供热系统物联网终端网络设计

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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

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：2095-1302(2012)01-0055-05

Design of IoT Terminal Network for Heating System

WU Fei1, WANG Xiao-ming1, REN Wen-ju1, WU Zhao-xia2, ZHANG Kai-xuan1

HAO Li-ming1, ZHANG Yan-ling1, SHEN Ya-ting1

(1.College of Electrical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China;

2.Automation Department, Northeastern University at Qinhuangdao, Qinhuangdao 066004, China)

Abstract： With the continuous development of Internet of things (IoT) technology and the reforming of city heating system in our county, the IoT terminal network for heating system was designed. The design applied RFID and wireless communication technology to heating system, and combined prepaid management system with remote data transmission system. The overall structure of the system and the design of hardware and software are given. The designed terminal network which can realize remote real-time on-line automatic data transmission, make heating system achieve effective control and realize energy saving and emission reduction further.

Keywords： Internet of things; RFID; heating system; 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［1］。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［2］。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［3］。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［4］。

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［5-6］、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，系统主要由射频卡、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［7］；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［8-9］，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［10］，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［11］。

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。

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。

参考文献

［1］杨刚.物联网理论与技术［M］.北京:科学出版社,2010.

［2］杨恒,王娇.物联网产业发展与投资分析［J］.移动通信,2011(9):57-61.

［3］王刚.上海浦东国际机场防入侵系统［J］.物联网技术,2011,1(1):30-31.

［4］王刚.ZigBee路灯控制系统点亮济南园博园［J］.物联网技术,2011,1(1):33.

［5］杨雪岩,马汝建,任国贤,等.基于RFID技术的新型热量表设计与实验研究［J］.仪表技术与传感器,2010(12):22-25.

［6］易霞,滕召胜,张向程,等.Mifarel射频卡在预付费电能表中的应用［J］.自动化仪表,2007,28(6):13-16.

［7］宗圣旗.基于ZigBee的嵌入式自动抄表系统的研究［D］.兰州:兰州理工大学,2009.

［8］王晓兰,任晓芬.基于GPRS的远程监控系统集中器的设计［J］.微计算机信息,2007,23(10):30-32.

［9］孙庆吉.基于GPRS的电能计量无线采集系统设计［D］.哈尔滨:哈尔滨理工大学,2008.

［10］王玉凤,姜林.基于ZigBee和GPRS的无线抄表系统［J］.仪表技术与传感器,2010(10):49-50,59.

［11］张衡,徐东明,陈文宣.热量表的原理及其抄表系统［J］.中国集成电路,2011(146):85-90.

作者简介：

吴 飞 男，1978年出生，浙江人，博士，副教授。研究方向为光纤传感及解调技术、电磁场、射频电路、射频识别和物联网。

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