| 标题 | 热力管网系统中的物联网网关研究与设计 |
| 范文 | 李振营,刘经纬,鄢楚平 摘? 要： 热力管网系统中存在着智能化和自动化程度不高的问题，传统热力站和管网中仪器仪表具有接入网络困难、监测数据不及时、数据开放性不够等问题，呈现出一个个的信息孤岛。物联网技术能够提供感知设备的全面接入、数据的实时监测和共享，目前已经在建筑物节能、污水处理、消防、热力、水/电/燃气系统等行业领域得到广泛应用。所设计的热力管网系统的物联网网关可对热力参数进行实时检测，并将热力管网的状态实时传送给接入管理平台和数据库服务器，各个管理部门能够及时地监控热力管网的工作状态与运行情况。 关键词： 物联网； 热力管网； 网关； 通信接口； 协议及数据适配 中图分类号： TN91?34???????????????????????? 文献标识码： A??????????????????????? 文章编号： 1004?373X（2014）23?0013?04 Abstract： Thermal pipe network system is lower in intelligence and automation levels. The instruments and sensors in the traditional thermal station and the pipe network are difficult to access network， can not monitor data timely and are insufficient in data openness. That′s why the information islands appear. The Internet of Things （IoT） technology can provide fully accessing， data real?time monitoring and sharing of perception device. It has been widely used in the building energy saving， wastewater treatment， fire control， heating power， water/ electricity /gas system and other fields. The IoT gateway can monitor thermodynamic parameters in real time and? transmit the real?time state of heat pipe network to the accessing management platform and the database server. Each administrative department can timely monitor the working state of the thermal pipe network system and its running status. Keyword： IoT； thermal pipe network system； gateway； communication interface； protocol and data adaptation 0? 引? 言 目前城市供热系统由热源、热网、热力站和用户组成，可分为无人值守热力站监控系统、地下管网监控系统、热网自身的监控及全网平衡系统等子系统[1]。其中，热力站作为集中供热的重要组成部分和城市热网的末稍单元，直接负责整个热网热量、流量的分配，影响着各用户的供热效果和集中供热系统的耗热量。随着城市集中供热的快速发展，热力站数量也成倍增加。 经过多年的发展，我国的集中供热系统建设和技术取得了显著的成就，但是城市热力管网系统仍然存在着很多问题[2]： （1） 原始供暖系统与现代化的集中供热系统并存，小型分散的供热形式还普遍存在。长期以来对热力站仪表的监控，包括动力设备的运转状态、运行参数监测与调节等，采用的是定期人工抄录、人工控制的方式，存在信息采集不及时，控制调节不稳定，控制精度不高等问题。 （2） 城市热力供热系统规模大，每个热力站及其供热系统都具有其特殊性。如每个系统各不相同且影响参数众多、供热系统反应滞后等，导致目前热力站自动控制技术没有能够尽善尽美地发挥作用，供热参数未能在最佳工况下运行，供热量与需热量不匹配，热能利用率低。 （3） 系统中某些较早的管网开始呈现老化的状态，供热运行中管网的跑、冒、滴、漏现象时有发生却不能及时发现。由于供热管网具有高温、高压的特点，管内水介质温度高，管道运行压力大，这就给抢险带来了高难度、高风险。 本文针对热力管网系统中存在的实际问题，研究并设计了应用于热力管网系统中的物联网网关，全面接入并屏蔽底层各类传感器和仪表的差异性，及时、高效、准确地获取热力站各项数据，使系统能实现对热力管网系统的自动监控、数据监测、平衡控制，确保热力管网系统的高效运行。 1? 国内相关研究 目前，业界掀起了以物联网为基础的新一代行业解决方案的浪潮，旨在解决传统的基础设施入网困难、数据闭塞、资源浪费等问题。全国各地已不同程度地进行了热力管网监控的试点工作，暴露出很多的问题，主要表现在现场设备可靠性差，可维护性差，不能承受现场恶劣的工作环境（包括高温、低温、潮湿和沙尘）。数据开放性不够，往往是各个厂家互不兼容，软件数据不能共享，呈现一个个的自动化孤岛[3]。 2012年6月，国内首家供热物联网体验中心在大连正式成立，该体验中心基于物联网技术通过传感设备采集现场实时数据，以有线和无线方式传输数据到监控中心，使相对独立的信息形成共享。这标志着供热行业将率先步入以物联网技术为基础的新时代。 2? 物联网网关设计 2.1? 基于物联网网关的总体解决方案 目前，在热力管网系统中，热力站可以分为有人值守的热力站和无人值守的热力站。其中，传统热力站的传感器、热表和控制器都是比较老式、非智能的设备，一般支持ModBus工业标准，只能通过有线方式连接。 针对这两种热力站，设计了基于物联网网关的热力管网系统解决方案，如图1所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t1.tif>； 图1 基于物联网网关的热力管网系统解决方案示意图 基于物联网网关总体方案的设计主要包括感知层、传输层和应用层的设计[4]。 感知层：主要包括各类感知终端和一些热力仪器仪表。 传输层：主要包括PAN/LAN/3G/4G网络、物联网网关等。 应用层：主要包括终端用户、接入管理平台、数据库服务器等。 通过动态采集热力站现场的各类传感器和热表的实时数据，以有线和无线方式传输数据到物联网网关，屏蔽底层数据的差异性，再通过接入管理系统实现对热力站的全面监测和及时预警，避免因巡查不及时而造成的安全事故。通过系统全过程智能控制，满足按需供热管理、提高系统综合运营效率、完善现有能源和环境资源利用率的需求。 2.2? 功能介绍 基于热力管网系统的物联网网关主要的功能有以下几点[4?6]： （1） 全面接入能力 接收来自底层的数据，将不同类型、不同制式，支持不同协议的传感器和热表接入到网关系统，屏蔽底层传感网络的差异性，实现数据全面接入。 （2） 协议及数据适配能力 将下层不同标准格式的数据统一封装，保证不同的感知网络的协议能够变成统一的数据和信令；将上层下发的数据包解析成感知层协议可以识别的信令和控制指令。 （3） 可管理能力 物联网网关实现子网内感知节点的管理，如获取感知节点的标识、状态、属性以及远程控制、诊断、升级和维护等。由于子网的技术标准不同，支持协议的复杂性不同，所以网关具有的管理能力不同。用户可以利用Console，Telnet，Web几种方式对网关进行配置管理。 根据物联网网关的功能可以将其分为通信接口模块、数据解析模块、数据转换模块、协议解析模块、协议转换模块等5大模块。如图2所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t2.tif>； 图2 物联网网关功能模块示意图 通信接口模块：主要包括广域通信接口和近距离通信接口，分别负责与接入管理平台和感知终端网络的通信连接。 数据解析与转换模块：主要负责对来自接入管理平台和感知终端网络的数据处理。 协议解析与转换模块：主要负责对来自接入管理平台和感知终端网络的协议处理。 2.3? 通信接口设计 物联网网关的通信接口设计主要包括对上广域通信接口和对下近距离通信接口的设计。采用C/S模式，通过约定的端口监听的形式，周期性地监听数据，并对上传的数据进行协议及数据的解析与转换。对底层的感知终端网络，主要是ModBus TCP协议通信，遵循ModBus TCP通信标准设计对下接口；对上层的接入管理平台，主要采用以太网TCP/IP标准建立对上接口。物联网网关的通信连接与数据传递关系如图3所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t3.tif>； 图3 通信连接与数据传递关系 通信接口设计主要采用请求/响应的模式。通过Socket建立通信连接，其中Socket需要绑定约定的目的IP地址和端口等。通信接口设计按表1进行。 表1 通信接口设计 [序号＼&；通信连接关系＼&；数据传递含义＼&；1＼&；物联网网关与数据采集 器之间建立一个ModBus TCP连接，数据采集器设为服务器端，监听端口502＼&；物联网网关周期性地向数据 采集器发起采集数据请求＼&；数据采集器收到该请求后返 回采集的数据结果＼&；2＼&；物联网网关与接入管理平台之间建立一个TCP连接，接入管理平台设为服务器端，监听端口3456＼&；物联网网关收到采集数据 结果后按约定接口形式上 传采集的数据＼&；接入管理平台返回 确认和指令信息＼&；] 2.4? 协议及数据适配技术 协议及数据适配技术研究主要指协议及数据的解析与转换技术，主要负责协议及数据的处理。 2.4.1? ModBus协议分析 ModBus是一个公开的、被广泛应用的串行通信协议，此协议在控制设备间传输数字和模拟的I/O及寄存器数据时使用，已经成为一通用工业标准，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控[7?8]。ModBus通信方式为主从方式，采用查询?响应机制，报文传输服务提供设备之间基于C/S模式通信，这些设备联接在一个Ethernet TCP/IP网络上。这个C/S模式基于4种信令报文类型：ModBus请求、ModBus证实、ModBus指示、ModBus响应。如图4所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t4.tif>； 图4 传输模式图 数据采集器能设置为两种传输模式（ASCII或RTU）中的任何一种在标准的ModBus网络通信。用户选择想要的模式，包括串口通信参数（波特率、校验方式等），在配置每个数据采集器的时候，在一个ModBus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口通信参数。ModBus TCP/IP网络中进行的 ModBus请求或响应包的封装格式如图5所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t5.tif>； 图5 TCP/IP上的ModBus请求与响应包格式 2.4.2? 数据格式转换 （1） 物联网网关与数据采集器 物联网网关与数据采集器之间的通信协议格式遵从ModBus TCP标准。 ModBus TCP采集数据请求包的数据类型为16进制数，总长度为12 B，具体格式见表2。 表2 ModBus TCP采集数据请求包格式 [序号＼&；内容＼&；长度 /B＼&；数值＼&；1＼&；MBAP 报文头＼&；通信标识＼&；2＼&；0x0＼&；2＼&；协议标识＼&；2＼&；0x0＼&；3＼&；长度＼&；2＼&；0x6＼&；4＼&；设备标识＼&；1＼&；0x1＼&；5＼&；功能码＼&；1＼&；0x3＼&；6＼&；数据＼&；寄存器地址＼&；2＼&；0x0＼&；7＼&；寄存器个数＼&；2＼&；0x8＼&；] ModBus TCP采集数据结果包的数据类型为16进制数，总长度为25 B，具体格式见表3。 （2） 物联网网关与接入管理平台 物联网网关与接入管理平台之间的通信格式是自定义格式，数据类型为字符串，而物联网网关从数据采集器采集到的原始数据格式是16进制数，需要转换成字符串。 自定义的数据格式主要包括感知终端的ID和上传的数据两部分，总长度为43 B。具体格式如图6所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t6.tif>； 图6 物联网网关与接入管理平台 表3 ModBus TCP采集数据结果包格式 [序号＼&；内容＼&；长度 /B＼&；数值＼&；1＼&；MBAP 报文头＼&；通信标识＼&；2＼&；0x0＼&；2＼&；协议标识＼&；2＼&；0x0＼&；3＼&；长度＼&；2＼&；0x13＼&；4＼&；设备标识＼&；1＼&；0x1＼&；5＼&；功能码＼&；1＼&；0x3＼&；6＼&；数据＼&；数据长度＼&；1＼&；0x10＼&；7＼&；数据（每组长度为2 B， 共8组数据）＼&；16＼&；＼&；] 2.5? 数据采集与传递流程 物联网网关数据采集与传递的基本流程如图7所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t7.tif>； 图7 物联网网关数据采集与传递流程 其中：配置文件中存放的是数据采集器的IP地址、接入管理平台的IP地址、数据采集的时间间隔（单位：s）。另外，当物联网网关成功连接到数据采集器和接入管理平台后，将进入到数据采集的循环中，只要管理员不终止该循环，物联网网关将以固定的发送间隔执行数据采集与传递流程[9]。 3? 物联网网关运行效果 基于热力管网系统的物联网网关支持热力管网系统中的各类仪器仪表的全面接入，实时监控热力站与管网参数，实地测试结果表明：该网关能够实时采集监测数据并上传数据到接入管理平台，实现了数据的全面共享，保证了热网安全、可靠与高效的运行。 4? 结? 语 当前工作主要针对老旧热力站和管网的升级改造，本文研究与设计的基于热力管网的物联网网关能基本解决传统热力管网系统中存在的问题，但是对于新型智能传感器和仪表的接入与提供对多种无线通信手段的支持尚处于研究过程中，下一阶段将为物联网网关提供上述功能。 参考文献 [1] 姚杰.物联网技术在集中供热系统中的应用[J].山西建筑，2013，39（19）：99?100. [2] GR?NB?K Inge. Architecture for the Internet of things （IoT）：API and interconnect [C]// The Second International Conference on Sensor Technology and Application. USA： IEEE， 2008： 802?807. [3] 王继华，彭振斌，关镶锋.供水管网检漏监测技术现状及发展趋势[J].桂林工学院学报，2004（4）：99?101. [4] 黄海昆，邓佳佳.物联网网关技术与应用[J].电信科学，2010（4）：20?24. [5] 吴飞，王晓明，任文举.供热系统物联网终端网络设计[J].物联网技术，2012，2（1）：55?59. [6] 田宝庆.物联网在市政管网监测应用中设计目标优化的研究[J].机电产品开发与创新，2012（3）：110?112. [7] 王懿娜.温湿度远程监控系统的设计与实现[D].西安：长安大学，2009. [8] 郑丰收，李艾华，王宝贵.基于ModBus和TCP/IP协议的温湿度监控系统[J].中国仪器仪表，2011（10）：53?56. [9] 邱旻骏，张伟，朱劲，等.通用工业物联网网关的设计与评测[J].通信技术，2013（3）：58?61. <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t4.tif>； 图4 传输模式图 数据采集器能设置为两种传输模式（ASCII或RTU）中的任何一种在标准的ModBus网络通信。用户选择想要的模式，包括串口通信参数（波特率、校验方式等），在配置每个数据采集器的时候，在一个ModBus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口通信参数。ModBus TCP/IP网络中进行的 ModBus请求或响应包的封装格式如图5所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t5.tif>； 图5 TCP/IP上的ModBus请求与响应包格式 2.4.2? 数据格式转换 （1） 物联网网关与数据采集器 物联网网关与数据采集器之间的通信协议格式遵从ModBus TCP标准。 ModBus TCP采集数据请求包的数据类型为16进制数，总长度为12 B，具体格式见表2。 表2 ModBus TCP采集数据请求包格式 [序号＼&；内容＼&；长度 /B＼&；数值＼&；1＼&；MBAP 报文头＼&；通信标识＼&；2＼&；0x0＼&；2＼&；协议标识＼&；2＼&；0x0＼&；3＼&；长度＼&；2＼&；0x6＼&；4＼&；设备标识＼&；1＼&；0x1＼&；5＼&；功能码＼&；1＼&；0x3＼&；6＼&；数据＼&；寄存器地址＼&；2＼&；0x0＼&；7＼&；寄存器个数＼&；2＼&；0x8＼&；] ModBus TCP采集数据结果包的数据类型为16进制数，总长度为25 B，具体格式见表3。 （2） 物联网网关与接入管理平台 物联网网关与接入管理平台之间的通信格式是自定义格式，数据类型为字符串，而物联网网关从数据采集器采集到的原始数据格式是16进制数，需要转换成字符串。 自定义的数据格式主要包括感知终端的ID和上传的数据两部分，总长度为43 B。具体格式如图6所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t6.tif>； 图6 物联网网关与接入管理平台 表3 ModBus TCP采集数据结果包格式 [序号＼&；内容＼&；长度 /B＼&；数值＼&；1＼&；MBAP 报文头＼&；通信标识＼&；2＼&；0x0＼&；2＼&；协议标识＼&；2＼&；0x0＼&；3＼&；长度＼&；2＼&；0x13＼&；4＼&；设备标识＼&；1＼&；0x1＼&；5＼&；功能码＼&；1＼&；0x3＼&；6＼&；数据＼&；数据长度＼&；1＼&；0x10＼&；7＼&；数据（每组长度为2 B， 共8组数据）＼&；16＼&；＼&；] 2.5? 数据采集与传递流程 物联网网关数据采集与传递的基本流程如图7所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t7.tif>； 图7 物联网网关数据采集与传递流程 其中：配置文件中存放的是数据采集器的IP地址、接入管理平台的IP地址、数据采集的时间间隔（单位：s）。另外，当物联网网关成功连接到数据采集器和接入管理平台后，将进入到数据采集的循环中，只要管理员不终止该循环，物联网网关将以固定的发送间隔执行数据采集与传递流程[9]。 3? 物联网网关运行效果 基于热力管网系统的物联网网关支持热力管网系统中的各类仪器仪表的全面接入，实时监控热力站与管网参数，实地测试结果表明：该网关能够实时采集监测数据并上传数据到接入管理平台，实现了数据的全面共享，保证了热网安全、可靠与高效的运行。 4? 结? 语 当前工作主要针对老旧热力站和管网的升级改造，本文研究与设计的基于热力管网的物联网网关能基本解决传统热力管网系统中存在的问题，但是对于新型智能传感器和仪表的接入与提供对多种无线通信手段的支持尚处于研究过程中，下一阶段将为物联网网关提供上述功能。 参考文献 [1] 姚杰.物联网技术在集中供热系统中的应用[J].山西建筑，2013，39（19）：99?100. [2] GR?NB?K Inge. Architecture for the Internet of things （IoT）：API and interconnect [C]// The Second International Conference on Sensor Technology and Application. USA： IEEE， 2008： 802?807. [3] 王继华，彭振斌，关镶锋.供水管网检漏监测技术现状及发展趋势[J].桂林工学院学报，2004（4）：99?101. [4] 黄海昆，邓佳佳.物联网网关技术与应用[J].电信科学，2010（4）：20?24. [5] 吴飞，王晓明，任文举.供热系统物联网终端网络设计[J].物联网技术，2012，2（1）：55?59. [6] 田宝庆.物联网在市政管网监测应用中设计目标优化的研究[J].机电产品开发与创新，2012（3）：110?112. [7] 王懿娜.温湿度远程监控系统的设计与实现[D].西安：长安大学，2009. [8] 郑丰收，李艾华，王宝贵.基于ModBus和TCP/IP协议的温湿度监控系统[J].中国仪器仪表，2011（10）：53?56. [9] 邱旻骏，张伟，朱劲，等.通用工业物联网网关的设计与评测[J].通信技术，2013（3）：58?61. <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t4.tif>； 图4 传输模式图 数据采集器能设置为两种传输模式（ASCII或RTU）中的任何一种在标准的ModBus网络通信。用户选择想要的模式，包括串口通信参数（波特率、校验方式等），在配置每个数据采集器的时候，在一个ModBus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口通信参数。ModBus TCP/IP网络中进行的 ModBus请求或响应包的封装格式如图5所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t5.tif>； 图5 TCP/IP上的ModBus请求与响应包格式 2.4.2? 数据格式转换 （1） 物联网网关与数据采集器 物联网网关与数据采集器之间的通信协议格式遵从ModBus TCP标准。 ModBus TCP采集数据请求包的数据类型为16进制数，总长度为12 B，具体格式见表2。 表2 ModBus TCP采集数据请求包格式 [序号＼&；内容＼&；长度 /B＼&；数值＼&；1＼&；MBAP 报文头＼&；通信标识＼&；2＼&；0x0＼&；2＼&；协议标识＼&；2＼&；0x0＼&；3＼&；长度＼&；2＼&；0x6＼&；4＼&；设备标识＼&；1＼&；0x1＼&；5＼&；功能码＼&；1＼&；0x3＼&；6＼&；数据＼&；寄存器地址＼&；2＼&；0x0＼&；7＼&；寄存器个数＼&；2＼&；0x8＼&；] ModBus TCP采集数据结果包的数据类型为16进制数，总长度为25 B，具体格式见表3。 （2） 物联网网关与接入管理平台 物联网网关与接入管理平台之间的通信格式是自定义格式，数据类型为字符串，而物联网网关从数据采集器采集到的原始数据格式是16进制数，需要转换成字符串。 自定义的数据格式主要包括感知终端的ID和上传的数据两部分，总长度为43 B。具体格式如图6所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t6.tif>； 图6 物联网网关与接入管理平台 表3 ModBus TCP采集数据结果包格式 [序号＼&；内容＼&；长度 /B＼&；数值＼&；1＼&；MBAP 报文头＼&；通信标识＼&；2＼&；0x0＼&；2＼&；协议标识＼&；2＼&；0x0＼&；3＼&；长度＼&；2＼&；0x13＼&；4＼&；设备标识＼&；1＼&；0x1＼&；5＼&；功能码＼&；1＼&；0x3＼&；6＼&；数据＼&；数据长度＼&；1＼&；0x10＼&；7＼&；数据（每组长度为2 B， 共8组数据）＼&；16＼&；＼&；] 2.5? 数据采集与传递流程 物联网网关数据采集与传递的基本流程如图7所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t7.tif>； 图7 物联网网关数据采集与传递流程 其中：配置文件中存放的是数据采集器的IP地址、接入管理平台的IP地址、数据采集的时间间隔（单位：s）。另外，当物联网网关成功连接到数据采集器和接入管理平台后，将进入到数据采集的循环中，只要管理员不终止该循环，物联网网关将以固定的发送间隔执行数据采集与传递流程[9]。 3? 物联网网关运行效果 基于热力管网系统的物联网网关支持热力管网系统中的各类仪器仪表的全面接入，实时监控热力站与管网参数，实地测试结果表明：该网关能够实时采集监测数据并上传数据到接入管理平台，实现了数据的全面共享，保证了热网安全、可靠与高效的运行。 4? 结? 语 当前工作主要针对老旧热力站和管网的升级改造，本文研究与设计的基于热力管网的物联网网关能基本解决传统热力管网系统中存在的问题，但是对于新型智能传感器和仪表的接入与提供对多种无线通信手段的支持尚处于研究过程中，下一阶段将为物联网网关提供上述功能。 参考文献 [1] 姚杰.物联网技术在集中供热系统中的应用[J].山西建筑，2013，39（19）：99?100. [2] GR?NB?K Inge. Architecture for the Internet of things （IoT）：API and interconnect [C]// The Second International Conference on Sensor Technology and Application. USA： IEEE， 2008： 802?807. [3] 王继华，彭振斌，关镶锋.供水管网检漏监测技术现状及发展趋势[J].桂林工学院学报，2004（4）：99?101. [4] 黄海昆，邓佳佳.物联网网关技术与应用[J].电信科学，2010（4）：20?24. [5] 吴飞，王晓明，任文举.供热系统物联网终端网络设计[J].物联网技术，2012，2（1）：55?59. [6] 田宝庆.物联网在市政管网监测应用中设计目标优化的研究[J].机电产品开发与创新，2012（3）：110?112. [7] 王懿娜.温湿度远程监控系统的设计与实现[D].西安：长安大学，2009. [8] 郑丰收，李艾华，王宝贵.基于ModBus和TCP/IP协议的温湿度监控系统[J].中国仪器仪表，2011（10）：53?56. [9] 邱旻骏，张伟，朱劲，等.通用工业物联网网关的设计与评测[J].通信技术，2013（3）：58?61. 技术文 |
| 随便看 |
|
科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。