基于物联网的供热计量与无线数传系统设计

林 源，蒋 浩

（长春职业技术学院，吉林 长春 130022）

我国北方一直都是用暖气供热，计费都是按房屋面积计费，因为成本原因很多家庭仍然继续使用老式机械热量计数表，但由于其内部可动部件叶轮的存在，在长时间高流速运行状态下极易造成磨损或堵塞，且精度较低[1-2]，后期维修成本较高，无法真正实现按实际用热量缴费，导致推广缓慢。随着供暖越来越普及，传统粗放式的热计量装置难以满足精细化、智能化的计量要求，采用集成芯片、高精度超声波传感器取代分立元件和机械部件设计热量表，不仅有利于提高计量精度、延长设备寿命、促进用热缴费的公平性。随着物联网技术的快速发展，能快速精确计量、动态监控、嵌入政府监控网络这样的供热终端信息安全系统显得越来越重要，这将有助于实现供热系统智能化，更能大大提高人们生活的幸福指数[3]。

1 系统原理与组成

垃圾渗滤液中污染物的成分和浓度，尤其是填埋场的系统由热量表、数据采集器、GPRSDTU 无线传输模块和上位机组成，系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

2 计量模块设计

2.1 热量计量原理

热量表采用 差法[4]计算热量，公式如下：

2.1.1 流量检测

采用超声波时差法[5]，利用超声波在顺流和逆流状态下传播速度不同的原理，通过测量其传播时间差求得流速，进而计算流量值。测量原理如图2所示。

图2 时差法流量测量原理

根据式（5）计算得到的是沿超声波传播路径上的线平均流速，而计算需采用沿管道截面分布的面平均流速。根据流体力学原理，引入流量修正系数 进行声速修正，可得瞬时体积流量表达式为：

2.1.2 温度检测

采用配对温度传感器PT1000 分别安装在进水和回水管道测量温度。当温度0 ℃≤≤850 ℃时，铂电阻阻值与温度的关系[6]为：

式中： 为温度为 时铂电阻阻值； 为温度 为0 ℃时 铂 电 阻 阻 值； =3.9083×10-3℃；=-5.775×10-7℃。

因此，只要测得铂电阻阻值，即可计算出对应温度，采用电容放电法，利用同一电容值的电容对不同阻值的电阻进行放电所需时间不同的原理，实现电阻值的测量。

2.2 热量表硬件设计

图3 为热量表结构组成图，微处理器采用MSP430 单片机，通过SPI 接口控制TDC-GP22 实现温度和流量的测量。MSP430 系列是具有超低功耗的16 位单片机，采用1.8-3.6 V 电压供电，RAM 保持模式下的功耗只有0.1 uA，能在6 us 内对外部中断请求作出快速响应，唤醒单片机进入工作状态[7]。

图3 热量表结构框图

TDC-GP22 通过精确测量从START 引脚接收到启动脉冲信号开始到STOP 引脚接收到停止脉冲信号结束的时间实现对流量的测量。内部脉冲发生器作为激励源，发送脉冲序列至超声波换能器，换能器通过磁致伸缩效应将接收到的脉冲信号转换为超声波信号，声波在管道中飞行，进行采样计算，并将表示时间长度的数字量存储在寄存器中，由微控制器读取寄存器中的数据进行计算，得到流量值。TDC-GP22 通过测量同一电容对温度传感器铂电阻和参考电阻的放电时间实现对温度的测量。温度测量电路如图4 所示。

图4 TDC-GP22 温度测量电路

图4 中进、出分别为安装在进水和回水管道的铂电阻PT1000， 为标准参考电阻。当TDCGP22 接收到单片机发送的温度测量指令，即自动开始4 次测量，获得铂电阻和参考电阻对标准电容的放电时间，测量结束置中断标志位，将测量结果存储于寄存器registers0-3 中。

2.3 采集模块设计

数据采集器是连接上位机数据中心与热量表终端的中枢，担负着下行转发抄表命令和上行传输抄表数据的功能，采用物联网无线数据终端GPRS-DTU 模块与上位机相连，实现数据的无线透明传输。

M-BUS 信号传输采用电压调制和电流调制两种调制方式，调制原理如图5 所示。

图5 M-BUS 总线信号调制

为避免远距离传输时总线上的分布电阻导致总线电压下降，采用电压调制方式，从机采用动态电平识别机制判断总线电压的相对变化量，判定是否有主机信号。

2.4 收发电路设计

根据M-BUS 信号调制机制，发送电路应能产生相对变化量为±12V 的电压脉冲序列，接收电路应能将电流脉冲序列解调转化为微控制器兼容的高低电平。电路如图6 所示。

图6 TSS721 电路连接图

图6 中1、2为保护电阻，TX、RX为数据收发端口，通过BUSL1 和BUSL2 两端的电压差定义总线电压UBUS=UMARK（标识值），克服传输距离对总线电压的影响。

2.5 传输模块设计

物联网无线数据终端由微处理器、电源模块、串口模块、GPRS 通信模块以及外围扩展电路组成。上电后自动上传ID 号，登录到GPRS 无线网络，通过固定IP 地址与上位机数据中心建立Socket 连接，向数据中心发送心跳包并等待对方进行心跳握手回复3 个十六进制的“00H”。上位机抄表指令通过GPRS 网络传输至GPRS-DTU 终端，经由RS485 接口转发到数据采集器启动抄表程序，完成数据的无线传输。图7 为系统程序流程图。设计了定时采集与指令抄表两种数据采集方式，系统上电初始化，进入主程序循环等待。

图7 系统软件流程图

2.6 传输协议设计

按照M-BUS 协议设计了数据封装及抄表指令格式。其中读取数据指令格式如表1 所示。

表1 中20H 表示仪表类型为热计量表；从 机 地 址 为14 位BCD 码。 例 如， 当 地 址 为00000000000001 的热量表接收到此命令时，将回复主机以下数据：结算日热量：0x00 0x00 0x00 0x00；单位：0x05(kWh)；当前热量：0x00 0x00 0x00 0x00；单位：0x05(kWh)；瞬时流量：0x00 0x00 0x00 0x00；单位：0x35（m3/h）；累积流量：0x00 0x00 0x00 0x00；单位：0x2C（m3/h）；进水温度：0x00 0x00 0x00 0x00；回水温度：0x00 0x00 0x00 0x00；累计工作时间：0x00 0x00 0x00。

表1 读取数据指令格式

3 实验

鉴于实验室条件所限，采用分体检定法[11]，即对热量表的温度传感器和流量传感器分别进行检定，将其误差之和作为热量表整体误差。

3.1 流量测量实验

流量测量采用标准表法，将实验样表与标准表串行连接在循环管道中，标准表为经检定合格的符合二级表标准的热量表，采用流量可调式水泵驱动管道水循环。其中，管道直径DN20；热量表额定流量2.5 m3/h；水泵型号DC-3000，最大流量3 m3/h；室温18 ℃。每个档位下重复测量3 次，结果如表2所示。

表2 流量检测结果

3.2 温度测量实验

实验方法：将两个温度传感器与高精度温度计放入同一恒温水槽中，在不同的温度下检测所示温度与标准温度的误差以及两个温度传感器之间的配对误差。选用AI-5600 高精度数字温度计，最高分辨率0.001 ℃。测量结果如表3 所示。

表3 温度监测结果

热量表检定规程EN1434.1-2007 规定，热量表总体误差等于各分体误差绝对值之和，由于分体误差均小于其最大允许误差，因此热量表总误差小于容许误差，符合二级表标准。

3.3 数据远传实验

实验方法：将热量表、采集器和GPRS-DTU连接，将热量表ID 号、采集器ID 号配置到上位机数据库软件，SIM 卡插入GPRS-DTU 并进行IP 地址和端口号配置。系统上电后，等待GPRSDTU 模块搜索登陆，登陆成功后，打开上位机数据采集器测试软件，发送表1 中的抄表命令，系统返回应答数据如图8 所示。

图8 上位机抄表测试图

4 结论

采用欧洲标准仪表总线M-BUS 和高精度集成芯片TDC-GP22，可以实现高精度供热计量和数据采集，大大提升了工作效率。实验验证结果表明，在常用流量2.5 m3/h 下，流量检测误差不大于0.4%，温度传感器配对误差不大于0.1%，计量精度达到二级表标准，数据传输准确可靠，可大幅提高计量精度，减少抄表工作量，应用前景广阔。