基于物聯(lián)網(wǎng)的城市供暖系統(tǒng)一體化數(shù)據(jù)采集方案

孫紅利　姜佳鵬

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)受到了人們的廣泛關(guān)注。在解析了物聯(lián)網(wǎng)的基本特征后，對比分析了物聯(lián)網(wǎng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)、手持設(shè)備等概念的關(guān)系，提出了一種城市供暖一體化數(shù)據(jù)采集方案。該方案通過自動采集、手持采集、數(shù)據(jù)傳輸、傳輸監(jiān)聽、可視監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲六大模塊來實現(xiàn)供暖系統(tǒng)的低能耗和高可控性，使供暖系統(tǒng)更加智能。經(jīng)過實際應(yīng)用表明，該文方案能有效提高系統(tǒng)運行及管理的效率。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；城市供暖；自動采集；可視監(jiān)控；智能管理

中圖分類號：TP302 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）36-0285-04

1 概述

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT）是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發(fā)展階段，被視為信息領(lǐng)域的一次重大發(fā)現(xiàn)。近年來，一些發(fā)達國家紛紛出臺物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展計劃，我國也將物聯(lián)網(wǎng)作為戰(zhàn)略性的新興產(chǎn)業(yè)予以重點關(guān)注和推進。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用拓展，與其說物聯(lián)網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)，不如說物聯(lián)網(wǎng)是業(yè)務(wù)和應(yīng)用。因此，應(yīng)用創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心，以用戶體驗為核心的創(chuàng)新2.0是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的靈魂。

在經(jīng)濟全球化和網(wǎng)絡(luò)新經(jīng)濟的背景下，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1-7]的發(fā)展使企業(yè)的競爭環(huán)境發(fā)生了巨大的變化。信息技術(shù)與傳統(tǒng)應(yīng)用的日益融合已成為大眾的迫切需求，促進了社會的進步與發(fā)展。對于城市供暖系統(tǒng)[8-9]來說，隨著技術(shù)的改進和節(jié)能減排的需求，傳統(tǒng)集中供暖日益受到排斥，新的按需供暖方式受到越來越多的追捧。隨著智能城市的發(fā)展和節(jié)能減排的提倡，如何安全、有效、科學(xué)地控制供暖系統(tǒng)成為城市現(xiàn)代化急需解決的問題。

傳統(tǒng)的統(tǒng)一按面積收費、應(yīng)答式服務(wù)以及盲目熱能調(diào)度等方式已經(jīng)不能適應(yīng)于當(dāng)今社會的新的供暖模式，不能滿足用戶服務(wù)期望的需求。由此，基于物聯(lián)網(wǎng)的新型服務(wù)方式應(yīng)運而生。王起等[10]提出的利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建先進的城市供暖系統(tǒng)方案，可實現(xiàn)城市供熱的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)?！钡摹肮?、控、營”一體化，能有效解決供暖能耗、供暖質(zhì)量的監(jiān)控，讓供暖設(shè)備更加智能化，做到可監(jiān)測、可控制、可調(diào)節(jié)，并根據(jù)我們的需要來選擇溫度。徐金鳳[11]提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集中供熱節(jié)能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將換熱站、工作人員、控制中心與互聯(lián)網(wǎng)相連接，組建成一個完整的集中供熱節(jié)能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)在天津市南開區(qū)、東麗區(qū)等地區(qū)得到成功應(yīng)用，數(shù)據(jù)顯示運行效率增加，供熱質(zhì)量提高，節(jié)能效果明顯。唐詠[12]提出的小區(qū)供暖監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，根據(jù)城市小區(qū)供暖的自動控制要求，采用上位機、PLC、各類溫度、液位、壓力傳感器，設(shè)計了一個供暖控制系統(tǒng)，并通過西門子WinCC組態(tài)，設(shè)計了組態(tài)畫面和監(jiān)控程序，從而實現(xiàn)了小區(qū)供暖系統(tǒng)溫度、壓力、流量的現(xiàn)場檢測，提高了供暖效果。

本文提出的新型服務(wù)模式需要實時獲取供暖系統(tǒng)各關(guān)鍵節(jié)點的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。為解決此問題，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，給出一種城市供暖系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點信息實時采集方案，利用實時采集的信息，可以為實現(xiàn)以下功能提供數(shù)據(jù)支持：（1）可以實時了解整個城市的熱力使用分布情況，在此基礎(chǔ)上進行合理的熱力調(diào)度。（2）可以實時了解供暖系統(tǒng)各個關(guān)鍵節(jié)點的工作狀態(tài)，為故障預(yù)測、故障定位、故障報警提供支持。（3）可以獲得每個用戶使用的熱能流量數(shù)據(jù)，為按需收費提供支持，避免耗費大量人力進行查表工作。（4）可以利用獲得歷史采集數(shù)據(jù)，進行挖掘分析，為故障決策、熱能生成計劃及其它分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 模型設(shè)計與實現(xiàn)（The model of Design and implementation）

在本文中，我們設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的城市供暖系統(tǒng)一體化數(shù)據(jù)采集方案。它分為六個模塊：自動采集模塊、手持采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、傳輸監(jiān)聽模塊、可視監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊，模型如圖1所示。

每個采集點都集成了自動采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。采集點能夠通過自動采集模塊自動采集點處的溫度、壓力、流量和閥門開關(guān)情況等信息，并能夠通過集成的數(shù)據(jù)傳輸模塊定期地將采集的信息以多跳轉(zhuǎn)發(fā)方式傳輸給服務(wù)器。同時，采集點也能夠通過數(shù)據(jù)傳輸模塊接收服務(wù)器發(fā)送的采集設(shè)置參數(shù)，然后以設(shè)置參數(shù)的要求向服務(wù)器發(fā)送采集信息。采集點還可以通過數(shù)據(jù)傳輸模塊以無線通信方式直接與手持采集模塊連接，向手持采集模塊發(fā)送采集信息或接受手持采集模塊導(dǎo)入的路由表。

在服務(wù)器端，可視監(jiān)控模塊通過傳輸監(jiān)聽模塊接收各個采集點發(fā)送的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)存儲模塊中，并將數(shù)據(jù)實時顯示在供暖系統(tǒng)的地圖上?？梢暠O(jiān)控模塊利用圖形界面設(shè)定某個或某些采集點的采集參數(shù)，并通過傳輸監(jiān)控模塊發(fā)送給相應(yīng)的采集點；還可以通過圖形界面操作方式為手持采集模塊分配采集任務(wù)，向手持采集模塊導(dǎo)入采集點的路由表。通過可視監(jiān)控模塊實時顯示的數(shù)據(jù)能夠為判斷供暖系統(tǒng)的運行情況、故障預(yù)測與診斷等提供支持。數(shù)據(jù)傳輸模塊用于轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器發(fā)向采集點的采集參數(shù)設(shè)置命令或采集點發(fā)向服務(wù)器的采集信息。在城市供暖一體化采集方案中，集成在采集點的數(shù)據(jù)傳輸模塊和單獨部署的數(shù)據(jù)傳輸模塊都是靜態(tài)的。因此，通過設(shè)定固定路由表方式獲得每個輸出模塊的轉(zhuǎn)發(fā)路由。傳輸監(jiān)聽模塊監(jiān)聽來自采集點的采集信息并交付給可視監(jiān)控模塊，并將可視監(jiān)控模塊發(fā)送的采集設(shè)置命令發(fā)送出去，經(jīng)由數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送給相應(yīng)的采集點。

手持采集模塊可以通過串口與服務(wù)器直接連接，通過可視監(jiān)控模塊分配手動采集任務(wù)或?qū)氩杉c的路由表。然后，將手持采集模塊與采集點近距離接觸，通過無線連接方式獲取采集信息或向集成在采集點的數(shù)據(jù)傳輸模塊導(dǎo)入路由表。此外，手持采集模塊還可以與獨立數(shù)據(jù)傳輸模塊近距離接觸，向其導(dǎo)入路由表。

由于采集系統(tǒng)需要利用無線或有線傳輸完成信息采集，因此，本系統(tǒng)無線或有線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包格式如圖2所示。其中，type表示數(shù)據(jù)包的類型，1表示從服務(wù)器發(fā)向采集點的采集設(shè)置命令，2表示采集點發(fā)向服務(wù)器的采集信息；source表示發(fā)送節(jié)點地址；destination表示目的節(jié)點地址；data表示傳送的數(shù)據(jù)。

2.1 自動采集模塊

自動采集模塊一般安裝在需要進行實時信息采集的位置，比如用戶供暖的入口、小區(qū)供暖入口和出口等。用于采集供暖系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、流量、閥門打開程度等，并將采集的數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式封裝后交由數(shù)據(jù)傳輸模塊，最終傳送到服務(wù)器。此外，自動采集模塊還包括一個小型顯示屏，能夠顯示采集的數(shù)據(jù)。

自動采集模塊的核心是單片機，它的工作原理分為三方面，通過串口接收來自服務(wù)器端的采集設(shè)置命令；顯示采集的信息，并發(fā)送給服務(wù)器；從外界輸入的報警和顯示設(shè)置信號。

（1） 接收采集設(shè)置命令

單片機通過串口接收服務(wù)器端采集設(shè)置命令可以采集到采集點的標(biāo)識，發(fā)送周期，發(fā)送采集信息的類型等。若單片機接收到period為零的命令，立即調(diào)用一次“采集信息顯示與發(fā)送”，按照命令中type要求，發(fā)送一次采集信息；若單片機接收到period非零的命令，將命令中的period和type分別存儲到單片機維護的兩個參數(shù)period和type中，表示采集點需要每period秒按照type要求發(fā)送一次采集信息。而后單片機設(shè)置溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器以及電動閥門的信息采集周期為period。至此，接收采集設(shè)置命令結(jié)束。

（2） 采集信息顯示與發(fā)送

單片機向服務(wù)器端發(fā)送采集信息時，單片機從溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器和電動閥門分別獲得溫度信息、壓力信息、流量信息（實時流量和累積流量）和閥門開關(guān)程度信息。當(dāng)單片機維護的type為0時，發(fā)送Heating_info_1的采集信息；當(dāng)單片機維護的type為1時，發(fā)送Heating_info_2的采集信息。Struct Heating_info_1的信息包括采集點編號，溫度，壓力，流量等。Struct Heating_info_2的信息包括采集點編號，溫度，壓力，流量，開關(guān)程度，周期開始時間及結(jié)束時間。將發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送到顯示屏顯示后，當(dāng)period到時，將發(fā)送的信息通過串口交給與自動采集模塊封裝在一起的數(shù)據(jù)傳輸模塊，由數(shù)據(jù)傳輸模塊向服務(wù)器端發(fā)送即可。

（3） 接收外界輸入的報警和顯示設(shè)置信號

外界報警按鈕共有5個，當(dāng)用戶或巡查人員發(fā)現(xiàn)顯示屏顯示的信息異常時，可以按下相應(yīng)按鈕持續(xù)5秒以上向服務(wù)器進行故障申報。顯示屏設(shè)置有兩個，分別表示顯示實時溫度、壓力、流量和開關(guān)程度，以及顯示一個周期的平均溫度、平均壓力、累積流量和平均開關(guān)程度、周期開始時間和周期結(jié)束時間。用戶或巡查人員可以通過按下相應(yīng)按鈕持續(xù)5秒以上切換顯示方式。

2.2 手持采集模塊

手持采集模塊是一個便攜式設(shè)備，可在采集點附近一定范圍內(nèi)（一般10米之內(nèi)），獲取采集點信息或向采集進行設(shè)置。獲取的信息與自動采集模塊發(fā)向服務(wù)器信息的封裝完全一致。

手持采集模塊工作時，利用串口與服務(wù)器連接，如果利用手持采集設(shè)備采集信息，則向手持采集模塊分配采集任務(wù)；如果利用手持采集設(shè)備導(dǎo)入路由表，則向手持采集模塊導(dǎo)入某個或某些采集點的路由表RT1和RT2。（1）采集員手持采集模塊接收采集點的信息，解析出采集點的id。如果采集任務(wù)中存在某個id和當(dāng)前采集點的id匹配，則開始接收采集點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將接收的數(shù)據(jù)同時顯示在顯示屏上和存儲在存儲模塊中。當(dāng)接收Number組數(shù)據(jù)后，完成數(shù)據(jù)采集。也可以手動按結(jié)束采集按鈕（持續(xù)3秒）結(jié)束數(shù)據(jù)采集。如果采集任務(wù)中不存在和當(dāng)前采集點id匹配的id，則提示當(dāng)前采集點不屬于采集任務(wù)規(guī)定的采集點。（2）采集員攜帶手持采集設(shè)備導(dǎo)入路由表，手持采集模塊接收數(shù)據(jù)傳輸模塊的信息，解析出采集點的id。如果導(dǎo)入路由表任務(wù)中存在某個id和當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸模塊的id匹配，則開始向數(shù)據(jù)傳輸模塊導(dǎo)入路由表RT1和RT2。不斷重復(fù)直至路由表導(dǎo)入完成。將手持采集模塊通過串口與服務(wù)器連接，打開服務(wù)器的數(shù)據(jù)讀取程序，即可進行數(shù)據(jù)的讀取。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊接收來自自動采集模塊、其它數(shù)據(jù)傳輸模塊或傳輸監(jiān)聽模塊的信息，將信息緩存在數(shù)據(jù)緩存模塊中，并通過無線發(fā)送模塊發(fā)送出去。當(dāng)接收到接收確認后清空緩存數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸模塊分為三種類型：類型1是通過串口與自動采集模塊集成在一起，類型2是進行無線信號轉(zhuǎn)發(fā)，類型3是接收一個區(qū)域內(nèi)所有的其它數(shù)據(jù)傳輸模塊的信息，然后通過網(wǎng)口以有線方式傳輸給服務(wù)器。在供暖系統(tǒng)一體化數(shù)據(jù)采集方案中，各采集點的拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示。

類型1數(shù)據(jù)傳輸模塊A工作時，監(jiān)聽A的無線接收模塊、串口。如果串口有數(shù)據(jù)到達，并且是A第一次接收到串口發(fā)來的數(shù)據(jù)，則將收到數(shù)據(jù)的id解析處理，存放到A的變量joint_id中，表示與A連接的自動采集模塊的id是joint_id。將串口發(fā)來的數(shù)據(jù)封裝在數(shù)據(jù)包的data域，source設(shè)為A，將destination設(shè)為從A的路由表RT2中隨機選取的一個節(jié)點的id。最后將裝好的數(shù)據(jù)包緩存在數(shù)據(jù)緩存模塊，并通過無線發(fā)送模塊將封發(fā)送出去。當(dāng)接收到destination的確認后清空緩存；如果無線接收模塊有數(shù)據(jù)到達，則向數(shù)據(jù)包的source節(jié)點發(fā)送確認數(shù)據(jù)包。如果數(shù)據(jù)包的type是1，則檢查A的joint_id是否與data域解析出的id相同。如果相同，將data域解析出的數(shù)據(jù)通過串口交給自動采集模塊。如果不同，則將數(shù)據(jù)包的source置為A，destination置為從路由表RT1（RT1在安裝時通過手持采集設(shè)備設(shè)置）中隨機選擇一個節(jié)點id，其它域不變。將裝好的數(shù)據(jù)包緩存在數(shù)據(jù)緩存模塊，并通過無線發(fā)送模塊將封發(fā)送出去。當(dāng)接收到destination的確認后清空緩存。如果數(shù)據(jù)包的type是2，則將數(shù)據(jù)包的source置為A，destination置為從路由表RT2中隨機選擇一個節(jié)點id，其它域不變。將裝好的數(shù)據(jù)包緩存在數(shù)據(jù)緩存模塊，并通過無線發(fā)送模塊將封發(fā)送出去。當(dāng)接收到destination的確認后清空緩存；如果沒有數(shù)據(jù)到達，繼續(xù)監(jiān)聽。

類型3數(shù)據(jù)傳輸模塊B工作時，監(jiān)聽B的無線接收模塊、網(wǎng)口。如果網(wǎng)口有數(shù)據(jù)到達，則向數(shù)據(jù)包的source節(jié)點發(fā)送確認數(shù)據(jù)包。將網(wǎng)口發(fā)來數(shù)據(jù)包source設(shè)為B，將destination設(shè)為從B的路由表RT1中隨機選取的一個節(jié)點的id。將裝好的數(shù)據(jù)包緩存在數(shù)據(jù)緩存模塊，并通過無線發(fā)送模塊發(fā)送出去。當(dāng)接收到destination的確認后清空緩存。如果無線接收模塊有數(shù)據(jù)到達，則向數(shù)據(jù)包的source節(jié)點發(fā)送確認數(shù)據(jù)包。將數(shù)據(jù)包的source置為B，destination置為從路由表RT2中隨機選擇一個節(jié)點id，其它域不變。將裝好的數(shù)據(jù)包緩存在數(shù)據(jù)緩存模塊，并通過網(wǎng)口發(fā)送出去。當(dāng)接收到destination的確認后清空緩存。如果沒有數(shù)據(jù)到達，繼續(xù)監(jiān)聽。

類型2數(shù)據(jù)傳輸模塊C工作時，監(jiān)聽C的無線接收模塊。如果有數(shù)據(jù)到達，則繼續(xù)監(jiān)聽。向數(shù)據(jù)包的source節(jié)點發(fā)送確認數(shù)據(jù)包。如果數(shù)據(jù)包的type是1，則將數(shù)據(jù)包的source置為C，destination置為從路由表RT1中隨機選擇一個節(jié)點id，其它域不變。將裝好的數(shù)據(jù)包緩存在數(shù)據(jù)緩存模塊，并通過無線發(fā)送模塊將封發(fā)送出去。當(dāng)接收到destination的確認后清空緩存。如果數(shù)據(jù)包的type是2，則將數(shù)據(jù)包的source置為C，destination置為從路由表RT2中隨機選擇一個節(jié)點id，其它域不變。將裝好的數(shù)據(jù)包緩存在數(shù)據(jù)緩存模塊，并通過無線發(fā)送模塊將封發(fā)送出去。當(dāng)接收到destination的確認后清空緩存。

2.4 傳輸監(jiān)聽模塊

傳輸監(jiān)聽模塊是運行在服務(wù)器上的一個軟件，它實時監(jiān)聽網(wǎng)口，以接收采集點發(fā)送的采集信息或?qū)⒎?wù)器的采集設(shè)置命令發(fā)送給相應(yīng)的采集點。傳輸監(jiān)聽模塊的工作時，實時監(jiān)聽網(wǎng)口和服務(wù)器，如果網(wǎng)口有數(shù)據(jù)到達，則向接收數(shù)據(jù)包向的source節(jié)點發(fā)送確認數(shù)據(jù)包。將數(shù)據(jù)包的data域解析處理交給服務(wù)，有服務(wù)器將信息存儲在數(shù)據(jù)存儲模塊；如果服務(wù)器有命令發(fā)送，則將根據(jù)服務(wù)器設(shè)置參數(shù)的id從路由表RT中查詢滿足條件路由條目，隨機選取一個路由條目對應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)模塊的id作為數(shù)據(jù)包的destination，source設(shè)為服務(wù)器，然后緩存該數(shù)據(jù)包，并通過網(wǎng)口發(fā)送出去。當(dāng)收到destination的確認后清空緩存；如果都沒有，則繼續(xù)監(jiān)聽。

2.5 可視監(jiān)控模塊

可視監(jiān)控模塊是運行在服務(wù)器上的一個軟件，它能夠?qū)崟r顯示整個供暖網(wǎng)絡(luò)的地圖、各個采集的分布、各個采集點的工作狀態(tài)，并具有圖形用戶界面為手持采集模塊設(shè)置采集任務(wù)、初始化采集點路由表以及產(chǎn)生采集設(shè)置命令?？梢暬啬K的工作時，如果出現(xiàn)手持采集模塊采集任務(wù)消息，則提示連接手持采集模塊。通過鼠標(biāo)或鍵盤操作確定手持采集任務(wù)的采集點序列以及每個節(jié)點采集信息的組數(shù)Number。如果出現(xiàn)設(shè)置采集命令消息，通過鼠標(biāo)或鍵盤操作確定采集命令參數(shù)，并按確定交由傳輸監(jiān)聽模塊發(fā)送給相應(yīng)的采集點。如果接收到來自傳輸監(jiān)聽模塊接收采集的消息，將采集信息進行解析，并實時現(xiàn)在地圖的相應(yīng)采集點上，并將結(jié)束的信息存儲到數(shù)據(jù)存儲模塊。如果出現(xiàn)導(dǎo)出數(shù)據(jù)傳輸模塊路由表的消息，則提示連接手持采集模塊。通過鼠標(biāo)或鍵盤操作將某個或某些數(shù)據(jù)傳輸模塊的路由表導(dǎo)入到手持采集模塊。

2.6 數(shù)據(jù)存儲模塊模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊存放可視監(jiān)控模塊接收的來自各個采集點的信息，為進行進一步?jīng)Q策提供數(shù)據(jù)支持。

3 結(jié)論（Conclusion）

本系統(tǒng)通過自動采集、手持采集、數(shù)據(jù)傳輸、傳輸監(jiān)聽、可視監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲六大模塊實現(xiàn)供暖系統(tǒng)的低能耗和高可控，使供暖系統(tǒng)更加智能。應(yīng)用于河南省洛陽市某小區(qū)可明顯提高系統(tǒng)運行效率及管理效率，實現(xiàn)對整個住宅區(qū)的一體化數(shù)據(jù)采集，判斷供暖系統(tǒng)的運行情況、故障預(yù)測與診斷等。在集中供暖的實時自動監(jiān)測、監(jiān)控、控制系統(tǒng)中融入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將會對集中供暖的理念和管理模式方面造成重要影響，同時也是發(fā)展綠色低碳經(jīng)濟的戰(zhàn)略性舉措和應(yīng)用。

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