热力供暖状态远程监测系统的设计与实现

金盟，乔毅，苏明涛

（大连交通大学电气信息学院，辽宁大连116028）

热力供暖状态远程监测系统的设计与实现

金盟，乔毅，苏明涛

（大连交通大学电气信息学院，辽宁大连116028）

定时监控室温可以有效解决热力工况不稳导致的用户供暖效果不均匀的问题，基于此，设计出了一种远程监控温度采集设备。该系统是基于STM32单片机和GPRS网络的室温采集与传输的终端设备，能够实现室温采集、数据显示、数据传输和短信报警等功能；温度远传仪配置与调试软件通过串口通信，应用于终端设备的参数设置和设备调试。系统设计了相应的上位机，具备温度数据接收、数据存储和远程控制等功能；室温监测网站可将存储入数据库的温度数据等进行处理并以图表等形式显示，可供多用户监测和分析数据，实现了数据信息共享，扩大了室温数据的监测范围。

远程监控；供暖状态；STM32单片机；GPRS网络

在我国北部地区，冬季的采暖工作是一个关系和涉及民生的关键问题，目前室内供暖系统温度的最低标准限定，已经由2005年的不得低于16摄氏度标准提高到不得低于18摄氏度[1]。在这种背景下，势必要建立一个科学快速准确的远程温度监测系统对解决集中供热过程中出现的种种问题，与此同时，系统的建立，也便于相关部门及时了解、掌握与监督供暖企业的运行状况，提高供热管理水平，为实现节能降耗与科学运行提供依据。而远程无线检测设备能够体现出其在全局控制调整、系统自适应性、安装成本等方面的巨大优势。因此在热力供暖系统中发展无线的远程监控设备及其系统具有重要的意义。

文中正是将无线远程监控技术应用于供暖系统的一种形式。文中将热力供暖效果远程监测系统分为上位机与下位机两个部分进行设计。供暖终端的温度采集设备（下位机）实现对相关室温数据的采集，利用GPRS技术和Internet技术与计算机（上位机）实现相关数据的传输，将数据记录于数据库中，同时通过互联网络供相关人员的查看与调用。下位机同时可利用SMS（Short Message Serve，短消息服务）实现温度越限的报警，及时反馈现场数据和情况，能够有效的提高热力供暖的安全性和实时性[2]。

1 系统的总体结构设计

本系统旨在通过在各供暖区域内合理的设立N个供暖用户室温的远程监测点，对室内温度等进行实时的采集，具有定时发送数据到发送热力公司的监控中心以及温度超限短信报警等功能。监控中心配备有远程室温的监测软件和监控网站，通过Internet技术和GPRS技术等，实现数据存储与共享，达到对供暖温度远程监控和管理的目的[3]。远程温度监测系统总体结构示意图如图1所示。

图1 系统总体结构示意图

将远程温度监测系统总体分为上位机和下位机两个部分进行设计，系统总体架构如图2所示。根据实际的需求，除了数据库部分使用SQL Server 2008数据库软件外，其余部分进行自主开发设计，热力供暖效果无线远程温度监测系统需要开发具有如下的功能[4]：

系统的下位机部分：

设计与开发供暖用户终端数据采集与传输设备即温度远传仪，它能够定时精确地采集和存储温度数据，并通过GPRS通信网络与监测中心的温度远程监控软件建立连接，进行相关的各项数据的通信传输，同时可通过短信服务对指定人员或者用户实现报警短信的功能；设计与开发一个温度采集终端设备的设置及调试软件，用户能够简单快速的进行设备产品参数的读取与设定[5]。

系统的上位机部分：

计与开发一个基于客户端/服务器（Client/Service，C/S）结构的温度远程监控软件，用于与温度远传仪建立通信连接，接收相关数据并存储其至数据库中对应的数据表，同时把温度数据、设备电量、设备连接状态与时间等实时地以在线设备列表的形式显示处来，以供相关人员查看。并且能够使用软件发送相应的命令指令更改温度远传仪的设备参数等。设计与开发一个基于浏览器/服务器（Browser/Service，B/S）结构的室温远程监控网站，以列表和图形的方式显示温度数据、设备电量、设备状态等信息，解决和实现温度数据的网络共享与分析处理[6]。

2 系统的硬件设计

2.1 系统硬件总体设计

系统下位机部分温度远传仪的硬件设计是实现温度采集、温度上传，实现对供暖效果监测的基础。温度远传仪的硬件主要包括STM32主控制器模块、GPRS无线通信模块、温度和电量检测模块、USB转串口模块、电源模块、LCD显示模块、RTC时钟模块、EEPROM模块以及下载调试模块等。系统的硬件结构组成如图3所示。

图2 系统总体架构设计图

图3 系统硬件结构图

2.2 核心控制器设计

温度远传仪的主控器模块使用的MCU是STM32L151C8T6，是意法公司推出的STM32系列处理器。该系列芯片产品成熟，性价比高，集成度高，专用于为了满足能耗低、处理性能强、实时性好、价格低廉的嵌入式场合需求，且STM32系列处理器编程时可用其自带的固件库，有利于缩短开发周期以及后期的维护工作[7-8]。

2.3 GPRS无线模块

SIM900A是硬件部分的GPRS无线模块的核心部分，它是一种双频的模块，工作的频段分别为：EGSW 900 MHz和DCS 1 800 MHz，可自动搜索两个频段，也可通过AT指令来设置频段，支持GPRS multi-slot class 10（默认）/class 8（可选）和GPRS编码格式CS-1，CS-2，CS-3和CS-4。SIM900A有丰富的硬件接口，具有键盘接口、SPI显示接口，主串口、调试串口、一路音频接口以及多个可编程通用输出输入接口，能够满足应用模式下的全部需求，且模块封装尺寸小，能够达到近乎所有应用场合中对空间和尺寸的需求。SIM900A内嵌有TCP/IP协议，在数据通信方面的应用时使用其扩展的相应AT指令，能够方便快速的使用该协议[9-10]。

2.4 电源模块

由于系统下位机的温度远传仪部分需要持续不间断的工作在整个供暖期，单次工作的时间较长，且当供暖期结束之后需要进行充电回收，基于这样的较为特殊工作性质，采用锂电池进行设备的电源进行供电更为合适妥当。因此，电源模块分别两个部分：锂电池电源转3.0 V电源电路，用于稳定的电源输出；锂电池电源充电电路，用于补充锂电池的电源电量[11]。

3 系统的软件设计

3.1 软件总体设计

远程温度检测系统的下位机部分温度远传仪的软件部分是采用ARM公司推出的针对多种嵌入式控制器的最新软件开发工具RealView MDK，即微控制器开发工具包，它是专门用于开发基于ARM内核的微控制器，支持包括ARM7、ARM9以及Cortex-M3等核处理器。软件自身集成诸多的开发套件，易于完成项目的开发，等先前的开发软件相比，性能得到大幅的提高。MDK具有软件仿真的功能，通过仿真，可以检查程序错误，提高闪存的使用寿命，MDK同时也具有支持程序下载和在线调试功能等[12]。系统主程序流程图如图4所示。

图4 系统主流程图

3.2 串口命令子程序设计

在主程序的流程中检测到串口已经准备好，则进入到监视串口命令子程序，串口命令子程序主要的功能是与下位机部分温度远传仪配置与调试软件进行串口通讯，达到对终端设备参数设定的目的。流程图如图5所示。

图5 串口命令子程序流程图

3.3 短信报警子程序设计

短信报警子程序设定有高报温度、低报温度还有回差温度。3个温度的关系如下[13]：

l）当室温温度高于高报温度时，产生高温报警且发送报警短信；当温度低于高报温度减去回差温度时，高温报警取消；

2）当室温温度低于低报温度时，产生低温报警且发送报警短信；当温度高于低报温度加上回差温度时，高温报警取消。

短信报警子程序的开始为了避免重复发送报警短信的情况，首先通过高报标志位检测高报短信是否已经发送，如果已经发送，则检测和比较室温与高报温度减去回差温度的差值的大小，根据两个数值的大小情况决定高报标志位是否置0；高报短信没发送，则检测和比较室温与高报温度值的大小，根据两个数值的大小情况决定是否发送短信和高报标志位是否置1。随后进行低温报警的检测[14]，流程与上述高温报警的一致，短信报警子程序的整体流程图如图6所示。

3.4 系统上位机设计

室温远程监测网站的用户管理模块主要包括用户登录和用户注册的功能。网站登录功能页面如图7所示，登录到室温监控网站主页面，使用网站的监控功能，是需要输入正确的用户名和密码的，否则是无法进入的。这样既可以保证网站和数据的安全性，又能保证整个系统的运行的性能和稳定性。同时，可以通过填写相应的注册信息申请使用监控网站的权限，经过监控网站的管理人员验证核实后，将用户数据加入到数据库中，就能够正式登录，使用监控网站的各项功能了[15]。

图6 短信报警子程序流程图

图7 系统上位机界面

4 结 论

本文针对集中供热效果不均匀的现象，设计与开发了基于GPRS无线通信技术的室温监测系统，旨在对热力供暖的效果进行检测，提高与保证了室温监测的实时性与可靠性，丰富了热网调控设备范围。室温监测系统能够满足实际应用的功能需求，并且已经在大连市某国有供热公司投入使用。

[1]刘新东.3G技术在消防通信中的应用研究[J].科技资讯，2011（35）:55-56.

[2]郑陆君.基于ZigBee技术的低功耗电能参数无线监测系统[J].集成电路应用，2011（8）:63-65.

[3]杨凤彪，刘云.STM32F10X系列微控制器标准外设库的应用[J].电子设计工程，2012，11:148-150.

[4]王凯.基于集中监控远程处理的生产信息监控平台[J].科技与企业，2015，13:85.

[5]贾玲玲，李伯刚，苗青.热力站无人值守智能监控系统设计方案[J].区域供热，2016（2）:17-24.

[6]吴辉，罗富文，杜文广.基于STM32和FPGA的CAN总线运动控制器的设计[J].电子设计工程，2013（1）:145-148.

[7]邹卫华，肖化.粮库无线温度监测系统的设计与实现[J].现代电子技术，2015（1）:93-95.

[8]董宝玉，薛严冰，马驰，等.基于AD9854与STM32的频率特性测试仪设计[J].化工自动化及仪表，2014（6）:655-659.

[9]卢伟，吴化柱，张毅珏.基于μTenux智能家居网关的设计与实现[J].大连交通大学学报，2014（S1）:145-148.

[10]霍涛，贾振堂.基于STM32和SIM900A的无线通信模块设计与实现[J].电子设计工程，2014，17:106-110，114.

[11]何原.远程无人值守换热站全自动监控系统[J].工业控制计算机，2016（3）:92-94.

[12]郝雯，沈金鑫，梅成.基于STM32单片机的存储式数据采集系统设计[J].电子设计工程，2013，17:80-82.

[13]何文.支持远程监测、抄表的供热计量系统研究与实现[D].大连：大连工业大学，2015.

[14]张东升.基于STM32的工业设备状态无线监控系统的设计[D].大连：大连理工大学，2013.

[15]张盼盼，张团善，付道义.基于STM32芯片的工控板设计[J].电子设计工程，2013（11）:135-139.

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稿件编号：201609169

金盟（1992—），男，辽宁大连人，硕士研究生。研究方向：综合自动化和先进控制技术。