供热系统物联网终端网络设计

摘要：为了适应物联网技术不断发展和我国城市供暖体制改革的需要，文中将无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术和无线通信技术应用到供热系统中，并结合预收费系统和远程数据传送系统，提出了一种供热系统物联网终端网络的设计方案，并给出了整体系统结构、硬件设计和软件设计方法。通过该终端网络可实现供热数据的远程实时在线自动传送，从而为供热系统提供实时、准确的数据，使供热系统实现有效调控，提高节能减排效果。
关键词：物联网；RFID；供热系统；ZigBee；GPRS

0 引言
    继互联网、移动通信之后，物联网无疑是引发新一轮信息技术产业浪潮的重要产业，并已经成为国际新的一轮技术竞争的关键点。物联网的本质是利用IT技术构建一个物质与物质之间的信息交互网络，实现对物质的智能化实时管理与控制，提高资源的利用率和生产率。2009年10月，欧盟推出“物联网战略研究路线图”，力推物联网在航空航天、汽车、医疗、能源等18个主要领域的应用。目前欧美国家已将RFID技术应用于交通、车辆管理、身份识别、生产线自动化控制、仓储管理及物资跟踪等领域。在国内，2011年，物联网传感器产品已率先在上海浦东国际机场防入侵系统中得到应用。该系统可以防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵。济南园博园也采用ZigBee无线技术实现了园内路灯的物联网控制。
    随着我国城市供热体制改革的不断推进，国内供热城市大多要求以节能减排为目的，实现供热系统的自动化调控和户使用热量表收费。基于此，本文将物联网技术中的RFID技术、ZigBee技术和GPRS技术应用到热力系统中，提出了预付费与远程抄送相结合的供热系统物联网终端网络设计方案，以实现对计量数据的非接触传输及结算交易控制，为实现城市集中供热智能化管理提供了可能性。此系统是实现数字城市、数字社区的坚实基础，具有很高的社会效益和经济效益。

1 物联网供热系统结构
    本系统包括预付费系统和无线远程抄送系统，系统主要南射频卡、终端系统、集中器和中心服务器组成。其中，终端系统由热量表、采集器和锁闭阀构成，采集器通过接口电路与热量表通信和控制锁闭阀；集中器与采集器之间应用ZigBee技术构成无线数据通信局域网；中心服务器与集中器之间由于通讯距离较远，设计采用GPRS模块实现远距离的无线通信，图1所示是该系统的结构框图。

1．1 预付费系统
    预付费系统由射频卡、热量表、锁闭阀、采集器和集中器构成，射频卡与热量表、锁闭阀和采集器通过集中器形成映射关系，图2所示是基于射频卡的预付费工作原理图。

    首先，用户到热力公司充值，使射频卡内含有一定的购热量。当射频卡进入集中器的识读器工作场时，集中器通过识读器获取射频卡数据(用户信息、购热量等)并进行存储、比较等处理．最后对射频卡进行数据清零处理。集中器定时通过ZigBee网络向采集器发送数据请求，采集器再将热量表的数据返回给集中器。这样，根据用户的用热情况，用户的购热量将逐渐减少，当其值减为零时，集中器发送关闭锁闭阀命令，停止对该用户供热，直至再次充值。
1．2 无线远程数据抄送系统
    该系统由中心服务器、集中器和终端(采集器、热量表和锁闭阀)构成，其结构图如图3所示。中心服务器配置固定的IP地址，各个集中器通过ZigBee网络读取每个热量表的数据(热量、管道流速、供回水温度等)，通过GPRS通信模块以IP数据包的方式把数据汇总到服务器，供热中心主机的管理系统完成数据的处理、分析、存储等，从而为热力公司的协调部门提供数据。

2 硬件终端设计
2．1 热量表
    热量表利用超声波测量管道流速、温度敏感元件铂电阻PT1000来测量供回水温度，以精确计算用户的用热量，每个热量表都有地址编号，能进行数据通信，并向外部传送供回水温度、瞬时流速、累计流量、累计热量、累计工作时间、日期等数据。
2．2 锁闭阀
    锁闭阀是直流减速电机驱动的球阀，能够接收控制命令，执行开关操作。
2．3 采集器
    采集器由微控制器(MCU)、接口电路、控制电路、电源电路和ZigBee模块等组成，可通过接口电路读取热量表的数据，控制锁闭阀开关，通过ZigBee网络完成与集中器的通信。其结构原理图如图4所示。

    采集器和集中器之间采用的ZigBee技术是一种短距离、低速率、高效率的无线网络技术，数据传输频带为全球通用的2．4 GHz，其底层采用直扩技术，具有大规模的组网能力。网络中的节点以接力的方式进行数据传输，速率最快可达250 kB／s。在不同的工作频率下，节点传输距离从十几米到几十米，若增加功率放大装置，则可使传输距离更远。该系统的终端分布较集中，集中器与采集器之间距离较短，且传输数据量少，实时性要求高，因此，采用ZigBee网络进行数据传输是最佳选择。
2．4 射频卡
    射频卡中嵌入的RFID标签能够存储用户信息和购热量等数据。采用RFID技术可以与识读器进行快速数据通信，将卡内信息传至集中器，集中器控制锁闭阀以实现预交费。RFlD技术主要使用无线通信来唯一地识别对象或人，通常由信息载体和信息获取装置组成。为实现对物体的识别，无线射频技术采用射频方式进行非接触双向通信，同时将采集到的相关信息通过无线技术进行传输。它具有功耗小、成本低、穿透能力和抗十扰能力强、传输速度快、传输距离远和使用寿命长等优点。
2．5 集中器
    集中器以单片机为核心，由电源电路、识读器、GPRS模块、ZigBee模块、数据存储电路和显示电路等部分组成，其硬件框图如图5所示。该硬件的主要功能是通过识读器读取射频卡数据，存储购热量并将卡内数据清零；同时定时通过ZigBee网络获取采集器渎取的热量表数据和锁闭阀状态，并将数据存储打包；最后通过GPRS网络向中心服务器传送数据包。

    由于集中器的分散性且距中心服务器较远，所以，本系统采用GPRS技术进行无线传输数据。GPRS传输方式作为GSM较为成熟的无线数据传输业务，可提供一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。
    在GPRS信道上提供有TCP／IP连接，可用于Internet连接、数据传输等。而在此网络上提供的GPRS数据传送业务的资费甚至低于专网的维护费用，同时有着数据传输速率高、通信质量可靠、开发周期短、安装调试方便等显著优点。因此，本系统在远程无线传输通信上选用GPRS通信模式。
2．6 中心服务器
    中心服务器可通过GPRS网络接收集中器传送的数据并存入数据库，这样，管理部门就可通过主站软件对用户的热量进行统计、分析并监测供热情况，以便于供热系统的实时调控；同时可通过管理软件和财务软件完成用户信息存储和充值等。

3 系统软件设计
3．1 采集器软件设计
    采集器的软件流程图如图6所示。该软件的工作过程首先是对ZigBee模块进行初始化，包括初始化串口、I／O口等；然后发送加入网络信号，等待集中器内的ZigBee模块的应答。若没有接收到应答，采集器则继续发送入网信号，若加入网络成功，则等待集中器的命令。接收到集中器的命令后，即可通过接口电路读取热量表的数据，并通过控制电路开关锁闭阀。

3．2 集中器软件设计
    集中器的软件流程如图7所示。其中系统初始化包括定义系统的时钟信号、工作频率、存储器初始化及I／O接口、定时器等外设的初始化，其初始化流程图如图8所示。初始化ZigBee模块就是建立网络，同时与采集器建立连接；初始化GPRS模块申请入网则与中心服务器建立连接。当有射频卡进入识读器的工作场时，程序会进入中断函数，完成射频卡的读写操作，图9所示是集中器读射频卡中断处理流程图。如果定时器时间到了，程序进入定时器中断函数，并采集热量表的标志位置位，同时在主程序中开始通过ZigBee网络向采集器发送数据请求，然后等待返回数据，最后将接收的数据打包通过GPRS网络上传至中心服务器。

3．3 中心软件设计
3．3．1 用户档案管理
    系统中的所有热量表、锁闭阀和采集器都应建立档案，包括安装位置，热量表型号，户主信息，热量表与采集器的对应关系，热量表更换和系统维护等信息，以便于日后维护管理；抄取的热量表数据可存放于数据库中，做好数据备份并提供公开的接口，用户可通过接口访问数据库。
3．3．2 系统运行监控
    在管理中心可以查看系统中任何一个热量表和锁闭阀的数据和运行状态，并可以对数据进行智能分析，以便为热力公司调控提供数据依据，保障供热均衡。同时，当出现异常或热量表故障时，还应可以及时地采取措施。
3．3．3 财务系统
    如果是管理中心自行收费，本系统可以自动生成收费报表，并打印收据，也可以根据客户的需要打印查询报表，并且应具有缴费方式统计和未缴费用户统计功能。

4 结语
    物联网可以把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，将“物联网”与现有的互联网整合起来，可以实现人类社会与物理系统的整合，人类可以以更加精细和动态方式管理生产和生活，提高资源利用率和生产力水平。
    本系统利用近距离、数据量小的RFID和ZigBee无线通信来完成集中器和采集器之间的通信，同时利用GPRS网络作为远程数据通信平台，从而发挥了通用无线分组业务数据传输的优势，保证了数据传输的可靠性、稳定性，实现了预付费与无线远程数据抄送的成功结合，准确、方便、快捷，不但能适应现代用户对用热交费的需求，而且能提高热力公司的工作效率，减少工作中的盲目性，合理调控和分配供热量，在
用户舒适用热的前提下节约能源。此外，供热系统物联网终端网络实现简单，运营成本低，具备良好的通用性，而且也适用于电力系统自动抄表与远程控制等监测点分散或自然条件恶劣的监控网络。