基于物联网的城市供暖系统一体化数据采集方案

孙红利　姜佳鹏

摘要：随着物联网和信息技术的发展，物联网技术受到了人们的广泛关注。在解析了物联网的基本特征后，对比分析了物联网与传感器网络、手持设备等概念的关系，提出了一种城市供暖一体化数据采集方案。该方案通过自动采集、手持采集、数据传输、传输监听、可视监控、数据存储六大模块来实现供暖系统的低能耗和高可控性，使供暖系统更加智能。经过实际应用表明，该文方案能有效提高系统运行及管理的效率。

关键词：物联网；城市供暖；自动采集；可视监控；智能管理

中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）36-0285-04

1 概述

物联网（Internet of Things，IOT）是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段，被视为信息领域的一次重大发现。近年来，一些发达国家纷纷出台物联网发展计划，我国也将物联网作为战略性的新兴产业予以重点关注和推进。物联网是互联网的应用拓展，与其说物联网是网络，不如说物联网是业务和应用。因此，应用创新是物联网发展的核心，以用户体验为核心的创新2.0是物联网发展的灵魂。

在经济全球化和网络新经济的背景下，网络信息技术以及物联网技术[1-7]的发展使企业的竞争环境发生了巨大的变化。信息技术与传统应用的日益融合已成为大众的迫切需求，促进了社会的进步与发展。对于城市供暖系统[8-9]来说，随着技术的改进和节能减排的需求，传统集中供暖日益受到排斥，新的按需供暖方式受到越来越多的追捧。随着智能城市的发展和节能减排的提倡，如何安全、有效、科学地控制供暖系统成为城市现代化急需解决的问题。

传统的统一按面积收费、应答式服务以及盲目热能调度等方式已经不能适应于当今社会的新的供暖模式，不能满足用户服务期望的需求。由此，基于物联网的新型服务方式应运而生。王起等[10]提出的利用物联网技术构建先进的城市供暖系统方案，可实现城市供热的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化，能有效解决供暖能耗、供暖質量的监控，让供暖设备更加智能化，做到可监测、可控制、可调节，并根据我们的需要来选择温度。徐金凤[11]提出了基于物联网技术的集中供热节能网络系统，通过物联网技术，将换热站、工作人员、控制中心与互联网相连接，组建成一个完整的集中供热节能网络系统。该系统已经在天津市南开区、东丽区等地区得到成功应用，数据显示运行效率增加，供热质量提高，节能效果明显。唐咏[12]提出的小区供暖监控系统设计，根据城市小区供暖的自动控制要求，采用上位机、PLC、各类温度、液位、压力传感器，设计了一个供暖控制系统，并通过西门子WinCC组态，设计了组态画面和监控程序，从而实现了小区供暖系统温度、压力、流量的现场检测，提高了供暖效果。

本文提出的新型服务模式需要实时获取供暖系统各关键节点的相关数据信息。为解决此问题，本文基于物联网技术，给出一种城市供暖系统关键节点信息实时采集方案，利用实时采集的信息，可以为实现以下功能提供数据支持：（1）可以实时了解整个城市的热力使用分布情况，在此基础上进行合理的热力调度。（2）可以实时了解供暖系统各个关键节点的工作状态，为故障预测、故障定位、故障报警提供支持。（3）可以获得每个用户使用的热能流量数据，为按需收费提供支持，避免耗费大量人力进行查表工作。（4）可以利用获得历史采集数据，进行挖掘分析，为故障决策、热能生成计划及其它分析提供基础数据。

2 模型设计与实现（The model of Design and implementation）

在本文中，我们设计了一种基于物联网的城市供暖系统一体化数据采集方案。它分为六个模块：自动采集模块、手持采集模块、数据传输模块、传输监听模块、可视监控模块、数据存储模块，模型如图1所示。

每个采集点都集成了自动采集模块和数据传输模块。采集点能够通过自动采集模块自动采集点处的温度、压力、流量和阀门开关情况等信息，并能够通过集成的数据传输模块定期地将采集的信息以多跳转发方式传输给服务器。同时，采集点也能够通过数据传输模块接收服务器发送的采集设置参数，然后以设置参数的要求向服务器发送采集信息。采集点还可以通过数据传输模块以无线通信方式直接与手持采集模块连接，向手持采集模块发送采集信息或接受手持采集模块导入的路由表。

在服务器端，可视监控模块通过传输监听模块接收各个采集点发送的数据，将数据存放在数据存储模块中，并将数据实时显示在供暖系统的地图上。可视监控模块利用图形界面设定某个或某些采集点的采集参数，并通过传输监控模块发送给相应的采集点；还可以通过图形界面操作方式为手持采集模块分配采集任务，向手持采集模块导入采集点的路由表。通过可视监控模块实时显示的数据能够为判断供暖系统的运行情况、故障预测与诊断等提供支持。数据传输模块用于转发服务器发向采集点的采集参数设置命令或采集点发向服务器的采集信息。在城市供暖一体化采集方案中，集成在采集点的数据传输模块和单独部署的数据传输模块都是静态的。因此，通过设定固定路由表方式获得每个输出模块的转发路由。传输监听模块监听来自采集点的采集信息并交付给可视监控模块，并将可视监控模块发送的采集设置命令发送出去，经由数据传输模块发送给相应的采集点。

手持采集模块可以通过串口与服务器直接连接，通过可视监控模块分配手动采集任务或导入采集点的路由表。然后，将手持采集模块与采集点近距离接触，通过无线连接方式获取采集信息或向集成在采集点的数据传输模块导入路由表。此外，手持采集模块还可以与独立数据传输模块近距离接触，向其导入路由表。

由于采集系统需要利用无线或有线传输完成信息采集，因此，本系统无线或有线传输的数据包格式如图2所示。其中，type表示数据包的类型，1表示从服务器发向采集点的采集设置命令，2表示采集点发向服务器的采集信息；source表示发送节点地址；destination表示目的节点地址；data表示传送的数据。

2.1 自动采集模块

自动采集模块一般安装在需要进行实时信息采集的位置，比如用户供暖的入口、小区供暖入口和出口等。用于采集供暖系统的相关数据，如温度、压力、流量、阀门打开程度等，并将采集的数据按照规定的格式封装后交由数据传输模块，最终传送到服务器。此外，自动采集模块还包括一个小型显示屏，能够显示采集的数据。

自动采集模块的核心是单片机，它的工作原理分为三方面，通过串口接收来自服务器端的采集设置命令；显示采集的信息，并发送给服务器；从外界输入的报警和显示设置信号。

（1） 接收采集设置命令

单片机通过串口接收服务器端采集设置命令可以采集到采集点的标识，发送周期，发送采集信息的类型等。若单片机接收到period为零的命令，立即调用一次“采集信息显示与发送”，按照命令中type要求，发送一次采集信息；若单片机接收到period非零的命令，将命令中的period和type分别存储到单片机维护的两个参数period和type中，表示采集点需要每period秒按照type要求發送一次采集信息。而后单片机设置温度传感器、压力传感器、流量传感器以及电动阀门的信息采集周期为period。至此，接收采集设置命令结束。

（2） 采集信息显示与发送

单片机向服务器端发送采集信息时，单片机从温度传感器、压力传感器、流量传感器和电动阀门分别获得温度信息、压力信息、流量信息（实时流量和累积流量）和阀门开关程度信息。当单片机维护的type为0时，发送Heating_info_1的采集信息；当单片机维护的type为1时，发送Heating_info_2的采集信息。Struct Heating_info_1的信息包括采集点编号，温度，压力，流量等。Struct Heating_info_2的信息包括采集点编号，温度，压力，流量，开关程度，周期开始时间及结束时间。将发送的数据传送到显示屏显示后，当period到时，将发送的信息通过串口交给与自动采集模块封装在一起的数据传输模块，由数据传输模块向服务器端发送即可。

（3） 接收外界输入的报警和显示设置信号

外界报警按钮共有5个，当用户或巡查人员发现显示屏显示的信息异常时，可以按下相应按钮持续5秒以上向服务器进行故障申报。显示屏设置有两个，分别表示显示实时温度、压力、流量和开关程度，以及显示一个周期的平均温度、平均压力、累积流量和平均开关程度、周期开始时间和周期结束时间。用户或巡查人员可以通过按下相应按钮持续5秒以上切换显示方式。

2.2 手持采集模块

手持采集模块是一个便携式设备，可在采集点附近一定范围内（一般10米之内），获取采集点信息或向采集进行设置。获取的信息与自动采集模块发向服务器信息的封装完全一致。

手持采集模块工作时，利用串口与服务器连接，如果利用手持采集设备采集信息，则向手持采集模块分配采集任务；如果利用手持采集设备导入路由表，则向手持采集模块导入某个或某些采集点的路由表RT1和RT2。（1）采集员手持采集模块接收采集点的信息，解析出采集点的id。如果采集任务中存在某个id和当前采集点的id匹配，则开始接收采集点发送的数据，并将接收的数据同时显示在显示屏上和存储在存储模块中。当接收Number组数据后，完成数据采集。也可以手动按结束采集按钮（持续3秒）结束数据采集。如果采集任务中不存在和当前采集点id匹配的id，则提示当前采集点不属于采集任务规定的采集点。（2）采集员携带手持采集设备导入路由表，手持采集模块接收数据传输模块的信息，解析出采集点的id。如果导入路由表任务中存在某个id和当前数据传输模块的id匹配，则开始向数据传输模块导入路由表RT1和RT2。不断重复直至路由表导入完成。将手持采集模块通过串口与服务器连接，打开服务器的数据读取程序，即可进行数据的读取。

2.3 数据传输模块

数据传输模块接收来自自动采集模块、其它数据传输模块或传输监听模块的信息，将信息缓存在数据缓存模块中，并通过无线发送模块发送出去。当接收到接收确认后清空缓存数据。

数据传输模块分为三种类型：类型1是通过串口与自动采集模块集成在一起，类型2是进行无线信号转发，类型3是接收一个区域内所有的其它数据传输模块的信息，然后通过网口以有线方式传输给服务器。在供暖系统一体化数据采集方案中，各采集点的拓扑结构如图6所示。

类型1数据传输模块A工作时，监听A的无线接收模块、串口。如果串口有数据到达，并且是A第一次接收到串口发来的数据，则将收到数据的id解析处理，存放到A的变量joint_id中，表示与A连接的自动采集模块的id是joint_id。将串口发来的数据封装在数据包的data域，source设为A，将destination设为从A的路由表RT2中随机选取的一个节点的id。最后将装好的数据包缓存在数据缓存模块，并通过无线发送模块将封发送出去。当接收到destination的确认后清空缓存；如果无线接收模块有数据到达，则向数据包的source节点发送确认数据包。如果数据包的type是1，则检查A的joint_id是否与data域解析出的id相同。如果相同，将data域解析出的数据通过串口交给自动采集模块。如果不同，则将数据包的source置为A，destination置为从路由表RT1（RT1在安装时通过手持采集设备设置）中随机选择一个节点id，其它域不变。将装好的数据包缓存在数据缓存模块，并通过无线发送模块将封发送出去。当接收到destination的确认后清空缓存。如果数据包的type是2，则将数据包的source置为A，destination置为从路由表RT2中随机选择一个节点id，其它域不变。将装好的数据包缓存在数据缓存模块，并通过无线发送模块将封发送出去。当接收到destination的确认后清空缓存；如果没有数据到达，继续监听。

类型3数据传输模块B工作时，监听B的无线接收模块、网口。如果网口有数据到达，则向数据包的source节点发送确认数据包。将网口发来数据包source设为B，将destination设为从B的路由表RT1中随机选取的一个节点的id。将装好的数据包缓存在数据缓存模块，并通过无线发送模块发送出去。当接收到destination的确认后清空缓存。如果无线接收模块有数据到达，则向数据包的source节点发送确认数据包。将数据包的source置为B，destination置为从路由表RT2中随机选择一个节点id，其它域不变。将装好的数据包缓存在数据缓存模块，并通过网口发送出去。当接收到destination的确认后清空缓存。如果没有数据到达，继续监听。

类型2数据传输模块C工作时，监听C的无线接收模块。如果有数据到达，则继续监听。向数据包的source节点发送确认数据包。如果数据包的type是1，则将数据包的source置为C，destination置为从路由表RT1中隨机选择一个节点id，其它域不变。将装好的数据包缓存在数据缓存模块，并通过无线发送模块将封发送出去。当接收到destination的确认后清空缓存。如果数据包的type是2，则将数据包的source置为C，destination置为从路由表RT2中随机选择一个节点id，其它域不变。将装好的数据包缓存在数据缓存模块，并通过无线发送模块将封发送出去。当接收到destination的确认后清空缓存。

2.4 传输监听模块

传输监听模块是运行在服务器上的一个软件，它实时监听网口，以接收采集点发送的采集信息或将服务器的采集设置命令发送给相应的采集点。传输监听模块的工作时，实时监听网口和服务器，如果网口有数据到达，则向接收数据包向的source节点发送确认数据包。将数据包的data域解析处理交给服务，有服务器将信息存储在数据存储模块；如果服务器有命令发送，则将根据服务器设置参数的id从路由表RT中查询满足条件路由条目，随机选取一个路由条目对应的转发模块的id作为数据包的destination，source设为服务器，然后缓存该数据包，并通过网口发送出去。当收到destination的确认后清空缓存；如果都没有，则继续监听。

2.5 可视监控模块

可视监控模块是运行在服务器上的一个软件，它能够实时显示整个供暖网络的地图、各个采集的分布、各个采集点的工作状态，并具有图形用户界面为手持采集模块设置采集任务、初始化采集点路由表以及产生采集设置命令。可视化控模块的工作时，如果出现手持采集模块采集任务消息，则提示连接手持采集模块。通过鼠标或键盘操作确定手持采集任务的采集点序列以及每个节点采集信息的组数Number。如果出现设置采集命令消息，通过鼠标或键盘操作确定采集命令参数，并按确定交由传输监听模块发送给相应的采集点。如果接收到来自传输监听模块接收采集的消息，将采集信息进行解析，并实时现在地图的相应采集点上，并将结束的信息存储到数据存储模块。如果出现导出数据传输模块路由表的消息，则提示连接手持采集模块。通过鼠标或键盘操作将某个或某些数据传输模块的路由表导入到手持采集模块。

2.6 数据存储模块模块

数据存储模块存放可视监控模块接收的来自各个采集点的信息，为进行进一步决策提供数据支持。

3 结论（Conclusion）

本系统通过自动采集、手持采集、数据传输、传输监听、可视监控、数据存储六大模块实现供暖系统的低能耗和高可控，使供暖系统更加智能。应用于河南省洛阳市某小区可明显提高系统运行效率及管理效率，实现对整个住宅区的一体化数据采集，判断供暖系统的运行情况、故障预测与诊断等。在集中供暖的实时自动监测、监控、控制系统中融入物联网技术，将会对集中供暖的理念和管理模式方面造成重要影响，同时也是发展绿色低碳经济的战略性举措和应用。

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