智慧供熱躉售用戶預繳費管理系統研究與應用

鄭 剛

（國能寧夏供熱有限公司，寧夏 銀川 750001）

0 概述

供熱躉售預繳費管理系統是供熱公司對各分管區域躉售供熱企業進行售熱和熱能管控的系統平臺，該平臺根據熱力智能管理終端和無線4G 控制終端，通過平臺進行躉售企業熱量預繳費、充值等管理，實現熱量表數據無線采集、無線傳輸、電動閥門遠程開關和調節等功能。

1 研究背景

近幾年，集中供熱作為一種節能、高效、環保的供熱方式已經逐步成為了我國城鎮的主要供熱方式。銀川“東熱西送”集中供熱項目是采用長距離、跨黃河、大溫差智能供熱項目，供熱區域涵蓋銀川市主要城區、永寧縣城、望遠鎮、河東機場四大區域，供熱面積約7000 萬m2。當前國能寧夏供熱有限公司供熱區域內，供熱收費管理由兩部分組成：一部分是自營區域由供熱公司直接面向熱用戶自行收取；另一部分是供熱企業向各躉售企業提供熱能，按照熱量表計量數據收取費用，共接帶躉售企業10 家。

2 現狀介紹

2.1 躉售企業熱能數據無法傳輸到供熱公司管理平臺

各躉售企業供熱管網中均安裝大口徑超聲波熱量表，供熱公司通過熱量表計量數據銷售熱能。但熱量表數據只能本地讀取，因此，供熱公司每月都必須派人去各躉售企業進行熱量表數據抄讀，增加了人工和時間成本。

2.2 無法有效管理躉售企業繳費信息

各躉售企業都是通過企業公戶轉賬繳費的，繳費信息屬于財務部，但是售熱工作屬于市場部；兩個部門之間信息不通，導致繳費和售熱工作繁瑣且無法統一管理。

2.3 對躉售企業無法起到監管作用

在建設初期已考慮到躉售企業的監管問題，并且在進入各躉售企業的主管網處安裝有電動閥門，但當供熱以后由于閥門井溫度過高，水滲透等問題導致無法下井現場操作電動閥門，因此，無法起到監管作用。

2.4 供需矛盾無法得到解決

供熱企業因為無法監管躉售企業及換熱站供熱參數不達標等因素影響，致使供需雙方產生了矛盾，躉售企業拖欠甚至拒交熱費，產生較大的負面影響，已給供熱公司的正常生產經營工作帶來了巨大的障礙。

3 研究內容

供熱躉售預繳費管理系統主要有兩大功能，一是躉售企業熱量預繳費功能，二是供熱管網電動閥門遠程開、關和調節功能，這兩大功能都是基于數據無線采集控制技術實現，系統控制流程如圖1 所示。現場熱表數據通過支持4G通信的采集器傳輸至數據采集中間件，數據采集中間件通過WebSocket 方式將數據寫入預繳費管理系統；管理系統分為App 及PC 端，可供公司內部員工及躉售用戶使用，管理系統通過Web Service 與內部收費系統聯動，使開關閥自動工作。為滿足安全防護要求，數據上傳數據采集中間件時配置防火墻，提高系統的安全性和可靠性，避免病毒入侵。

圖1 系統流程圖

3.1 躉售預繳費管理平臺

躉售用戶繳費管理平臺是基于B/S 架構開發的網頁平臺，該平臺依托于熱能智能管理終端和無線4G 控制終端，通過平臺可完成熱量售賣、充值等管理工作，實現熱量表數據無線采集、無線傳輸。同時平臺還可進行躉售換熱站電動閥門信息維護，在線進行遠程調節和關斷。

3.1.1 系統硬件、軟件及開發環境確定3.1.1.1 硬件配置選擇

對系統進行專業單元測試及性能測試，同事兼顧系統穩定性、可靠性，根據專業數據、業務發展及成本控制，對服務器硬件進行最小化冗余配置，如表1 所示。服務器部署在供熱公司智慧化熱網機房，配備兩路市電及一路UPS 不間斷電源，保障服務器運行的穩定性。

表1 服務器硬件、軟件配置表

3.1.1.2 操作系統及開發環境選擇

系統開發前，對主流操作系統在可管理性、可維護性進行橫向對比，如表2 所示，最終選擇了具備向后兼容性、廣泛的外圍兼容性、多顯示器支持、多任務處理等功能的Windows 操作系統。

表2 主流操作系統對比表

3.1.2 躉售預繳費系統開發

躉售預繳費系統開發過程中遵循軟件產品開發功能性、可靠性、易用性、可維護性、可移植性的原則，制定了系統開發的總體要求，一是系統采用采用B/S 架構進行設計；二是基于J2EE 平臺開發；三是采用主流技術框架SSH（Spring、SpringMVC、Hibernate）；四是支持主流的關系型數據庫：Mysql、Oracle、SqlServer 等。躉售站預付費系統系統架構主要分為四層，如圖2 所示，分別為數據存儲層、數據訪問層、控制和邏輯層、展現層。數據存儲層主要是系統數據庫，對系統主數據、業務數據及文件進行存儲管理；數據訪問層的主要作用是對服務器進行數據訪問、調運管理；控制和邏輯層是平臺的核心，用于平臺業務工作中的邏輯判斷與執行操作。在收到展現層的用戶指令后，連接數據訪問層，調取數據存儲層數據，在各層之間傳達指令，對接收到的數據進行邏輯處理，實現數據的修改、獲取、刪除等功能，最終將處理結果反饋至展現層；展現層是平臺統一的業務應用操作界面和信息展示窗口，具有人機交互功能，實現平臺數據的輸入與輸出，是系統各項數據及執行器狀態的綜合展現。躉售預繳費系統業務邏輯結構主要分為實體層、DAO 層、服務層、Web 層，如圖3 所示。實體層用于封裝實體類數據結構、映射數據庫的數據表及視圖，還可以描述業務中客觀存在的對象，各層中進行數據交互傳遞的都是一個或多個實體對象。DAO 層是數據訪問層，封裝對數據庫的訪問，主要負責業務模塊的邏輯應用設計。服務層專注于業務邏輯，處理頁面和業務邏輯的交互，對數據進行驗證、轉換。對于系統需要的數據庫操作，都通過DAO去實現；Web 層主要對數據進行呈現，管理系統用戶的請求和響應。躉售預繳費管理平臺具有以下功能。

圖2 系統技術架構圖

圖3 系統業務邏輯結構

3.1.2.1 繳費管理

①查看收費記錄、躉售用戶交費記錄及當前余額，剩余熱量等。②躉售用戶交費。

3.1.2.2 控制管理

①查詢電動閥門開關狀態及實施開度狀態，控制電動閥門開關狀態。②當用戶余額達到關閥報警閾值時，通過微信、短信給用戶推送報警信息。

3.1.2.3 參數設置

設置收費參數、收費開始時間、結束時間、熱量單位、單位熱量價格、關閥報警閾值等。

3.1.2.4 記錄查詢

①實時查看躉售熱用戶熱量表數據，查看電動閥門狀態，數據可以通過表格、圖標等形式展現。②查看某一時段熱量表、電動閥門歷史數據，并能導出Excel 報表。③熱量表采集數據列表：包括流量、熱量、進口溫度、出口溫度、溫差等所有熱量表能顯示的數據。

3.1.2.5 報警管理

實時記錄報警信息，并在管理平臺實時滾動顯示報警信息，提高了系統運行的穩定性和安全性，減少供熱事故的發生，降低貿易結算糾紛的風險。

3.2 熱量表數據采集

通過躉售企業側加裝熱力數據采集控制終端，實時采集數字接口熱量表的各類數據，并將采集到的數據通過4G 網絡無線遠程傳輸至云服務端，前端的預繳費管理平臺調用云服務端數據，遠程采集和傳輸熱量表數據。主體供熱企業可通過預繳費管理平臺在躉售企業的IC 卡寫入購熱信息，再通過刷卡的方式將購熱信息寫入熱力數據采集控制終端，從而實現熱量預繳費功能；也可以通過4G 無線網絡將購熱信息遠程寫入熱力數據采集控制終端。熱量數據采集控制終端是在之前DCFG-485 采集控制器的基礎上增加了熱量預繳費功能，集數據采集和控制為一體，可根據下發的指令控制相關設備的狀態。RDCFG-485 系列數據采集控制器采用高性能工業級無線模塊，工業級高穩定高精度元器件，極寬溫設計，輕松適應高溫嚴寒工作環境，支持數據透明傳輸，能適應任何標準或是非標準的用戶協議。遠程傳輸高性能4G數據，數據傳輸穩定，可遠程控制任何具備標準通信協議、具有RS485 硬件接口或M-BUS 硬件接口的設備[1]。數據采集控制終端采用AC220V 供電，具備一路RS485 接口、兩路AI 接口、4G 全網通無線通信。設備防護等級達到IP66，使用環境-25℃～55℃，滿足冬季室外運行要求。具體設計使用技術與硬件如下。

3.2.1 技術說明

該采集裝置的核心MCU 為MSP430F5438A，外圍電路由電源、晶振、RS485 通信芯片、4G 通信芯片等組成，具體如下。MCU：采用TI 的MSP430F5438A 單片機，該芯片最大主頻25MHz，具有16 位RISC CPU，使用16 位寄存器以及常數發生器，編碼效率和連接能力將有較大提升，并且集成有硬件乘法器寄存器，可以通過CPU 指令進行載入和讀取操作，加快了數據處理速度。4G 通信模塊：采用最新EC20 全網通集成芯片，EC20 是一款工業級FDDLTE/TDD-LTENCDMATD SCDMA/CDMAGSM 無 線 模塊，支 持FDD-LTE，TDDLTE、DC-HSPA+、HSPA+、HSDPA、HSUPA、WCDMA、TD-SCDMA、CDMA、EDGE和GPRS 網絡。支持大下行速率150Mbps 和大上行速率50Mbps；同時內置多個高精度定位GNSS（GPS/GLONASS/BeiDou/Galileo/QZSS）接收機；在簡化產品設計的同時，還大大提升了定位速度及精度。射頻卡讀寫模塊：采用M940BHA 集成芯片，具有體積小、工作頻率高、讀寫距離遠等優點。使用3.3V 供電，支持外接LED 和蜂鳴器。顯示系統：采用迪文科技的4.3 寸全彩LCD液晶屏，該屏分辨率為480*272，支持SD 卡下載和串口顯示變量等。RS485 輸出模塊：采用TI 的ISO3082 隔離5kV 半雙工RS485 收發器，具有高電磁抗擾度和低輻射特性，且具有高絕緣能力，防止數據總線或者其他電路上的噪聲和浪涌進入本地接地端，從而干擾或者損壞敏感電路。M-BUS 接口：因為有大部分民用儀表采用的是M-BUS 協議，所以為了能兼容更多的儀表，增加該通信接口。電源模塊：采用北京穩固德電子WAW25S12 模塊，寬電壓輸入AC85-265V，輸出為DC12V、2.08A。高隔離電壓，小型化封裝。濾波模塊：采用金升陽電子的FC-LX1D 濾波模塊，具有寬電壓輸入、濾波效果好、工作溫度范圍高等優點。模擬開關量輸入接口：支持2 路模擬量輸入，實現控制功能。控制輸出接口：支持2 路繼電器輸出接口，實現控制功能。

3.2.2 電動閥門無線遠程控制

供熱管網閥門井側加裝4G 無線控制器，由數字接口和電動閥門執行器相連接，上位機躉售預繳費平臺可通過4G網絡無線下發開閥和關閥指令，實現供熱管網閥門無線遠程開、關和調節功能，配合預繳費管理系統，達到熱量收費管控的目的。無線4G 控制器主要是用來控制閥門執行機構、收發上位機指令以及控制閥門的開關動作。主要由兩大功能，一是和執行機構進行通信；二是和云服務器進行無線通信。

4 結語

躉售供熱預繳費系統是智慧供熱的一個重要組成部分，包括數據采集、數據無線遠程傳輸、無線遠程控制、運維監控等部分。建立躉售供熱管理和運行的大數據平臺，有利于供熱企業提升管理水平和效率。該系統通過智能化、自動化操作解決了熱能供給者與需求者之間的突出矛盾，建立了熱能購銷的新模式，徹底解決了收費難的問題。