基于物联网的高校热网监控系统研究①

张启来

(佳木斯大学，黑龙江佳木斯154007)

0 引言

目前三北地区的高校多采用自我管理、集中供热的方式进行冬季供暖，集中供热网是一个复杂的输送和分配热量的分布式大系统.由于资金、历史等诸多原因，高校供热系统都暴露出运行管理缺乏整体性控制，自动化水平较低.主要表现为供暖质量差，冷热不均;供热管网的设计、管理与运行方式不科学，造成能源浪费;设备陈旧、管道老化，在缺少监测系统的情况下运行存在较大的安全隐患.

利用物联网的供热系统监控管理方式，可以时时监测、控制，科学合理地分配热量，让热能高效发挥作用，为供热系统提供一个安全、环保、节能的运行环境.本文主要介绍系统的组成以及主要模块实现的关键技术.集中供暖控制系统的建设，通过校园网的进行数据传输，采用低成本、低功耗、全双工的无线通讯协议的Zigbee节点组建无线个人局域网，进行远程数据采集、定位、监测与控制，实现供热系统的管理全面自动化.为使自动控制系统的相对稳定，避免热平衡处于频繁动作状态，采用“温度补偿”控制策略，即允许被控室内温度在－定时间内存在一定幅度的波动，当室温变化幅度超过设定值时，监测节点启动调节热平衡阀，从而跳出供暖系统微观变化，从宏观上调节控制供暖系统的热平衡.

1 系统的总体结构

系统的总体结构由无线监控系统、数据传输和控制中心三部分构成，系统结构构成如图1所示.

图1 系统总体结构图

每个小区内的RFID传感器节点自组网，通过网关连接到校园网上，把数据传给控制中心，控制中心根据得到的数据适时控制相关设备，达到智能化、自动控制的目的.系统的总体结构实施充分利用完备的校园网实现远程无线系统的数据检测、控制信息传输，可以合理利用校园，减少项目投资，实现节能、安全、低投入的多赢局面，监控中心的服务器上将采集现场传感器的数据，监测现场控制器的运行情况并指导操作员进行操作.服务器实时地从现场控制器采集数据以保证其数据库不断更新.服务器还向现场控制器发送控制和参数设置指令.操作员从控制中心通过该系统能够方便地得到监测节点运行的数据，利用校园网远程传输数据，既降低了系统建设的费用，又保证系统具有良好的扩展性，本文将详细探讨无线监控系统和控制中心的组成结构与工作原理.

2 无线监控子系统

无线监控子系统主要功能是对热网的温度、压力等模拟量参数进行检测，根据热网运行大惰性的特点，现场传感器能按指定的时间间隔进行参数采集，定期传输到监控中心的服务器上，并能自动响应控制中心，接收上位通讯调度软件的各种控制指令，能够灵活的完成室外温度补偿，设定温度、管网压力与流量控制参数，达到控制临界点，节点可自动进行流量控制和主动报警信息发送等功能，实现检测、控制的全面自动化.

每个无线监控子系统由一个星形结构的无线个人局域网(wireless personal area network communication technologies，WPAN)构成，覆盖区域为一个建筑物.鉴于zigbee节点具有自组网，低成本、低功耗，支持全双工无线通讯协议，高可扩充性(一个星形网路中可包括255个zigbee节点)和工作在2.4GHz的免费频段上的特点，WPAN采用符合IEEE802.15.4/ZIGBEE 标准的网络［1］，传感器节点采用嵌入式工业控制器zigbee节点，为保证数据采集的精确性，模拟量数据采集前置放大器采用仪表放大器，增加陷波电路，降低工频干扰.为降低系统的功耗和数据传输量，系统采用非信标工作模式(终端节点可以休眠，协调器与路由器始终工作，休眠的终端节点会周期醒来与父节点进行握手操作，确认自己在网络内的存在性)［2］，用定时中断的方式保证其采集时间间隔的准确性，数据转存采用双缓冲区方式，待第一缓冲区存满时，将第一缓冲区数据移至第二缓冲区，并将第二缓冲区数据加上报头发往上位机［3］，与ARM通信采用全双工方式，节点流量控制阀门的接口采用工业总线CAN总线接口.

嵌入式网关采用TI公司的高性能、低成本的基于ARMv7指令架构的嵌入式微处理器Cortex－A8，运行功耗仅300mW，具有先进的动态分支预测，专用的L2缓存，它可运行多种嵌入式操作系统，接口资源丰富，是32位嵌入式微处理器的主流产品.系统软件采用WINCE，应用程序采用Visual C++编程，Visual C++提供了大量的库函数及软件接口，编程减少和硬件打交道.降低系统开发难度和时间，Zigbee节点通过网关组成的无线监控子网，Zigbee节点是加入网络的流程如图二所示，嵌入式网关通过RJ45接口与校园网连接，进行监控数据的传输.

图2 Zigbee节点加入网络流程图

3 控制中心

控制中心是整个系统的中枢部分，其作用是存储实时检测的数据，掌握整个系统的运行状态，按功能需求设定系统运行的时间、温度、压力、流量等参数，使供热调节不处于盲目状态.

控制中心的数据管理系统采用技术成熟的C/S结构，硬件部分主要由服务器、管理工作站组成.为保障系统的安全运行，应采用专用的数据库服务器和通讯服务器，并设置异地备份功能和备用系统，系统管理人员通过工作站完成各自的工作［4］.

软件设计充分考虑热网运行的功能性需求，侧重于以下几个方面.

1)方便的实现网络控制与操作，传感节点的准确定位，降低管理人员的劳动量.

2)热力系统的历史数据和实时数据存储异地备份功能，保证系统安全运行.

3)适时的报警、提示管理功能.

4)具有人性化的操作界面，方便用户进行数据检索与浏览.

5)可输出各种需求报表、运行趋势曲线，能对历史数据进行挖掘，进行分析、统计、比较功能，方便专家制定系统运行策略.

6)完善的数据库接口，方便二次开发.

7)运行方式的合理设计，如办公区和生活区对供热时间段的要求恰好相反.

8)具有完整的报警记录和权限管理功能.

4 结语

基于物联网的高校集中供热管理系统，实现了流量、压力、温度、故障的时时监测，又具有远程通信、大容量历史数据存储及数据分析等功能，系统分析了高校校园供暖系统的运行规律，提出系统运行管理方案.实现热量按需分配，不仅可以提高热能的利用率，节约大量能源，而且可以减少废气排放，改善环境.同时系统建设充分利用现有资源、接入快速、维护简单.实现环保、节能、低投资的系统建设目标.这对推动新技术的应用，促进生产力的发展，加快国家的发展都有着较深的影响［5］.

［1］徐伟，邹瑜.供暖系统温控与热计量技术［M］.北京:中国计划出版社，2000.

［2］唐卫.热力站自动监控系统基本思路与控制模式分析［J］.区域供暖，2001.5.

［3］胡维俭.热力交换站温度的控制［J］.煤气与热力，1996.16.

［4］宿元斌.智能温度控制器AOT746O及其应用［J］.国外电子测量技术，2006.25.

［5］石久胜，王浩，潘洪伟.院校供暖与节能［J］.节能技术，2005.23.