基于GPRS无线室温监测系统设计及供热管网自控调节

杜野

[摘    要]主要描述了无线室温监测系统的采集层、传输层、管理平台的设计，将用户室温作为一个参考量，对热力站供热参数进行微调。

[关键词]GPRS;室温数据;自控调节

[中图分类号]TP274 [文献标志码]A [文章编号]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

供热系统温度监测系统已成为我国节能减排的关注重点。目前的供热系统中，缺乏有效、便利的温度监测系统，供热公司很难实时了解热用户的室温情况，不能够及时依据用户室温的变化对管网进行调节，造成供热效果不均衡，能源消耗提高。因此，采用科学的、有效的用户室温监测手段对热用户室内温度进行监测是十分必要和有效的。

1 无线室温监测系统总体设计

无线室温监测系统总体技术框架可分为采集层、传输层和数据层三大部分。总体技术框架如图1所示。

1.1 采集层

现场采集部分由无线室温监测装置组成，通过传感器将用户室温数据收集转化后，经由GPRS模块发送至数据中心。

1.2 传输层

网络传输部分采用运营商提供的GPRS网络，采用专用APN与公共网络进行隔离，确保数据的安全传送。

1.3 数据层

数据层由数据采集软件及数据管理平台组成。无线远程室温监测设备定时传输居民家里面的温度数据，数据采集软件对这些数据进行采集整理并存储至数据库，室温监测系统数据管理平臺通过调用这些数据进行数据曲线的绘制，各类报表的生成。参数配置软件通过与室温监测设备进行数据交互，给室温监测设备发送相应的指令，以实现监控中心工作人员对无线远程室温监测仪进行远程操作与管理。

2 采集设备的详细设计

室温监测设备由低功耗中央处理器（CPU）、液晶显示屏（LCD）、GPRS通信模块、温度传感器、手机卡、大容量锂电池和其他相关辅助模块组成。将设备安装在被监测温度居民家里，设备通过GPRS无线网络定时传输设备所在居民家中的温度数据到监控中心数据采集存储服务器，这样监控中心工作人员就能即时了解到居民家中温度变化情况，并据此做出相应的调节。供暖季结束时，还可以对设备远程进行休眠指令操作，使其功耗降至最低，延长电池使用寿命;同样在新的供暖季即将开始时，要对设备进行远程唤醒指令操作，使其开始正常工作，采集装置具体工作流程如图2所示。

3 传输层的总体设计

数据中心需要安装一条APN光缆，用来接入运营商GPRS网络，通过固定IP地址连接双方互联路由器，通过GRE隧道连接运营商互联路由器与GGNS。并申请专用的APN。用于GPRS专网的SIM卡仅开通该专用APN，限制使用其他APN。得到APN后，给所有现场采集点及数据中心分配移动内部固定IP。通过端到端加密的方式连接运营商终端和服务器平台，有效地保护数据，使其在传输过程中不会泄露。两侧采用防火墙进行隔离，并在防火墙上设置IP地址和端口过滤。

本系统具体组网如图3所示。测温设备通过专用APN接入运营商GPRS网络，通过移动基站连接到运营商GGSN。GGSN是网关GPRS支持节点，起网关作用，它可以和多种不同的数据网络连接。通过运营商GGSN与SGSN相连接。SGSN服务GPRS支持节点，作为移动通信网络核心网分组域设备重要组成部分，主要完成分组数据包的路由转发、移动性管理、会话管理、逻辑链路管理、鉴权和加密、话单产生和输出等功能。SGSN与GGSN配合，共同完成移动通信网络分组业务，将GPRS无线网络与数据光纤专线组成统一的虚拟专用网络，完成测温设备与数据服务器组网工作，使得测温设备采集到的温度数据成功上传数据服务器。

4 数据管理平台模块及功能设计

数据管理平台由实时数据模块、历史数据模块、报警信息模块、室温报表模块、数据分析模块、参数配置模块、分布图模块7大模块组成，有些功能下面还有诸多子功能模块。

4.1 实时数据模块

实时数据模块要求显示测温设备的编号、安装地址及目前室内温度数据。超过20 ℃的用红色字体表示，低于16℃的用蓝色字体表示，温度在16 ～20 ℃的用黑色字体表示。

4.2 历史数据模块

历史数据模块要求可以显示单个设备的历史数据曲线，规定两个时间节点，绘制2 h间节点间的历史数据曲线图。

4.3 报警信息模块

报警信息模块要求显示测温设备的所有报警信息，包括超温报警、低温报警、离线报警等设备异常报警。

4.4 室温报表模块

选择两个时间节点，将两个时间节点间的历史温度数据以报表方式生成，供供热公司人员进行分析。

4.5 数据分析模块

包括信号强度分析、电池电量分析、供热日平均温度计月平均温度等数据分析功能。

4.6 参数配置模块

通过参数配置模块，管理员可以对测温设备所有信息进行添加、删除及修改操作。

4.7 分布图模块

分布图模块可以显示测温设备的地理信息，在鼠标指向时可以显示测温点的编号、地址及温度信息等。

5 无线室温监测数据参与管网自控调节的探讨

全网平衡软件根据供热面积、室外温度、出入口压力温度等供热参数，对所有热力站工况进行调节，以达到平衡供热的目的。在全网平衡调节的基础上，加入如下算法对单个热力站供热参数进行微调。

5.1 通过阀门开度对总热量进行调节

Q=Cm（tg-th） （1）

（2）

（3）

通过以上公式可以得出

（4）

Q为热量;C为水的比热;m为质量;tg为热力站一次网供水温度;th為热力站一次网回水温度;v为流速;r为管径;H为阀门开度。

在供热管网中，热力站一次网供回水温度，管网内流速都是通过全网平衡软件控制的，在一定时期内为定值。所以要对热力站所供热量进行调节，控制阀门开度是最有效的手段。

由于温度调节具有滞后性，调节后不会短时间内发生变化，且经常性的调节供热参数对供热管网及稳定供热都是不利的，所以采取每15 d进行一次调节，调节过程分为两步进行。

5.2 通过如下算法判断是否需要进行调节

（5）

t1为某测点实测温度;t0为所有测点平均温度。

由于温度调节具有滞后性，且人体对外界温度感受的不敏感性，所测点温度t1在与所有测点平均温度t0相差2 ℃以内，认为此测点不需要进行调节。如相差2℃以上，人体会出现过热或者过冷的不适感觉，就需要对供热参数进行调节。

5.3 通过如下算法对热力站阀门开度进行微调

（6）

H为调节后阀门开度;H0为调节前阀门开度;t1为某测点实测温度;t0为所有测点平均温度。

通过此算法对热力站一次网进口阀门开度进行调节，控制进入热力站的热量总量，以达到调节供热温度的目的。

假设调节前阀门开度H0为50%，所有测点平均温度t0为20℃，某测点实测温度t1为24℃，调节后阀门开度为调节前的80%，调节后阀门开度H0为40%。通过阀门调节使得调节后所供热量也将为调节前的80%，以达到降低供热温度的目的。

假设调节前阀门开度H0为50%，所有测点平均温度t0为20℃，某测点实测温度t1为16 ℃，调节后阀门开度为调节前的120%，调节后阀门开度H0为60%。通过阀门调节使得调节后所供热量也将为调节前的120%，以达到提高供热温度的目的。

以上均为理论计算值，在实践中由于各个建筑的保温程度不同，房屋结构不同等各种因素作用，还需通过长期的实践积累为调节算法加一个影响系数，以便对单个热力站进行更精确的调节。

5.4 热力站阀门开度微调算法

（7）

H为调节后阀门开度;H0为调节前阀门开度;t1为某测点实测温度;t0为所有测点平均温度;η为影响系数。

通过以上算法即可通过无线室温监测系统所测温度数据，对单个热力站供热工况进行微调，以提高供热质量及供热效率。

在实际应用中，通过用户无线室温监测系统与全网平衡系统的联动，可以实现对单个热力站供热工况的微调，以达到更好的供热效果。

6 结束语

无线远程室温监测系统通过在整个供暖用户中合理地分布建立多个用户室温监测点，利用GPRS无线通信技术将各个监测点温度信息发送到监控中心，实时持续地监测居民家中的温度变化情况，除了可以进行大量的数据分析，掌握基本供热情况外，还可以加入热网自控系统，作为一个参考量对热力站供热参数进行微调，以达到更加平衡的供热效果。

参考文献

[1] 魏宁，王宇寰，施勇红.基于GPRS无线网络的数据采集系统的设计[J].北京电子科技学院学报，2006（4）：83-86.