的設備參數等。設計與開發一個基于瀏覽器/服務器（Browser/Service，B/S）結構的室溫遠程監控網站，以列表和圖形的方式顯示溫度數據、設備電量、設備狀態等信息，解決和實現溫度數據的網絡共享與分析處理[6]。

2 系統的硬件設計

2.1 系統硬件總體設計

系統下位機部分溫度遠傳儀的硬件設計是實現溫度采集、溫度上傳，實現對供暖效果監測的基礎。溫度遠傳儀的硬件主要包括STM32主控制器模塊、GPRS無線通信模塊、溫度和電量檢測模塊、USB轉串口模塊、電源模塊、LCD顯示模塊、RTC時鐘模塊、EEPROM模塊以及下載調試模塊等。系統的硬件結構組成如圖3所示。

圖2 系統總體架構設計圖

圖3 系統硬件結構圖

2.2 核心控制器設計

溫度遠傳儀的主控器模塊使用的MCU是STM32L151C8T6，是意法公司推出的STM32系列處理器。該系列芯片產品成熟，性價比高，集成度高，專用于為了滿足能耗低、處理性能強、實時性好、價格低廉的嵌入式場合需求，且STM32系列處理器編程時可用其自帶的固件庫，有利于縮短開發周期以及后期的維護工作[7-8]。

2.3 GPRS無線模塊

SIM900A是硬件部分的GPRS無線模塊的核心部分，它是一種雙頻的模塊，工作的頻段分別為：EGSW 900 MHz和DCS 1 800 MHz，可自動搜索兩個頻段，也可通過AT指令來設置頻段，支持GPRS multi-slot class 10（默認）/class 8（可選）和GPRS編碼格式CS-1，CS-2，CS-3和CS-4。SIM900A有豐富的硬件接口，具有鍵盤接口、SPI顯示接口，主串口、調試串口、一路音頻接口以及多個可編程通用輸出輸入接口，能夠滿足應用模式下的全部需求，且模塊封裝尺寸小，能夠達到近乎所有應用場合中對空間和尺寸的需求。SIM900A內嵌有TCP/IP協議，在數據通信方面的應用時使用其擴展的相應AT指令，能夠方便快速的使用該協議[9-10]。

2.4 電源模塊

由于系統下位機的溫度遠傳儀部分需要持續不間斷的工作在整個供暖期，單次工作的時間較長，且當供暖期結束之后需要進行充電回收，基于這樣的較為特殊工作性質，采用鋰電池進行設備的電源進行供電更為合適妥當。因此，電源模塊分別兩個部分：鋰電池電源轉3.0 V電源電路，用于穩定的電源輸出；鋰電池電源充電電路，用于補充鋰電池的電源電量[11]。

3 系統的軟件設計

3.1 軟件總體設計

遠程溫度檢測系統的下位機部分溫度遠傳儀的軟件部分是采用ARM公司推出的針對多種嵌入式控制器的最新軟件開發工具RealView MDK，即微控制器開發工具包，它是專門用于開發基于ARM內核的微控制器，支持包括ARM7、ARM9以及Cortex-M3等核處理器。軟件自身集成諸多的開發套件，易于完成項目的開發，等先前的開發軟件相比，性能得到大幅的提高。MDK具有軟件仿真的功能，通過仿真，可以檢查程序錯誤，提高閃存的使用壽命，MDK同時也具有支持程序下載和在線調試功能等[12]。系統主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統主流程圖

3.2 串口命令子程序設計

在主程序的流程中檢測到串口已經準備好，則進入到監視串口命令子程序，串口命令子程序主要的功能是與下位機部分溫度遠傳儀配置與調試軟件進行串口通訊，達到對終端設備參數設定的目的。流程圖如圖5所示。

圖5 串口命令子程序流程圖

3.3 短信報警子程序設計

短信報警子程序設定有高報溫度、低報溫度還有回差溫度。3個溫度的關系如下[13]：

l）當室溫溫度高于高報溫度時，產生高溫報警且發送報警短信；當溫度低于高報溫度減去回差溫度時，高溫報警取消；

2）當室溫溫度低于低報溫度時，產生低溫報警且發送報警短信；當溫度高于低報溫度加上回差溫度時，高溫報警取消。

短信報警子程序的開始為了避免重復發送報警短信的情況，首先通過高報標志位檢測高報短信是否已經發送，如果已經發送，則檢測和比較室溫與高報溫度減去回差溫度的差值的大小，根據兩個數值的大小情況決定高報標志位是否置0；高報短信沒發送，則檢測和比較室溫與高報溫度值的大小，根據兩個數值的大小情況決定是否發送短信和高報標志位是否置1。隨后進行低溫報警的檢測[14]，流程與上述高溫報警的一致，短信報警子程序的整體流程圖如圖6所示。

3.4 系統上位機設計

室溫遠程監測網站的用戶管理模塊主要包括用戶登錄和用戶注冊的功能。網站登錄功能頁面如圖7所示，登錄到室溫監控網站主頁面，使用網站的監控功能，是需要輸入正確的用戶名和密碼的，否則是無法進入的。這樣既可以保證網站和數據的安全性，又能保證整個系統的運行的性能和穩定性。同時，可以通過填寫相應的注冊信息申請使用監控網站的權限，經過監控網站的管理人員驗證核實后，將用戶數據加入到數據庫中，就能夠正式登錄，使用監控網站的各項功能了[15]。

圖6 短信報警子程序流程圖

圖7 系統上位機界面

4 結 論

本文針對集中供熱效果不均勻的現象，設計與開發了基于GPRS無線通信技術的室溫監測系統，旨在對熱力供暖的效果進行檢測，提高與保證了室溫監測的實時性與可靠性，豐富了熱網調控設備范圍。室溫監測系統能夠滿足實際應用的功能需求，并且已經在大連市某國有供熱公司投入使用。

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Design and realization of remote monitoring system for heating condition

JIN Meng，QIAO Yi，SU Ming?tao
（School of Electronics and Information Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian116028，China）

Based on the thermal condition of instability caused by the uneven heating effect of user problems，a remote monitoring temperature acquisition device has been designed.System is based on the STM32 MCU and GPRS network room temperature acquisition and transmission of terminal equipment，to achieve room temperature acquisition，data display，data transmission and SMS alarm functions；temperature far eastone instrument configuration and debugging software is based on the serial port communication，applied to terminal equipment parameter Settings and equipment debugging.The corresponding upper machine system design，with temperature data receiving，data storage and remote control functions；room temperature monitoring the temperature of the site can be stored into the database data processed and displayed in the form of chart，etc，such as monitoring and analysis of data for multiple users，the information sharing，data on expanding our scope of monitoring the temperature data.

remote monitoring；heating status；STM32 microcontroller；GPRS network

TN91

A

1674-6236（2017）22-0131-05

2016-09-19稿件編號：201609169

金盟（1992—），男，遼寧大連人，碩士研究生。研究方向：綜合自動化和先進控制技術。