基于GPRS通讯和太阳能供电的温度监测系统

【中心议题】

• 详细介绍了基于GPRS通讯和太阳能供电无线温度监测系统
• 阐述了该系统构成、系统设计和实现方法

【解决方案】

• 采用GPRS网络通讯
• 选择有抗寒性和能在较宽的电压范围内工作的硬件
• 采用Advantech WebAccess组态软件进行监测中心软件设计

温度自动监测技术在我国工业生产中应用非常普遍，但大多数是传统的分散式三级系统（下位机、中位机、上位机），采用有线的传输方式。其远程线路铺设及维护的成本过高，引线过长，导致整个系统的传输速率变慢、功耗上升、稳定性下降。随着无线通信技术的发展，采用无线的传输方式已成为远程分布式温度监测技术的发展趋势。

大庆石化公司水气厂原伴热线温度监测系统已经使用近20 a，设备老化，已属淘汰技术。为了保障安全生产，消除冻线隐患，需对原系统进行改造。哈尔滨君威科技有限公司太阳能无线通讯温度监测技术是针对大庆石化公司的要求而开发，用于厂区外十几公里的输油管道伴热线温度远程监测。

1系统构成及工作原理

系统由12个现场监测终端（下位机）和1个监测中心（上位机）组成，监测终端和监测中心通过GPRS网络传输数据。监测终端包括四部分：（1）温度采集部分：包括温度传感器和智能数据采集模块；（2）GPRS通讯子模块；（3）供电部分：包括太阳能电池板、太阳能转换控制器、蓄电池；（4）防盗部分：包括振动传感器、语音板。监测中心包括GPRS通讯主模块和安装了监测中心软件的计算机。系统的总体框图见图1。

系统工作原理：监测中心计算机发出指令，通过GPRS通信主模块、GPRS网络传输到监测终端GPRS通信子模块，再通过RS485/232总线传输到智能数据采集模块，由此便完成了系统的下行通信。智能数据采集模块识别指令，检测温度传感器的电压，并将其转化成数字信号，通过RS485/232总线传输给GPRS通信子模块，再通过GPRS网络、GPRS通信主模块传输到计算机，由此便完成了系统的上行通信。

2系统设计

2.1 GPRS网络通讯

监测中心与各监测终端之间的GPRS通信网络是系统数据传输的枢纽，其质量的好坏直接影响整套系统的稳定性和可靠性，因此GPRS网络设计是系统设计的1个非常重要的环节。GPRS网络设计主要是组网方式和通信协议的选择。

（1）GPRS网络协议

GPRS网络协议有TCP协议和UDP协议。UDP协议由于其不提供数据传输的保证机制，称

为不可靠的传输协议，它不提供报文到达确认、排序以及流量控制等功能，因此一般应用在数据传输量不大且可靠性要求不高的场合。TCP协议是面向连接的可靠的数据传输协议，具有很高的数据安全性，提供了可靠、有序、端到端的数据传输服务，一般应用在数据传输量大或可靠性要求高的场合。由于管带伴热线的温度直接影响到正常的生产，系统对数据传输的可靠性要求较高，因此采用TCP协议进行数据传输。

（2）GPRS组网方式

通常，在GPRS无线网络的应用中，终端设备都是通过GPRS模块传输信息的，服务中心的应用方案主要有专线组网方式、拨号联网方式、公网固定IP方式和内网联网方式。因为监测中心计算机为单机系统，没有公网固定IP，所以首先排除了公网固定IP方式。专线组网方式安全性最高、实时性最好，但需要向移动公司申请1条APN专线，费用较高。拨号联网方式在实时性方面比内网联网方式要好，但在稳定性和安全性方面稍逊一筹。

由于系统对实时性要求并不高，而对稳定性和安全性要求较高，因此系统的GPRS网络采用内网联网方式，见图2。

（3）GPRS网络通讯的实现

为实现基于TCP协议和内网联网方式的GPRS网络，系统采用了成都众山科技有限公司提供的GDS310D。它是1款基于GPRS网络的远程数传电台，高度集成GPRS和移动TCP/IP协议，内置工业级GPRS引擎、嵌入式CPU和多重看门狗电路，性能稳定，保证野外恶劣环境下长期可靠工作，采用宽电源低功耗设计，适应太阳能—蓄电池供电环境。其主要技术参数为：电源供电电压12VDC/500 mA（电压范围：7~35 VDC）；通信方式为全双工；工作温度范围为-30~65℃。系统有1个主站和12个子站，使用普通SIM卡，采用TCP透明传输模式通讯，主站工作基于Server模式，子站工作基于Client模式。要成功组网需要配置数传电台的部分参数，采用众山科技有限公司提供的专用设置软件能方便地进行参数设置。

2.2硬件设计

系统的硬件设计主要是对监测终端系统的设计，包括温度采集系统的设计、防盗系统的设计、太阳能供电系统的设计和各设备之间的通信设计。硬件设计方面需要充分考虑大庆冬季的低温环境和太阳能供电环境，因此所选择的硬件需要有抗寒性和能在较宽的电压范围内工作。

（1）温度采集系统根

据要求，温度传感器采用E型表面热电偶，测温范围0~1 000℃，误差限±1.7℃（或±0.5%）。智能数据采集装置采用工业上流行的Adam系列智能模块，型号为Adam 4018+，支持8路差分信号和Modbus协议，其主要技术参数为：工作电压为12 V；最高额定电压±35 V；精确度≤±0.1%；功率为1.2 W；总线协议Modbus。

（2）防盗系统

由于远程监测终端安装在野外，需要对监测终端进行防盗设计。系统为监测终端设备定制了加锁仪表箱，贵重设备安装在仪表箱内，每个仪表箱上装有振动传感器。当振动传感器感受到一定强度的振动，其输出端产生+3V的高电平，触发语音板的语音功能，在现场发出语音警告，同时触发GPRS数传电台的短信功能，向指定的手机发送报警短信。

（3）太阳能供电系统监

测终端用电设备主要有GPRS数传电台，Adam4018+智能数据采集模块和语音板。GPRS数传电台在12 V电压下收发数据时工作电流为150~240 mA，空闲时为20~40 mA，系统设置3 min巡检1次，收数据次数为12次，发1次，平均收发时间≤0.5 s，所以GPRS数传电台基本处于空闲，按最大电流来计算，其功率为12 V×40 mA=0.48 W。Adam4018+的功率为1.2 W。语音板在空闲时功率为0.4~0.5 W，语音报警时功率为3 W，语音板绝大部分时间处于空闲，功率按0.5 W计。所以监测终端系统总功率为0.48 W+1.2 W+0.5 W=2.18 W。设蓄电池容量能满足监测终端在无日照下工作5 d，则蓄电池容量最小为2.18 W÷12 V×24 h×5 d=21.8Ah。太阳能系统用蓄电池最佳选择为深循环型免维护铅酸蓄电池，一般情况下放电深度在50%~80%时系统可靠性最好，按50%计，蓄电池容量应该为21.8 Ah÷50%≈40 Ah。

由于系统主要在冬季工作，太阳能电池板安装朝向为正南，倾角为45°，有效日照时间为上午10时至下午14时，蓄电池每d在无有效日照下的消耗为2.18 W×20 h=43.6 Wh。为保证蓄电池在有效日照时间内充满，同时系统稳定工作，那么太阳能电池板的功率最小应该为（43.6 Wh+2.18 W×4 h）÷4=13.08 W。考虑到大庆地区冬季阴雪天气较多和设备接线头等的损耗，系统采用功率为30W的太阳能电池板。

（4）各设备间的通信

由于GPRS主站与子站间采用的是TCP透明传输模式，监测中心与监测终端可以看成由虚拟的数据线相连接，因此对各设备间通信的设计和有线系统是类似的。

在物理层，系统采用的是RS485/232接口协议。由于GPRS数传电台是RS232接口，Adam4018+是RS485接口，所以在它们之间需要RS485转RS232的接口设备。

在网络层，系统采用自动控制系统中常用的Modbus总线协议。Modbus协议是应用于电子控制器上的1种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。当在Modbus网络上通信时，该协议决定了每个控制器需要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。

如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。

2.3软件设计

监测中心软件采用Advantech WebAccess组态软件进行设计，Advantech WebAccess是完全基于Web浏览器的人机界面（HMI）和监控及数据采集（SCADA）软件，整个工程的创建与运行均在Web浏览器里完成。监测中心软件具有实时监测、报警、数据记录和用户管理等功能。由于在Modbus总线协议下的Adam4018+智能数据采集模块输出的温度信息为数字形式，其值为0~65 535，对应温度值0~1 000℃，因此在软件设计中需要对其进行转换。

3系统调试与运行

在系统的调试过程中，出现的主要问题是GPRS网络通信质量差。监测终端在野外，信号较强，通过众山科技有限公司提供的专用软件在“工业MODEM测试模式”下键入AT+CSQ指令测试信号的强弱，信号强弱等级为0~31，通过调整天线的位置，使信号等级在28以上。但由这次改造的监测中心在室内，信号较弱，信号等级均在18以下，通过在室内安装移动信号放大器，使信号等级达到了31。经过调整后，GPRS通信质量显著上升，整点通信成功率在99.8%以上，满足了通信的需要。

4结束语

该系统在大庆石化公司试运行了半年，经过对测温精度、GPRS网络通信质量和太阳能供电能力的标定，整个系统的设计达到了预期的精度和可靠性要求，大大提高了输油管道伴热线管理能力，保障安全生产，消除了冻线隐患。