基于GPRS通信技术的热网红外测温系统设计

　　【论文摘要】针对城市热网实时监测困难，便捷高效、远程温度监测设备短缺等突出问题，将远程通信及红外测温技术应用于热网温度监测中，设计了一种基于GPRS通信技术的热网红外测温系统。以MLX90614红外测温传感器获取热网观测点的温度信息并传输至低功耗单片机MSP430F169做解码处理，采用GPRS通信模块SIM900A，将解码数据发送至固定管理平台或移动管理终端，实现对监测点的远程监测，多点布控可实现多点监测。同时，每个监测终端可实时显示测温结果，便于现场观测与维护。测试实验表明，该系统温度信息采集准确、数据传输稳定，可满足目前城市热网实时远程监测的需求。

　　【论文关键词】红外测温；供热管网；远程监测；单片机；GPRS通信

　　Design of GPRS communication technology based infrared temperature measurement system for heat?supply network

　　ZHANG Shujuan1， 2， GE Wei1， 2， ZHU Jianjun1， 2， LI Ruibiao1， 2

　　Abstract： For the prominent problems that the city heat?supply network is hard to monitor in real?time and lacks of the convenient and efficient remote temperature monitoring equipment， the infrared temperature measurement system for heat?supply network based on GPRS communication technology was designed by combining the remote communication with infrared temperature measurement technology. The temperature information of the heat?supply network observation point is acquired by means of MLX90614 infrared temperature sensor， and transmitted to the low?power consumption microcontroller MSP430F169 for decoding. The decoded data is sent to the fixed management platform or mobile management terminal by GPRS communication module to realize remote monitoring of the observation point. The multi?point monitoring can be realized by multi?point deploy and control. Each monitoring terminal can display the temperature measurement results in real?time， which is convenient for field observation and maintenance. The testing experiment results indicate that the system can perform accurate temperature information collection and stable data transmission， which can satisfy the need of real?time remote monitoring for city heat?supply network.

　　Keywords： infrared temperature measurement； heat?supply network； remote monitoring； microcontroller； GPRS communication

　　0引言

　　目前，我国北方地区冬季供暖系统大多采用大规模热网集中供热方式[1]，实时了解用户室内热网温度信息是供暖中心做出温度调控的最有效参数之一。传统的人工热网管理维护存在信息统计与反馈滞后、工作效率低等问题，已无法满足日益增大的大规模城市热网管理需求，亟需寻求一种实时、准确、高效、便捷的多点、全方位热网温度远程监测方案。目前，已有研究人员提出将现代化技术应用于热网管理[2?6]，但针对实时、准确、高效、便捷的热网远程监测实施方案及设备的研究较少。针对这一现状，本文结合红外测温技术、单片机技术以及移动通信理念，提出适用于大规模城市热网温度监测的远程监测方案，并对用户终端红外测温系统进行设计、实现以及实验研究。

　　1远程监测系统方案

　　基于GPRS通信技术的热网温度远程监测系统主要由以下四部分组成：监控中心数据服务器、GPRSModem、GPRS网络和用户终端红外测温系统。该系统主要通过远端的红外测温系统对被监测热网的温度参数进行实时监测，可设定阈值，以便待超过规定温度范围时实施报警，也可通过短信对检测信息进行实时查询。具体将传感器采集的温度数据经SIM900A通信模块传送至GPRS网络，最终到达远端监控中心，监控中心对数据进行统计、分析，做出相应处理。远程监控系统整体框图如图1所示。

　　图1红外测温远程监测系统框图

　　2红外测温系统硬件设计

　　系统硬件设计主要包括：红外温度传感器及测量模块、MSP430F169单片机控制模块、GPRS通信模块以及其他功能电路扩展等单元的设计。红外测温系统硬件框图如图2所示。

　　图2红外测温系统硬件框图

　　2.1红外测温模块设计

　　本系统中的红外温度传感器采用Melexis公司生产的MLX90614系列测温芯片，测温精度可以达到0.01℃，允许-40～125℃超大供需范围，以及-70～380℃的扩展物体温度范围。MLX90614系列芯片由红外温度传感器、低噪声放大器、A/D转换器、DSP单元、脉宽调制电路及逻辑控制电路构成。热电耦输出的温度信号经过内部高性能、低噪声的运算放大器放大后，送给数/模转换器（ADC），ADC输出的17位数字量经过可编程FIR和IIR低通滤波器处理后输出。该输出作为测量结果保存在MLX90614内部RAM存储单元中，可以通过SMBus读取，单片机通过读取不同的地址单元，每条总线上最多可以搭载127片MLX90614，在实现温度测量网络化的同时还可以节省单片机的引脚资源，为其他功能的实现留出更多的硬件资源；同时测量结果送到后级数字式脉冲宽度调制电路，将测量结果以PWM的方式输出[7]，与单片机可以实现无缝连接，MLX90614与单片机连接电路如图3所示。

　　图3MLX90614与单片机连接电路图

　　2.2MSP430F169单片机模块

　　中心处理器MSP430F169是TI公司MSP430系列中的一款16位超低功耗的混合信号处理器，其功耗可以达到μA级。它的电源电压采用1.8～3.6V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅0.1μA，活动模式耗电250pA/MIPS，拥有5种低功耗模式（LPM0至LPM4）[8]。整个系统采用了低功耗设计理念，单片机模块向测温传感器发送控制命令，控制测温传感器的工作状态（睡眠和唤醒模式）和数据读取，当接收到测温传感器的数据后进行解码，然后通过GPRS通信模块发送至移动管理终端。这种设计方式，可以降低系统功耗，延长电池系统的使用时间。

　　2.3GPRS通信模块

　　GPRS通信模块采用SIMCom公司的新型紧凑型产品SIM900A，它属于双频GSM/GPRS模块，完全采用STM封装，性能稳定，外观精巧，性价比高，SIM900A采用省电技术设计，在SLEEP模式下最低耗流只有1mA，非常适合电池供电系统[9]。此外，该模块内嵌TCP/IP协议，扩展的TCP/IP命令让用户能够很容易使用TCP/IP协议，方便用户做数据传输方面的应用。通过AT命令进行控制，从而实现数据的传输，SIM900A将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。可以实现收发短信、GPRS通信等功能。

　　3系统软件设计

　　系统软件主要包括温度测量、数据采集处理、GPRS通信以及其他功能等部分软件的设计。MLX90614通过SMBus总线协议与单片机实现通信。在本系统中单片机作为主设备，MLX90614作为从设备，在每个测温终端可以有多个MLX90614器件，每个器件可以通过E2PROM中的00EH单元设定其地址。单片机可通过地址来访问不同的MLX90614器件，并将采集到的温度数据进行分析处理之后，通过AT指令初始化通信模块SIM900A，使其连接到GPRS网络上，并获得动态IP地址，实现用户测温系统终端与服务器之间建立信息连接[10]。为了降低系统功耗，控制程序采取精细功耗管理模式。基于中断结构的测温程序与MSP430F169微控制器的多种低功耗休眠模式以及MLX90614的睡眠模式相结合，可以提供一个最小功耗测量网络系统，系统工作流程图如图4所示。

　　图4系统工作流程图

　　图4（a）中主循环的定时间隔是由MSP430F169中的16位硬件定时器Timer_A以增计数模式完成。实验中定时间隔设为60s，每隔60s系统便进入中断服务子程序。这样每次MLX90614间隔睡眠模式工作，测量温度的时间间隔为60s，完全满足不同精度下MLX90614对转换时间的要求，同时亦能满足监控中心对测试数据频率的要求。

　　单片机控制MLX90614测温部分程序代码如下：

　　uint readtemp（void） //读温度数据

　　{

　　SCK=0； //时钟线置低

　　start（）； //开始条件

　　SendByte（0x00）； //发送从地址00 SendByte（0x07）； //发送命令

　　start（）； //开始条件

　　SendByte（0x01）； //读从地址00

bit_out=0； //数据标志位

　　tempL=ReadByte（）； //读数据低字节

　　bit_out=0；

　　tempH=ReadByte（）； //读数据高字节

　　bit_out=1；

　　err=ReadByte（）； //读错误信息码

　　stop（）； //停止条件

　　return（tempH*256+tempL）；

　　}

　　AT指令初始化通信模块SIM900A的部分程序代码如下：

　　if（Work_Mode==1） //判断GPRS工作模式

　　{

　　Gprs_At_Command（9，AT_CloseIp，50）； //关闭IP连接

　　Gprs_At_Command（20，AT_IpParameters，30）；

　　//设置IP参数：等待时间、重发次数等

　　Gprs_At_Command（5，AT_W，30）； //保存设置

　　Gprs_At_Command（strlen（AT_CGDCONT），AT_CGDCONT，100）； //设置PDP联系通道

　　Gprs_At_Command（13，AT_ActivateIp，100）； //激活IP地址

　　Tx_Head=AT_OpenIp0[0]；

　　Data_Cmnd_Snd（34，&AT_OpenIp0[1]，1，5）； //连接中心IP

　　}

　　4实验结果

　　分别采用本系统和水银温度计对本单位内的多组暖气的进水口和回水口处的温度数据进行了测量，同时通过GPRS网络进行传输。在实验中，从早上8点至晚上6点，每隔半小时对暖气温度值进行水银温度计测量，并与红外测温系统显示温度对比，其二者测温误差不超过0.5℃，同时查看PC机接收数据，与红外测温系统显示温度完全一致，数据传输正确率达到100%。对系统工作电流进行了测试，当系统工作在休眠模式时，电流低于5mA，具有低功耗特点，可延长电池的使用寿命。

　　5结语

　　本文设计的基于GPRS通信技术的热网红外测温系统将MSP430F169微控制器、MLX90614红外温度传感器和SIM9000A模块相结合，实现了一种低功耗无线远程红外测温系统。该系统具有以下特点：在信号覆盖范围内不会受到用户终端距离和区域条件的限制，供暖监控区域广泛；实时性较强，数据传输量大且费用比较合理；测温精准，测温精度可以控制在0.5℃以内；为供暖监控系统提供了一个无线远程数据传输方案，与有线网相比，节省了线路投资成本。经过实验室测试，系统工作稳定、可靠，研究成果为城镇集中供暖系统提供了一种实时、便捷、高效的多点、全方位的热网红外温度监测方案，具有较好的可扩展性。

　　【参考文献】

　　[1]洪程.供热采暖节能技术的应用探讨[J].科技展望，2015（6）：118?119.

　　[2]曹煜，于润桥，夏桂锁，等.热力管道磁?温综合检测技术[J].南昌航空大学学报（自然科学版），2015（1）：94?99.

　　[3]赵艳涛，李杰.基于GPRS网络的热网远程监控系统[J].信息系统工程，2014（1）：132.

　　[4]何忍宏.远程监控系统在供热中的应用[J].中州大学学报，2014（5）：121?123.

　　[5]李振营，刘经纬，鄢楚平.热力管网系统中的物联网网关研究与设计[J].现代电子技术，2014，37（23）：13?16.

　　[6]汪晓兵.热网监控系统在供热管理的应用[J].科技与企业，2014（15）：150.

　　[7]钟君，蔡黎明，于涌.基于MLX90614的无线温度采集系统设计[J].传感器与微系统，2015，34（3）：87?89.

　　[8]曹磊.MSP430单片机C程序设计与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007：1?5.

　　[9]任肖丽，陈佳喜，王骥.基于GPRS技术在线环境监测系统的研究[J].现代电子技术，2015，38（4）：60?62.

　　[10]翟顺，王卫红，张衎.基于SIM900A的物联网短信报警系统[J].现代电子技术，2012，35（5）：86?89.