供热系统户用远程温度测量装置设计

张卓林

（吉化股份有限公司有机合成厂，吉林 132022）

目前在国内供热行业生产管理过程中，存在着城镇供热服务过程中遇到的供热效果不易掌握，调节供热纠纷无法提供事实依据等问题；而对于供热企业来说，也面临着区域供热效果无法量化，不同地点室温难以同时采集和进行数据比较，也就无法有针对性地科学调配生产，结果导致提高供热效果和降低生产成本两者无法兼顾[1]。为了解决以上问题，需从技术上体现用户故意降低室温的行为和对用热终端温度的不间断测量，通过无线传输方式将温度和测温装置的状态信息送至供热中心[2]，以提供不同供热时段的温度响应曲线，用于辅助生产调配和提供供热纠纷事实依据。

1 户用测温装置的结构组成

本文采用如图1所示的组成结构来完成需求。单片机选择STC12C5A60S2，其具有丰富IO资源和双路UART；测温元件选择DS18B20；获取测温时刻的日期和时间利用DS1302实现；为判别用户是否恶意改变测温地点（如搁置于温度较低的阳台），利用方向探测器RPI1031实现；在GPRS不可用时，将温度和时间数据就地存储于芯片AT45DB041中；显示模块采用LCD1602；远程数据传输模块选择SIM300，利用标准AT指令完成与数据中心服务器的TCP连接，将用热端的日期时间、温度和装置方向状态所构成的数据报文实时传送至服务器。

图1 温度测量的组成结构Fig.1 Component structure of temperature measuring

2 户用测温装置的硬件电路设计

2.1 温度测量及辅助电路

如图2的电路中，实现了室内温度的测量、测量时刻的日期时间的获取、测量时刻测温装置的方向信息、以及本地FLASH存储和显示。测温元件选择数字式单总线温度传感器DS18B20[3]，其温度测量范围为-55℃～125℃，其精度可达±0.0625℃。

图2 温度测量及辅助电路Fig.2 Temperature measuring and accessory circuit

为了获得采集温度时刻的日期和时间，选择串行通信的实时时钟DS1302[4]，其内含时钟和日历。通过SCLK和IO实现对DS1302时钟寄存器的读写操作。利用RPI1031方向传感器获取测温装置的方向信息[5]，它由发光二极管、光敏接收三极管以及圆柱型遮光物构成。根据遮挡物所处的4个位置，方向传感器输出［0 0］、［0 VDD］、［VDD 0］和［VDD VDD］4个状态。若用户挪动了测量位置，其输出状态将会发生变化，即可判别是否人为挪动测温装置。存储温度值和测量时刻的日期和时间利用SPI总线的AT45DB041D存储器完成[6]，存储容量为 4 MB，工作电压为2.7～3.6 V，但所有的引脚均能承受5 V的电压，可直接和5 V供电的单片机的I/O口连接，单片机利用时钟端SCK、输入端SI和输出端SO实现命令字和地址以及数据的输入和存储数据的读取。显示单元选择LCD1602[7]，用于显示实时温度、日期时间、GPRS连接状态、方向状态和测温装置ID等信息。通过指令数据选择端RS和读写控制RW以及并行数据口P0完成对显示地址和内容的输出。

2.2 远程传输接口电路

远程数据传输采用SIM300模块，它是三频段GSM/GPRS模块，内部集成了TCP/IP协议栈和扩展了TCP/IP的AT指令，单片机通过标准串行异步通信控制SIM300，其接口电路如图3所示。

图3 SIM300模块与单片机接口电路Fig.3 Interface circuit of SIM300 and MCU

SIM300工作电压为3.4V～4.5 V，VDD_EXT在运行时为3.0V输出，利用P1.1判别SIM300运行状态。SIM_VDD、SIM_I/O、SIM_CLK和SIM_RST是SIM300对SIM卡提供的I2C协议的读写和控制端口，22 Ω电阻串联于SIM卡和模块之间以匹配阻抗。当利用AT指令对SIM卡注册成功后，利用NetworkLed输出的VDD_EXT脉冲电压控制DS2的闪烁指示网络状态。在SIM300上电时，首先利用P3.6控制PWRKEY来打开SIM300，当PWRKEY持续3 s低电平后，SIM300启动后再置PWRKEY高电平；SIM300提供双UART，单片机通过UART1来控制SIM300。

3 远程测温装置的软件设计

3.1 主程序和定时采集流程设计

远程测温装置软件包括主程序、定时器T0的中断服务程序、TCP连接子程序。主程序流程图如图4所示，首先设置单片机UART1异步通信工作方式和通信波特率。设置Timer0定时周期为1 s，用于周期采样温度数据和实时时钟日期时间和方向探测器状态以及数据显示；然后读取E2PROM获得设备ID号和服务器IP地址，该ID同时用于数据上传过程中标识数据来源。而服务器IP地址是进行TCP连接的必须字段，利用短消息对装置进行设置。然后启动SIM300，并通过"AT"指令测试通信，并发送"AT+CMGF=1x00Dx00A"，将SMS设置为英文格式。然后建立TCP连接，若连接成功，利用"AT+CIPSENDx00Dx00A"指令发送温度报文。同时判别FLASH中是否存储有GPRS网络不可用时的报文数据，若存在则一并发送。若TCP连接不可用，需要重新连接。同时查询是否有设置服务器IP的SMS进入SIM300，若有则提取IP信息并存储于E2PROM和建立新的连接。

图4 主程序流程图Fig.4 Main program flow chart

在Timer0中断服务程序中分别获取温度、方向状态和日期时间数据，并组建信息报文，通过主程序中设置的TCP连接可用标志位来决定是否将报文信息就地存储，同时就地显示。

3.2 TCP连接子程序流程设计

TCP连接子程序完成对SIM卡的注册和TCP连接的创建，其工作过程如图5所示。

图5 TCP连接子程序流程图Fig.5 Flow chart of TCP connection program

发送指令"AT+CREG?x00Dx00A"，通过其返回值是否为"'0''1'"可知SIM卡是否注册成功；成功后启动移动场景，发送"AT+CSTTx00Dx00A"，若返回值为"OK "则启动成功；成功后发送激活移动场景指令"AT+CIICRx00Dx00A"，若返回值为"OK "则激活成功；再发送打开场景指令"AT+CLPORT="TCP"，"PORT_NUMBER"x00Dx00A"，若返回"OK "则打开成功；接着发送"AT+CIFSRx00Dx00A"获取本地IP地址，若返回"AL READY CONNECT"则已经连接，利用"AT+CIP START="TCP"，"SERVER_IP"，"PORT_NUMBER"x00Dx00A"进行TCP连接，若返回值包含"CONNECT"则连接成功。

4 远程测温装置的功能测试

数据中心服务器端程序采用VC6.0的套接字线程池侦听远程测温装置的连接请求。功能测试过程中首先给远程测温装置发送如下SMS：

"IP042.184.026.155MOBILE14745185740"

其中"14745185740"为远程测温装置手机号即设备ID，"042.184.026.155"为服务器的公网IP地址。LCD1602显示了当前时间、温度、设备ID号和方向探测器状态和TCP连接状态。服务器端程序实时更新来自远程测温装置传送的数据报文，同时通过后台SQL Sever数据库将数据报文存入相应字段。

5 结语

在当前供热公司利用手持测温方式的基础上，引入GPRS通信和方向探测技术，有效降低了工作量和剔除了人为干扰因素，同时获取了整个供热时段的温度数据，更有利于指导供热生产。通过设备在哈尔滨热电厂供热公司的长时间运行，表明该设计的有效性和可靠性。

[1] 李宝山，王方周.无线远传测温装置在供热系统中的应用[J].供热制冷，2013（12）：72-74.

[2]SIMCOM 公司.SIM300_HD_V3.03[Z]，2006.

[3] 张军.智能温度传感器DS18B20及其应用[J].仪表技术，2010（4）：68-70.

[4] ROHM CO LTD.Surface Mount type 4 Direction Detector RPI-1031[Z]，2008.

[5] 姚德法，张洪林.串行时钟芯片DS1302的原理与使用[J].信息技术与信息化，2006（1）：92-94.

[6] 张杏珍，孙健.IC卡芯片AT45DB041的原理及应用[J].现代电子技术，2005，28（10）：17-19.

[7] 于志赣，刘国平，张旭斌.液显LCD1602模块的应用[J].机电技术，2009（3）：21-23. ■