供熱系統戶用遠程溫度測量裝置設計

張卓林

（吉化股份有限公司有機合成廠，吉林 132022）

目前在國內供熱行業生產管理過程中，存在著城鎮供熱服務過程中遇到的供熱效果不易掌握，調節供熱糾紛無法提供事實依據等問題；而對于供熱企業來說，也面臨著區域供熱效果無法量化，不同地點室溫難以同時采集和進行數據比較，也就無法有針對性地科學調配生產，結果導致提高供熱效果和降低生產成本兩者無法兼顧[1]。為了解決以上問題，需從技術上體現用戶故意降低室溫的行為和對用熱終端溫度的不間斷測量，通過無線傳輸方式將溫度和測溫裝置的狀態信息送至供熱中心[2]，以提供不同供熱時段的溫度響應曲線，用于輔助生產調配和提供供熱糾紛事實依據。

1 戶用測溫裝置的結構組成

本文采用如圖1所示的組成結構來完成需求。單片機選擇STC12C5A60S2，其具有豐富IO資源和雙路UART；測溫元件選擇DS18B20；獲取測溫時刻的日期和時間利用DS1302實現；為判別用戶是否惡意改變測溫地點（如擱置于溫度較低的陽臺），利用方向探測器RPI1031實現；在GPRS不可用時，將溫度和時間數據就地存儲于芯片AT45DB041中；顯示模塊采用LCD1602；遠程數據傳輸模塊選擇SIM300，利用標準AT指令完成與數據中心服務器的TCP連接，將用熱端的日期時間、溫度和裝置方向狀態所構成的數據報文實時傳送至服務器。

圖1 溫度測量的組成結構Fig.1 Component structure of temperature measuring

2 戶用測溫裝置的硬件電路設計

2.1 溫度測量及輔助電路

如圖2的電路中，實現了室內溫度的測量、測量時刻的日期時間的獲取、測量時刻測溫裝置的方向信息、以及本地FLASH存儲和顯示。測溫元件選擇數字式單總線溫度傳感器DS18B20[3]，其溫度測量范圍為-55℃～125℃，其精度可達±0.0625℃。

圖2 溫度測量及輔助電路Fig.2 Temperature measuring and accessory circuit

為了獲得采集溫度時刻的日期和時間，選擇串行通信的實時時鐘DS1302[4]，其內含時鐘和日歷。通過SCLK和IO實現對DS1302時鐘寄存器的讀寫操作。利用RPI1031方向傳感器獲取測溫裝置的方向信息[5]，它由發光二極管、光敏接收三極管以及圓柱型遮光物構成。根據遮擋物所處的4個位置，方向傳感器輸出［0 0］、［0 VDD］、［VDD 0］和［VDD VDD］4個狀態。若用戶挪動了測量位置，其輸出狀態將會發生變化，即可判別是否人為挪動測溫裝置。存儲溫度值和測量時刻的日期和時間利用SPI總線的AT45DB041D存儲器完成[6]，存儲容量為 4 MB，工作電壓為2.7～3.6 V，但所有的引腳均能承受5 V的電壓，可直接和5 V供電的單片機的I/O口連接，單片機利用時鐘端SCK、輸入端SI和輸出端SO實現命令字和地址以及數據的輸入和存儲數據的讀取。顯示單元選擇LCD1602[7]，用于顯示實時溫度、日期時間、GPRS連接狀態、方向狀態和測溫裝置ID等信息。通過指令數據選擇端RS和讀寫控制RW以及并行數據口P0完成對顯示地址和內容的輸出。

2.2 遠程傳輸接口電路

遠程數據傳輸采用SIM300模塊，它是三頻段GSM/GPRS模塊，內部集成了TCP/IP協議棧和擴展了TCP/IP的AT指令，單片機通過標準串行異步通信控制SIM300，其接口電路如圖3所示。

圖3 SIM300模塊與單片機接口電路Fig.3 Interface circuit of SIM300 and MCU

SIM300工作電壓為3.4V～4.5 V，VDD_EXT在運行時為3.0V輸出，利用P1.1判別SIM300運行狀態。SIM_VDD、SIM_I/O、SIM_CLK和SIM_RST是SIM300對SIM卡提供的I2C協議的讀寫和控制端口，22 Ω電阻串聯于SIM卡和模塊之間以匹配阻抗。當利用AT指令對SIM卡注冊成功后，利用NetworkLed輸出的VDD_EXT脈沖電壓控制DS2的閃爍指示網絡狀態。在SIM300上電時，首先利用P3.6控制PWRKEY來打開SIM300，當PWRKEY持續3 s低電平后，SIM300啟動后再置PWRKEY高電平；SIM300提供雙UART，單片機通過UART1來控制SIM300。

3 遠程測溫裝置的軟件設計

3.1 主程序和定時采集流程設計

遠程測溫裝置軟件包括主程序、定時器T0的中斷服務程序、TCP連接子程序。主程序流程圖如圖4所示，首先設置單片機UART1異步通信工作方式和通信波特率。設置Timer0定時周期為1 s，用于周期采樣溫度數據和實時時鐘日期時間和方向探測器狀態以及數據顯示；然后讀取E2PROM獲得設備ID號和服務器IP地址，該ID同時用于數據上傳過程中標識數據來源。而服務器IP地址是進行TCP連接的必須字段，利用短消息對裝置進行設置。然后啟動SIM300，并通過"AT"指令測試通信，并發送"AT+CMGF=1x00Dx00A"，將SMS設置為英文格式。然后建立TCP連接，若連接成功，利用"AT+CIPSENDx00Dx00A"指令發送溫度報文。同時判別FLASH中是否存儲有GPRS網絡不可用時的報文數據，若存在則一并發送。若TCP連接不可用，需要重新連接。同時查詢是否有設置服務器IP的SMS進入SIM300，若有則提取IP信息并存儲于E2PROM和建立新的連接。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Main program flow chart

在Timer0中斷服務程序中分別獲取溫度、方向狀態和日期時間數據，并組建信息報文，通過主程序中設置的TCP連接可用標志位來決定是否將報文信息就地存儲，同時就地顯示。

3.2 TCP連接子程序流程設計

TCP連接子程序完成對SIM卡的注冊和TCP連接的創建，其工作過程如圖5所示。

圖5 TCP連接子程序流程圖Fig.5 Flow chart of TCP connection program

發送指令"AT+CREG?x00Dx00A"，通過其返回值是否為"'0''1'"可知SIM卡是否注冊成功；成功后啟動移動場景，發送"AT+CSTTx00Dx00A"，若返回值為"OK "則啟動成功；成功后發送激活移動場景指令"AT+CIICRx00Dx00A"，若返回值為"OK "則激活成功；再發送打開場景指令"AT+CLPORT="TCP"，"PORT_NUMBER"x00Dx00A"，若返回"OK "則打開成功；接著發送"AT+CIFSRx00Dx00A"獲取本地IP地址，若返回"AL READY CONNECT"則已經連接，利用"AT+CIP START="TCP"，"SERVER_IP"，"PORT_NUMBER"x00Dx00A"進行TCP連接，若返回值包含"CONNECT"則連接成功。

4 遠程測溫裝置的功能測試

數據中心服務器端程序采用VC6.0的套接字線程池偵聽遠程測溫裝置的連接請求。功能測試過程中首先給遠程測溫裝置發送如下SMS：

"IP042.184.026.155MOBILE14745185740"

其中"14745185740"為遠程測溫裝置手機號即設備ID，"042.184.026.155"為服務器的公網IP地址。LCD1602顯示了當前時間、溫度、設備ID號和方向探測器狀態和TCP連接狀態。服務器端程序實時更新來自遠程測溫裝置傳送的數據報文，同時通過后臺SQL Sever數據庫將數據報文存入相應字段。

5 結語

在當前供熱公司利用手持測溫方式的基礎上，引入GPRS通信和方向探測技術，有效降低了工作量和剔除了人為干擾因素，同時獲取了整個供熱時段的溫度數據，更有利于指導供熱生產。通過設備在哈爾濱熱電廠供熱公司的長時間運行，表明該設計的有效性和可靠性。

[1] 李寶山，王方周.無線遠傳測溫裝置在供熱系統中的應用[J].供熱制冷，2013（12）：72-74.

[2]SIMCOM 公司.SIM300_HD_V3.03[Z]，2006.

[3] 張軍.智能溫度傳感器DS18B20及其應用[J].儀表技術，2010（4）：68-70.

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

[5] 姚德法，張洪林.串行時鐘芯片DS1302的原理與使用[J].信息技術與信息化，2006（1）：92-94.

[6] 張杏珍，孫健.IC卡芯片AT45DB041的原理及應用[J].現代電子技術，2005，28（10）：17-19.

[7] 于志贛，劉國平，張旭斌.液顯LCD1602模塊的應用[J].機電技術，2009（3）：21-23. ■