基于GPRS技术的热网远程监测系统

刘 冰，许青松，杜 娟，党震宇

（1.航天长征化学工程股份有限公司 兰州分公司 兰州 730050；2.东北电力大学 自动化工程学院，吉林 132012；3.中国煤炭科工集团 沈阳设计研究院，沈阳 110000）

0 引言

针对供热系统中，供热站数量众多，地理位置分布广泛，用传统的ADSL进行通信存在布线困难、维护费用高等缺点。随着供热系统数据采集与监控技术的发展，利用GPRS网络远程传输数据，可以通过小数据流的方式实现实时监测供热站运行数据，根据需要进行数据分析处理、为企业提供失水量监测、供热品质报警、政府监管、实时与历史数据查询等功能。

本文主要以吉林市市政供热工程为背景，进行了基于无线网络的供热站监控系统的开发研究。系统对供热站的运行参数进行数据采集，通过DTU终端将数据经GPRS网络传输到调度监测中心。监测中心系统采用B/S结构，具有分布性特点，可以随时随地进行浏览操作、扩展简单灵活、维护简单方便、开发简单、共享性强等优点，方便运行人员使用。GPRS无线网络、无线监测终端部分、现场传感器等组成，如图1所示。

图1 系统结构图

1 系统设计

1.1 总体设计

就供热系统而言，供热单位需向热用户提供一定温度和压力的合格的热水，供热单位按用热量向热电厂缴纳一定的费用，供热单位需要对各供热站里的温度、压力、流量、液位等数据进行实时监测。根据从各供热站所监测到的实时运行数据，调整运行工况，从而保证供热系统稳定安全的运行。热网监测系统主要由监测中心服务器、

1.2 工作流程

GPRS是通用分组无线技术（General Packet Radio Service）的简称，它是GSM的延续。GPRS是以封包（Packet）式来传输，因此所产生的费用是以数据量来计算，并不占用整个频道，所以运行费用较为低廉。GPRS的理论报文数据交换速率高达171.2kbp/s，实际速度是30-70kbp/s。

在各个热力站安装热电阻和压力变送器一次元件将现场供回水温度、压力值转换为4-20mA电流信号通过微处理器控制电路将电流信号转换成数字信号，经串口传给GPRS模块，然后通过网络传给监测中心服务器。监测中心将数据包解析出来。这里解析出来的运行数据是标准的4-20mA信号值，最后通过现场传感器的类别、量程转换成温度、压力值，供管理软件使用。由于通过GPRS技术将电信网络和计算机网络有机连接在一起，监测中心主机通过配置固定的IP地址或域名就可以同各个热力站的数据传输单元DTU进行数据通信。

2 硬件设计

监测系统硬件组成主要由传感器、A/D转换器、单片机、GPRS模块等组成。监测终端硬件框图如图2所示，终端处理器采用SAMSUNG公司的S3C2440A芯片，GPRS模块采用华为公司的GTM900C模块。S3C2440A处理器工作主频为400MHZ，自带8通道复用10位的ADC，3通道UART可基于DMA方式或中断模式工作。GTM900C模块工作频段为EGSM900/GSM1800，协议兼容GSM/GPRS Phase2/2+支持华为GT800协议，支持透明传输。

图2 监测终端硬件框图

GTM900C模块与S3C2440连接通过串口连接通信，由于GTM900-C模块的信号是TTL2.85±0.1V接口，需要进行电平转换，芯片采用Sipex公司的SP3238转换芯片。TTL 电平转换电路如图3所示。

图3 电平转换电路

GTM900C模块提供标准SIM卡接口，包括SIM卡在位信号、数据传输接口、时钟信号、电源接口等。SIM卡电路如图4所示。

图4 SIM卡电路

GTM900C模块电源供电范围为3.4-4.7V，推荐电压为3.8V，系统总电源采用9V电源供电，本设计采用NS公司的LM2576S-ADJ单片降压式稳压器，输出电压可调，利用两个比例电阻的比例来使输出电压为4V。图5为4V电源电路设计，其中VTP为9V电源供电。

图5 GTM900C电源供电电路

3 监测中心软件设计

3.1 终端控制模块程序设计

程序设计主要包括系统的初始化和S3C2440与GTM900C模块通信，系统初始化主要进行内部寄存器初始化、I/O端口的初始化、配置外围地址空间、设置异常向量等。S3C2440与GTM900C通过串口进行通信，处理器通过发送AT指令来控制GPRS模块与监测中心软件建立数据连接。

本设计中S3C2440需要对GTM900C发送一些AT指令，主要介绍如下：

1）AT%ETCPIP命令用于实现PDP激活和TCP/IP的初始化，是使用TCP/IP功能前必须完成的一步操作。

2）AT%IPOPEN命令用于打开一条TCP或者UDP链接命令。主要参数包括打开的链接号、连接的IP地址、对应的IP端口、链接类型等。

3）AT%IPCLOSE命令用于实现关闭一条链接功能。

4）AT%IPSENDX命令用于发送数据到已经打开的TCP/UDP链接。

5）AT%IPDR命令用于读取接收缓存中的数据包，默认读取缓存中首包为未读数据包。

3.2 监测中心通讯程序设计

GPRS DTU与监测中心通讯功能的设计，是在C++builder2010开发环境下完成的。实现中心对多点的对等数据传输，利用动态库底层驱动自动完成DTU的自动连接与数据交互。程序包括向指定终端发送数据或定时群发、查询设备上线通知、关闭指定或关闭所有终端连接、终端上传数据处理等功能。发送数据流程图如图6所示。

图6 DTU发送数据流程图

监测中心设备与各站DTU之间数据以Modbus-RTU方式传输，通过监测中心主机定时循环发送查询消息得到各站DTU的回应消息。

表1 Modbus-R TU的帧格式

程序通过Start_Dsc_Server函数来启动服务，启动服务后主窗口通过响应消息函数和底层服务通讯。通过Stop_Dsc_Server函数停止服务，断开并禁止所有DTU连接。利用Send_All_Dev函数向DTU发送查询信息。通过Get_Dev_Status函数来查询DTU设备是否在线。

DTU报道信息结构：

typedef struct DTU_LOGIN_INFO

{

unsigned char Dtu_Imei[15];

//设备标识，不足15字节时末端补0

unsigned char Dtu_Iccid[20];

//设备卡号，不足20字节时末端补0

unsigned char Dtu_Name[32];

//设备名称，不足32字节时末端补0

unsigned char Dtu_IP [15];

//设备IP，不足15字节时末端补0

unsigned char Dtu_Port[2];

//设备端口，高字节在前，低字节在后

unsigned char Dtu_NetMode;

//设备网络模式，1为TCP，2为UDP

unsigned char Dtu_Signal;

//设备信号强度，最大为32

}Login_Info;

DTU数据传输信息包结构：

typedf struct DTU_DATA_PACK

{

unsigned char Dtu_Imei[15];

//设备标识，不足15字节末端补0

unsigned int Dtu_Data_Len[2];

//接收设备数据的长度

unsigned int Dtu_Data_Buf[Len];

//接收到的数据

}Data_Pack;

在网络中GPRS DTU相当于客户端，在这里GPRS DTU需要进行参数设置，主要设置如下：

1）连接方式有两种方式一种是以固定IP连接数据中心，这种方式适用在数据中心有固定的IP地址。另一种是以域名的方式连接数据中心，在数据中心没有固定IP而有域名时适用。如果数据中心既没有IP地址也没有域名，可以选用动态域名来代替。本文采用有固定IP地址的方式。

2）连接协议一种是以TCP方式连接数据中心，另一种是以UDP方式连接数据中心。连接协议需要与数据中心软件保持一致，不同的协议适用于不同的场合。TCP协议适用于数据差错和顺序要求较高的场合，其好处是保证数据的正确性和合顺序性。UDP协议适应于数据的正确性和顺序要求不高的场合，其好处是带宽利用率高。本文采用TCP方式连接数据中心。

3）心跳包的时间设置，GPRS网络的特点是，如果长时间没有数据通信，那么移动网关将断开GPRS DTU与数据中心的连接。为了保持DTU的永久在线，采用设置心跳间隔，设置间隔一定的时间向数据中心发送一个心跳包，已保证移动运营商断开。经测试心跳间隔为25分钟（吉林市）可以达到永久在线的要求。

4）本地站号的设置，本地站号位设备内部Modbus协议地址，供监测中心软件区分各个热力站，站号范围1～255。

4 热网远程监测系统的实现

热网远程监测系统已经在吉林市安装使用，吉林市供热站多而且分散。为了解决人工监测造成的数据准确度低，上报不及时等问题。设计了一套热网远程监测系统，采用GPRS无线传输方式，成功实现远程实时监测。图7是热网监测系统界面。

热网远程监测管理软件主要包括以下部分：

1）系统管理：各个热力站基本信息的管理。

2）供热管理：主要包括各热力站的运行基础参数、室温度显示与分析、供热质量分析和热源数据分析四大部分。完成供热站运行数据的实时显示和历史数据查询、供热管线分析、热源数据分析等功能。

3）政府监管：包括基础数据、批量登记、问题登记、登记管理统计分析等部分。主要功能是对各热力公司的供热质量进行监管，供热质量报警、问题登记、问题反馈等。

4）系统工具：提供一些供热条例，超级管理员权限（包括修改密码，增加操作员，删除数据等工作）等工具。

图7 热力站的实时数据

5 结论

基于GPRS技术的热网监测系统不仅结构简单，而且能满足监测数据实时通讯的需要。采用B/S结构让热网监测使用更加方便有效，为实现热网的信息化提供可行性基础。投运期间系统运行稳定可靠，满足了热网远程网监测的要求，具有广阔的应用前景。在已经到来的3G时代，带宽和数据速率的大幅度提高，热网远程视频监测等技术将会有更大的挖掘潜力。

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[6] Modbus application protocol V1.1.[E B/OL].http://www.modbus.org/default.htm.