基于GPRS無線室溫監測系統設計及供熱管網自控調節

杜野

[摘? ? 要]主要描述了無線室溫監測系統的采集層、傳輸層、管理平臺的設計，將用戶室溫作為一個參考量，對熱力站供熱參數進行微調。

[關鍵詞]GPRS;室溫數據;自控調節

[中圖分類號]TP274 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）04–00–03

Design of Wireless Room Temperature Monitoring System Based on GPRS and the Self-Control Adjustment of Heating Pipe Network

Du Ye

[Abstract]This paper mainly describes the design of the collection layer， the transmission layer and the management platform of the wireless room temperature monitoring system， and discusses the fine-tuning of the heating parameters of the heating power station with the user room temperature as a reference.

[Keywords]GPRS; room temperature data; self-control adjustment

供熱系統溫度監測系統已成為我國節能減排的關注重點。目前的供熱系統中，缺乏有效、便利的溫度監測系統，供熱公司很難實時了解熱用戶的室溫情況，不能夠及時依據用戶室溫的變化對管網進行調節，造成供熱效果不均衡，能源消耗提高。因此，采用科學的、有效的用戶室溫監測手段對熱用戶室內溫度進行監測是十分必要和有效的。

1 無線室溫監測系統總體設計

無線室溫監測系統總體技術框架可分為采集層、傳輸層和數據層三大部分。總體技術框架如圖1所示。

1.1 采集層

現場采集部分由無線室溫監測裝置組成，通過傳感器將用戶室溫數據收集轉化后，經由GPRS模塊發送至數據中心。

1.2 傳輸層

網絡傳輸部分采用運營商提供的GPRS網絡，采用專用APN與公共網絡進行隔離，確保數據的安全傳送。

1.3 數據層

數據層由數據采集軟件及數據管理平臺組成。無線遠程室溫監測設備定時傳輸居民家里面的溫度數據，數據采集軟件對這些數據進行采集整理并存儲至數據庫，室溫監測系統數據管理平臺通過調用這些數據進行數據曲線的繪制，各類報表的生成。參數配置軟件通過與室溫監測設備進行數據交互，給室溫監測設備發送相應的指令，以實現監控中心工作人員對無線遠程室溫監測儀進行遠程操作與管理。

2 采集設備的詳細設計

室溫監測設備由低功耗中央處理器（CPU）、液晶顯示屏（LCD）、GPRS通信模塊、溫度傳感器、手機卡、大容量鋰電池和其他相關輔助模塊組成。將設備安裝在被監測溫度居民家里，設備通過GPRS無線網絡定時傳輸設備所在居民家中的溫度數據到監控中心數據采集存儲服務器，這樣監控中心工作人員就能即時了解到居民家中溫度變化情況，并據此做出相應的調節。供暖季結束時，還可以對設備遠程進行休眠指令操作，使其功耗降至最低，延長電池使用壽命;同樣在新的供暖季即將開始時，要對設備進行遠程喚醒指令操作，使其開始正常工作，采集裝置具體工作流程如圖2所示。

3 傳輸層的總體設計

數據中心需要安裝一條APN光纜，用來接入運營商GPRS網絡，通過固定IP地址連接雙方互聯路由器，通過GRE隧道連接運營商互聯路由器與GGNS。并申請專用的APN。用于GPRS專網的SIM卡僅開通該專用APN，限制使用其他APN。得到APN后，給所有現場采集點及數據中心分配移動內部固定IP。通過端到端加密的方式連接運營商終端和服務器平臺，有效地保護數據，使其在傳輸過程中不會泄露。兩側采用防火墻進行隔離，并在防火墻上設置IP地址和端口過濾。

本系統具體組網如圖3所示。測溫設備通過專用APN接入運營商GPRS網絡，通過移動基站連接到運營商GGSN。GGSN是網關GPRS支持節點，起網關作用，它可以和多種不同的數據網絡連接。通過運營商GGSN與SGSN相連接。SGSN服務GPRS支持節點，作為移動通信網絡核心網分組域設備重要組成部分，主要完成分組數據包的路由轉發、移動性管理、會話管理、邏輯鏈路管理、鑒權和加密、話單產生和輸出等功能。SGSN與GGSN配合，共同完成移動通信網絡分組業務，將GPRS無線網絡與數據光纖專線組成統一的虛擬專用網絡，完成測溫設備與數據服務器組網工作，使得測溫設備采集到的溫度數據成功上傳數據服務器。

4 數據管理平臺模塊及功能設計

數據管理平臺由實時數據模塊、歷史數據模塊、報警信息模塊、室溫報表模塊、數據分析模塊、參數配置模塊、分布圖模塊7大模塊組成，有些功能下面還有諸多子功能模塊。

4.1 實時數據模塊

實時數據模塊要求顯示測溫設備的編號、安裝地址及目前室內溫度數據。超過20 ℃的用紅色字體表示，低于16℃的用藍色字體表示，溫度在16 ～20 ℃的用黑色字體表示。

4.2 歷史數據模塊

歷史數據模塊要求可以顯示單個設備的歷史數據曲線，規定兩個時間節點，繪制2 h間節點間的歷史數據曲線圖。

4.3 報警信息模塊

報警信息模塊要求顯示測溫設備的所有報警信息，包括超溫報警、低溫報警、離線報警等設備異常報警。

4.4 室溫報表模塊

選擇兩個時間節點，將兩個時間節點間的歷史溫度數據以報表方式生成，供供熱公司人員進行分析。

4.5 數據分析模塊

包括信號強度分析、電池電量分析、供熱日平均溫度計月平均溫度等數據分析功能。

4.6 參數配置模塊

通過參數配置模塊，管理員可以對測溫設備所有信息進行添加、刪除及修改操作。

4.7 分布圖模塊

分布圖模塊可以顯示測溫設備的地理信息，在鼠標指向時可以顯示測溫點的編號、地址及溫度信息等。

5 無線室溫監測數據參與管網自控調節的探討

全網平衡軟件根據供熱面積、室外溫度、出入口壓力溫度等供熱參數，對所有熱力站工況進行調節，以達到平衡供熱的目的。在全網平衡調節的基礎上，加入如下算法對單個熱力站供熱參數進行微調。

5.1 通過閥門開度對總熱量進行調節

Q=Cm（tg-th） （1）

（2）

（3）

通過以上公式可以得出

（4）

Q為熱量;C為水的比熱;m為質量;tg為熱力站一次網供水溫度;th為熱力站一次網回水溫度;v為流速;r為管徑;H為閥門開度。

在供熱管網中，熱力站一次網供回水溫度，管網內流速都是通過全網平衡軟件控制的，在一定時期內為定值。所以要對熱力站所供熱量進行調節，控制閥門開度是最有效的手段。

由于溫度調節具有滯后性，調節后不會短時間內發生變化，且經常性的調節供熱參數對供熱管網及穩定供熱都是不利的，所以采取每15 d進行一次調節，調節過程分為兩步進行。

5.2 通過如下算法判斷是否需要進行調節

（5）

t1為某測點實測溫度;t0為所有測點平均溫度。

由于溫度調節具有滯后性，且人體對外界溫度感受的不敏感性，所測點溫度t1在與所有測點平均溫度t0相差2 ℃以內，認為此測點不需要進行調節。如相差2℃以上，人體會出現過熱或者過冷的不適感覺，就需要對供熱參數進行調節。

5.3 通過如下算法對熱力站閥門開度進行微調

（6）

H為調節后閥門開度;H0為調節前閥門開度;t1為某測點實測溫度;t0為所有測點平均溫度。

通過此算法對熱力站一次網進口閥門開度進行調節，控制進入熱力站的熱量總量，以達到調節供熱溫度的目的。

假設調節前閥門開度H0為50%，所有測點平均溫度t0為20℃，某測點實測溫度t1為24℃，調節后閥門開度為調節前的80%，調節后閥門開度H0為40%。通過閥門調節使得調節后所供熱量也將為調節前的80%，以達到降低供熱溫度的目的。

假設調節前閥門開度H0為50%，所有測點平均溫度t0為20℃，某測點實測溫度t1為16 ℃，調節后閥門開度為調節前的120%，調節后閥門開度H0為60%。通過閥門調節使得調節后所供熱量也將為調節前的120%，以達到提高供熱溫度的目的。

以上均為理論計算值，在實踐中由于各個建筑的保溫程度不同，房屋結構不同等各種因素作用，還需通過長期的實踐積累為調節算法加一個影響系數，以便對單個熱力站進行更精確的調節。

5.4 熱力站閥門開度微調算法

（7）

H為調節后閥門開度;H0為調節前閥門開度;t1為某測點實測溫度;t0為所有測點平均溫度;η為影響系數。

通過以上算法即可通過無線室溫監測系統所測溫度數據，對單個熱力站供熱工況進行微調，以提高供熱質量及供熱效率。

在實際應用中，通過用戶無線室溫監測系統與全網平衡系統的聯動，可以實現對單個熱力站供熱工況的微調，以達到更好的供熱效果。

6 結束語

無線遠程室溫監測系統通過在整個供暖用戶中合理地分布建立多個用戶室溫監測點，利用GPRS無線通信技術將各個監測點溫度信息發送到監控中心，實時持續地監測居民家中的溫度變化情況，除了可以進行大量的數據分析，掌握基本供熱情況外，還可以加入熱網自控系統，作為一個參考量對熱力站供熱參數進行微調，以達到更加平衡的供熱效果。

參考文獻

[1] 魏寧，王宇寰，施勇紅.基于GPRS無線網絡的數據采集系統的設計[J].北京電子科技學院學報，2006（4）：83-86.