熱力管網(wǎng)系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)研究與設(shè)計(jì)

李振營(yíng),劉經(jīng)緯,鄢楚平

摘? 要： 熱力管網(wǎng)系統(tǒng)中存在著智能化和自動(dòng)化程度不高的問題，傳統(tǒng)熱力站和管網(wǎng)中儀器儀表具有接入網(wǎng)絡(luò)困難、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不及時(shí)、數(shù)據(jù)開放性不夠等問題，呈現(xiàn)出一個(gè)個(gè)的信息孤島。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠提供感知設(shè)備的全面接入、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和共享，目前已經(jīng)在建筑物節(jié)能、污水處理、消防、熱力、水/電/燃?xì)庀到y(tǒng)等行業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。所設(shè)計(jì)的熱力管網(wǎng)系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可對(duì)熱力參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將熱力管網(wǎng)的狀態(tài)實(shí)時(shí)傳送給接入管理平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，各個(gè)管理部門能夠及時(shí)地監(jiān)控?zé)崃芫W(wǎng)的工作狀態(tài)與運(yùn)行情況。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 熱力管網(wǎng)； 網(wǎng)關(guān)； 通信接口； 協(xié)議及數(shù)據(jù)適配

中圖分類號(hào)： TN91?34???????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A??????????????????????? 文章編號(hào)： 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

目前城市供熱系統(tǒng)由熱源、熱網(wǎng)、熱力站和用戶組成，可分為無人值守?zé)崃φ颈O(jiān)控系統(tǒng)、地下管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、熱網(wǎng)自身的監(jiān)控及全網(wǎng)平衡系統(tǒng)等子系統(tǒng)[1]。其中，熱力站作為集中供熱的重要組成部分和城市熱網(wǎng)的末稍單元，直接負(fù)責(zé)整個(gè)熱網(wǎng)熱量、流量的分配，影響著各用戶的供熱效果和集中供熱系統(tǒng)的耗熱量。隨著城市集中供熱的快速發(fā)展，熱力站數(shù)量也成倍增加。

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國(guó)的集中供熱系統(tǒng)建設(shè)和技術(shù)取得了顯著的成就，但是城市熱力管網(wǎng)系統(tǒng)仍然存在著很多問題[2]：

（1） 原始供暖系統(tǒng)與現(xiàn)代化的集中供熱系統(tǒng)并存，小型分散的供熱形式還普遍存在。長(zhǎng)期以來對(duì)熱力站儀表的監(jiān)控，包括動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)等，采用的是定期人工抄錄、人工控制的方式，存在信息采集不及時(shí)，控制調(diào)節(jié)不穩(wěn)定，控制精度不高等問題。

（2） 城市熱力供熱系統(tǒng)規(guī)模大，每個(gè)熱力站及其供熱系統(tǒng)都具有其特殊性。如每個(gè)系統(tǒng)各不相同且影響參數(shù)眾多、供熱系統(tǒng)反應(yīng)滯后等，導(dǎo)致目前熱力站自動(dòng)控制技術(shù)沒有能夠盡善盡美地發(fā)揮作用，供熱參數(shù)未能在最佳工況下運(yùn)行，供熱量與需熱量不匹配，熱能利用率低。

（3） 系統(tǒng)中某些較早的管網(wǎng)開始呈現(xiàn)老化的狀態(tài)，供熱運(yùn)行中管網(wǎng)的跑、冒、滴、漏現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生卻不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。由于供熱管網(wǎng)具有高溫、高壓的特點(diǎn)，管內(nèi)水介質(zhì)溫度高，管道運(yùn)行壓力大，這就給搶險(xiǎn)帶來了高難度、高風(fēng)險(xiǎn)。

本文針對(duì)熱力管網(wǎng)系統(tǒng)中存在的實(shí)際問題，研究并設(shè)計(jì)了應(yīng)用于熱力管網(wǎng)系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，全面接入并屏蔽底層各類傳感器和儀表的差異性，及時(shí)、高效、準(zhǔn)確地獲取熱力站各項(xiàng)數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)熱力管網(wǎng)系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、平衡控制，確保熱力管網(wǎng)系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

1? 國(guó)內(nèi)相關(guān)研究

目前，業(yè)界掀起了以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的新一代行業(yè)解決方案的浪潮，旨在解決傳統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施入網(wǎng)困難、數(shù)據(jù)閉塞、資源浪費(fèi)等問題。全國(guó)各地已不同程度地進(jìn)行了熱力管網(wǎng)監(jiān)控的試點(diǎn)工作，暴露出很多的問題，主要表現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可靠性差，可維護(hù)性差，不能承受現(xiàn)場(chǎng)惡劣的工作環(huán)境（包括高溫、低溫、潮濕和沙塵）。數(shù)據(jù)開放性不夠，往往是各個(gè)廠家互不兼容，軟件數(shù)據(jù)不能共享，呈現(xiàn)一個(gè)個(gè)的自動(dòng)化孤島[3]。

2012年6月，國(guó)內(nèi)首家供熱物聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)中心在大連正式成立，該體驗(yàn)中心基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過傳感設(shè)備采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以有線和無線方式傳輸數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心，使相對(duì)獨(dú)立的信息形成共享。這標(biāo)志著供熱行業(yè)將率先步入以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的新時(shí)代。

2? 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

2.1? 基于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的總體解決方案

目前，在熱力管網(wǎng)系統(tǒng)中，熱力站可以分為有人值守的熱力站和無人值守的熱力站。其中，傳統(tǒng)熱力站的傳感器、熱表和控制器都是比較老式、非智能的設(shè)備，一般支持ModBus工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，只能通過有線方式連接。

針對(duì)這兩種熱力站，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的熱力管網(wǎng)系統(tǒng)解決方案，如圖1所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t1.tif>；

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的熱力管網(wǎng)系統(tǒng)解決方案示意圖

基于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)總體方案的設(shè)計(jì)主要包括感知層、傳輸層和應(yīng)用層的設(shè)計(jì)[4]。

感知層：主要包括各類感知終端和一些熱力儀器儀表。

傳輸層：主要包括PAN/LAN/3G/4G網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等。

應(yīng)用層：主要包括終端用戶、接入管理平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等。

通過動(dòng)態(tài)采集熱力站現(xiàn)場(chǎng)的各類傳感器和熱表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以有線和無線方式傳輸數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，屏蔽底層數(shù)據(jù)的差異性，再通過接入管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱力站的全面監(jiān)測(cè)和及時(shí)預(yù)警，避免因巡查不及時(shí)而造成的安全事故。通過系統(tǒng)全過程智能控制，滿足按需供熱管理、提高系統(tǒng)綜合運(yùn)營(yíng)效率、完善現(xiàn)有能源和環(huán)境資源利用率的需求。

2.2? 功能介紹

基于熱力管網(wǎng)系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要的功能有以下幾點(diǎn)[4?6]：

（1） 全面接入能力

接收來自底層的數(shù)據(jù)，將不同類型、不同制式，支持不同協(xié)議的傳感器和熱表接入到網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，屏蔽底層傳感網(wǎng)絡(luò)的差異性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全面接入。

（2） 協(xié)議及數(shù)據(jù)適配能力

將下層不同標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝，保證不同的感知網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議能夠變成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和信令；將上層下發(fā)的數(shù)據(jù)包解析成感知層協(xié)議可以識(shí)別的信令和控制指令。

（3） 可管理能力

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)內(nèi)感知節(jié)點(diǎn)的管理，如獲取感知節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)、狀態(tài)、屬性以及遠(yuǎn)程控制、診斷、升級(jí)和維護(hù)等。由于子網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同，支持協(xié)議的復(fù)雜性不同，所以網(wǎng)關(guān)具有的管理能力不同。用戶可以利用Console，Telnet，Web幾種方式對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行配置管理。

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的功能可以將其分為通信接口模塊、數(shù)據(jù)解析模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、協(xié)議解析模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊等5大模塊。如圖2所示。

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圖2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)功能模塊示意圖

通信接口模塊：主要包括廣域通信接口和近距離通信接口，分別負(fù)責(zé)與接入管理平臺(tái)和感知終端網(wǎng)絡(luò)的通信連接。

數(shù)據(jù)解析與轉(zhuǎn)換模塊：主要負(fù)責(zé)對(duì)來自接入管理平臺(tái)和感知終端網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理。

協(xié)議解析與轉(zhuǎn)換模塊：主要負(fù)責(zé)對(duì)來自接入管理平臺(tái)和感知終端網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議處理。

2.3? 通信接口設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的通信接口設(shè)計(jì)主要包括對(duì)上廣域通信接口和對(duì)下近距離通信接口的設(shè)計(jì)。采用C/S模式，通過約定的端口監(jiān)聽的形式，周期性地監(jiān)聽數(shù)據(jù)，并對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議及數(shù)據(jù)的解析與轉(zhuǎn)換。對(duì)底層的感知終端網(wǎng)絡(luò)，主要是ModBus TCP協(xié)議通信，遵循ModBus TCP通信標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)對(duì)下接口；對(duì)上層的接入管理平臺(tái)，主要采用以太網(wǎng)TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)建立對(duì)上接口。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的通信連接與數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系如圖3所示。

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圖3 通信連接與數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系

通信接口設(shè)計(jì)主要采用請(qǐng)求/響應(yīng)的模式。通過Socket建立通信連接，其中Socket需要綁定約定的目的IP地址和端口等。通信接口設(shè)計(jì)按表1進(jìn)行。

表1 通信接口設(shè)計(jì)

[序號(hào)＼&；通信連接關(guān)系＼&；數(shù)據(jù)傳遞含義＼&；1＼&；物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)采集

器之間建立一個(gè)ModBus TCP連接，數(shù)據(jù)采集器設(shè)為服務(wù)器端，監(jiān)聽端口502＼&；物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)周期性地向數(shù)據(jù)

采集器發(fā)起采集數(shù)據(jù)請(qǐng)求＼&；數(shù)據(jù)采集器收到該請(qǐng)求后返

回采集的數(shù)據(jù)結(jié)果＼&；2＼&；物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與接入管理平臺(tái)之間建立一個(gè)TCP連接，接入管理平臺(tái)設(shè)為服務(wù)器端，監(jiān)聽端口3456＼&；物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)收到采集數(shù)據(jù)

結(jié)果后按約定接口形式上

傳采集的數(shù)據(jù)＼&；接入管理平臺(tái)返回

確認(rèn)和指令信息＼&；]

2.4? 協(xié)議及數(shù)據(jù)適配技術(shù)

協(xié)議及數(shù)據(jù)適配技術(shù)研究主要指協(xié)議及數(shù)據(jù)的解析與轉(zhuǎn)換技術(shù)，主要負(fù)責(zé)協(xié)議及數(shù)據(jù)的處理。

2.4.1? ModBus協(xié)議分析

ModBus是一個(gè)公開的、被廣泛應(yīng)用的串行通信協(xié)議，此協(xié)議在控制設(shè)備間傳輸數(shù)字和模擬的I/O及寄存器數(shù)據(jù)時(shí)使用，已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控[7?8]。ModBus通信方式為主從方式，采用查詢?響應(yīng)機(jī)制，報(bào)文傳輸服務(wù)提供設(shè)備之間基于C/S模式通信，這些設(shè)備聯(lián)接在一個(gè)Ethernet TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上。這個(gè)C/S模式基于4種信令報(bào)文類型：ModBus請(qǐng)求、ModBus證實(shí)、ModBus指示、ModBus響應(yīng)。如圖4所示。

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圖4 傳輸模式圖

數(shù)據(jù)采集器能設(shè)置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種在標(biāo)準(zhǔn)的ModBus網(wǎng)絡(luò)通信。用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗(yàn)方式等），在配置每個(gè)數(shù)據(jù)采集器的時(shí)候，在一個(gè)ModBus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口通信參數(shù)。ModBus TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行的 ModBus請(qǐng)求或響應(yīng)包的封裝格式如圖5所示。

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圖5 TCP/IP上的ModBus請(qǐng)求與響應(yīng)包格式

2.4.2? 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

（1） 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)采集器

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)采集器之間的通信協(xié)議格式遵從ModBus TCP標(biāo)準(zhǔn)。

ModBus TCP采集數(shù)據(jù)請(qǐng)求包的數(shù)據(jù)類型為16進(jìn)制數(shù)，總長(zhǎng)度為12 B，具體格式見表2。

表2 ModBus TCP采集數(shù)據(jù)請(qǐng)求包格式

[序號(hào)＼&；內(nèi)容＼&；長(zhǎng)度 /B＼&；數(shù)值＼&；1＼&；MBAP

報(bào)文頭＼&；通信標(biāo)識(shí)＼&；2＼&；0x0＼&；2＼&；協(xié)議標(biāo)識(shí)＼&；2＼&；0x0＼&；3＼&；長(zhǎng)度＼&；2＼&；0x6＼&；4＼&；設(shè)備標(biāo)識(shí)＼&；1＼&；0x1＼&；5＼&；功能碼＼&；1＼&；0x3＼&；6＼&；數(shù)據(jù)＼&；寄存器地址＼&；2＼&；0x0＼&；7＼&；寄存器個(gè)數(shù)＼&；2＼&；0x8＼&；]

ModBus TCP采集數(shù)據(jù)結(jié)果包的數(shù)據(jù)類型為16進(jìn)制數(shù)，總長(zhǎng)度為25 B，具體格式見表3。

（2） 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與接入管理平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與接入管理平臺(tái)之間的通信格式是自定義格式，數(shù)據(jù)類型為字符串，而物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)從數(shù)據(jù)采集器采集到的原始數(shù)據(jù)格式是16進(jìn)制數(shù)，需要轉(zhuǎn)換成字符串。

自定義的數(shù)據(jù)格式主要包括感知終端的ID和上傳的數(shù)據(jù)兩部分，總長(zhǎng)度為43 B。具體格式如圖6所示。

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圖6 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與接入管理平臺(tái)

表3 ModBus TCP采集數(shù)據(jù)結(jié)果包格式

[序號(hào)＼&；內(nèi)容＼&；長(zhǎng)度 /B＼&；數(shù)值＼&；1＼&；MBAP

報(bào)文頭＼&；通信標(biāo)識(shí)＼&；2＼&；0x0＼&；2＼&；協(xié)議標(biāo)識(shí)＼&；2＼&；0x0＼&；3＼&；長(zhǎng)度＼&；2＼&；0x13＼&；4＼&；設(shè)備標(biāo)識(shí)＼&；1＼&；0x1＼&；5＼&；功能碼＼&；1＼&；0x3＼&；6＼&；數(shù)據(jù)＼&；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度＼&；1＼&；0x10＼&；7＼&；數(shù)據(jù)（每組長(zhǎng)度為2 B，

共8組數(shù)據(jù)）＼&；16＼&；＼&；]

2.5? 數(shù)據(jù)采集與傳遞流程

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集與傳遞的基本流程如圖7所示。

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圖7 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集與傳遞流程

其中：配置文件中存放的是數(shù)據(jù)采集器的IP地址、接入管理平臺(tái)的IP地址、數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔（單位：s）。另外，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)成功連接到數(shù)據(jù)采集器和接入管理平臺(tái)后，將進(jìn)入到數(shù)據(jù)采集的循環(huán)中，只要管理員不終止該循環(huán)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將以固定的發(fā)送間隔執(zhí)行數(shù)據(jù)采集與傳遞流程[9]。

3? 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)運(yùn)行效果

基于熱力管網(wǎng)系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)支持熱力管網(wǎng)系統(tǒng)中的各類儀器儀表的全面接入，實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)崃φ九c管網(wǎng)參數(shù)，實(shí)地測(cè)試結(jié)果表明：該網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崟r(shí)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并上傳數(shù)據(jù)到接入管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的全面共享，保證了熱網(wǎng)安全、可靠與高效的運(yùn)行。

4? 結(jié)? 語

當(dāng)前工作主要針對(duì)老舊熱力站和管網(wǎng)的升級(jí)改造，本文研究與設(shè)計(jì)的基于熱力管網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能基本解決傳統(tǒng)熱力管網(wǎng)系統(tǒng)中存在的問題，但是對(duì)于新型智能傳感器和儀表的接入與提供對(duì)多種無線通信手段的支持尚處于研究過程中，下一階段將為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)提供上述功能。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚杰.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在集中供熱系統(tǒng)中的應(yīng)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] 王繼華，彭振斌，關(guān)鑲鋒.供水管網(wǎng)檢漏監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（4）：99?101.

[4] 黃海昆，鄧佳佳.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)與應(yīng)用[J].電信科學(xué)，2010（4）：20?24.

[5] 吳飛，王曉明，任文舉.供熱系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，2（1）：55?59.

[6] 田寶慶.物聯(lián)網(wǎng)在市政管網(wǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中設(shè)計(jì)目標(biāo)優(yōu)化的研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2012（3）：110?112.

[7] 王懿娜.溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2009.

[8] 鄭豐收，李艾華，王寶貴.基于ModBus和TCP/IP協(xié)議的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)[J].中國(guó)儀器儀表，2011（10）：53?56.

[9] 邱旻駿，張偉，朱勁，等.通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與評(píng)測(cè)[J].通信技術(shù)，2013（3）：58?61.

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t4.tif>；

圖4 傳輸模式圖

數(shù)據(jù)采集器能設(shè)置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種在標(biāo)準(zhǔn)的ModBus網(wǎng)絡(luò)通信。用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗(yàn)方式等），在配置每個(gè)數(shù)據(jù)采集器的時(shí)候，在一個(gè)ModBus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口通信參數(shù)。ModBus TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行的 ModBus請(qǐng)求或響應(yīng)包的封裝格式如圖5所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t5.tif>；

圖5 TCP/IP上的ModBus請(qǐng)求與響應(yīng)包格式

2.4.2? 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

（1） 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)采集器

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)采集器之間的通信協(xié)議格式遵從ModBus TCP標(biāo)準(zhǔn)。

ModBus TCP采集數(shù)據(jù)請(qǐng)求包的數(shù)據(jù)類型為16進(jìn)制數(shù)，總長(zhǎng)度為12 B，具體格式見表2。

表2 ModBus TCP采集數(shù)據(jù)請(qǐng)求包格式

[序號(hào)＼&；內(nèi)容＼&；長(zhǎng)度 /B＼&；數(shù)值＼&；1＼&；MBAP

報(bào)文頭＼&；通信標(biāo)識(shí)＼&；2＼&；0x0＼&；2＼&；協(xié)議標(biāo)識(shí)＼&；2＼&；0x0＼&；3＼&；長(zhǎng)度＼&；2＼&；0x6＼&；4＼&；設(shè)備標(biāo)識(shí)＼&；1＼&；0x1＼&；5＼&；功能碼＼&；1＼&；0x3＼&；6＼&；數(shù)據(jù)＼&；寄存器地址＼&；2＼&；0x0＼&；7＼&；寄存器個(gè)數(shù)＼&；2＼&；0x8＼&；]

ModBus TCP采集數(shù)據(jù)結(jié)果包的數(shù)據(jù)類型為16進(jìn)制數(shù)，總長(zhǎng)度為25 B，具體格式見表3。

（2） 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與接入管理平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與接入管理平臺(tái)之間的通信格式是自定義格式，數(shù)據(jù)類型為字符串，而物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)從數(shù)據(jù)采集器采集到的原始數(shù)據(jù)格式是16進(jìn)制數(shù)，需要轉(zhuǎn)換成字符串。

自定義的數(shù)據(jù)格式主要包括感知終端的ID和上傳的數(shù)據(jù)兩部分，總長(zhǎng)度為43 B。具體格式如圖6所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t6.tif>；

圖6 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與接入管理平臺(tái)

表3 ModBus TCP采集數(shù)據(jù)結(jié)果包格式

[序號(hào)＼&；內(nèi)容＼&；長(zhǎng)度 /B＼&；數(shù)值＼&；1＼&；MBAP

報(bào)文頭＼&；通信標(biāo)識(shí)＼&；2＼&；0x0＼&；2＼&；協(xié)議標(biāo)識(shí)＼&；2＼&；0x0＼&；3＼&；長(zhǎng)度＼&；2＼&；0x13＼&；4＼&；設(shè)備標(biāo)識(shí)＼&；1＼&；0x1＼&；5＼&；功能碼＼&；1＼&；0x3＼&；6＼&；數(shù)據(jù)＼&；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度＼&；1＼&；0x10＼&；7＼&；數(shù)據(jù)（每組長(zhǎng)度為2 B，

共8組數(shù)據(jù)）＼&；16＼&；＼&；]

2.5? 數(shù)據(jù)采集與傳遞流程

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集與傳遞的基本流程如圖7所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t7.tif>；

圖7 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集與傳遞流程

其中：配置文件中存放的是數(shù)據(jù)采集器的IP地址、接入管理平臺(tái)的IP地址、數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔（單位：s）。另外，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)成功連接到數(shù)據(jù)采集器和接入管理平臺(tái)后，將進(jìn)入到數(shù)據(jù)采集的循環(huán)中，只要管理員不終止該循環(huán)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將以固定的發(fā)送間隔執(zhí)行數(shù)據(jù)采集與傳遞流程[9]。

3? 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)運(yùn)行效果

基于熱力管網(wǎng)系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)支持熱力管網(wǎng)系統(tǒng)中的各類儀器儀表的全面接入，實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)崃φ九c管網(wǎng)參數(shù)，實(shí)地測(cè)試結(jié)果表明：該網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崟r(shí)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并上傳數(shù)據(jù)到接入管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的全面共享，保證了熱網(wǎng)安全、可靠與高效的運(yùn)行。

4? 結(jié)? 語

當(dāng)前工作主要針對(duì)老舊熱力站和管網(wǎng)的升級(jí)改造，本文研究與設(shè)計(jì)的基于熱力管網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能基本解決傳統(tǒng)熱力管網(wǎng)系統(tǒng)中存在的問題，但是對(duì)于新型智能傳感器和儀表的接入與提供對(duì)多種無線通信手段的支持尚處于研究過程中，下一階段將為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)提供上述功能。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚杰.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在集中供熱系統(tǒng)中的應(yīng)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] 王繼華，彭振斌，關(guān)鑲鋒.供水管網(wǎng)檢漏監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（4）：99?101.

[4] 黃海昆，鄧佳佳.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)與應(yīng)用[J].電信科學(xué)，2010（4）：20?24.

[5] 吳飛，王曉明，任文舉.供熱系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，2（1）：55?59.

[6] 田寶慶.物聯(lián)網(wǎng)在市政管網(wǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中設(shè)計(jì)目標(biāo)優(yōu)化的研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2012（3）：110?112.

[7] 王懿娜.溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2009.

[8] 鄭豐收，李艾華，王寶貴.基于ModBus和TCP/IP協(xié)議的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)[J].中國(guó)儀器儀表，2011（10）：53?56.

[9] 邱旻駿，張偉，朱勁，等.通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與評(píng)測(cè)[J].通信技術(shù)，2013（3）：58?61.

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t4.tif>；

圖4 傳輸模式圖

數(shù)據(jù)采集器能設(shè)置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）中的任何一種在標(biāo)準(zhǔn)的ModBus網(wǎng)絡(luò)通信。用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗(yàn)方式等），在配置每個(gè)數(shù)據(jù)采集器的時(shí)候，在一個(gè)ModBus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口通信參數(shù)。ModBus TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行的 ModBus請(qǐng)求或響應(yīng)包的封裝格式如圖5所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t5.tif>；

圖5 TCP/IP上的ModBus請(qǐng)求與響應(yīng)包格式

2.4.2? 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

（1） 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)采集器

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)采集器之間的通信協(xié)議格式遵從ModBus TCP標(biāo)準(zhǔn)。

ModBus TCP采集數(shù)據(jù)請(qǐng)求包的數(shù)據(jù)類型為16進(jìn)制數(shù)，總長(zhǎng)度為12 B，具體格式見表2。

表2 ModBus TCP采集數(shù)據(jù)請(qǐng)求包格式

[序號(hào)＼&；內(nèi)容＼&；長(zhǎng)度 /B＼&；數(shù)值＼&；1＼&；MBAP

報(bào)文頭＼&；通信標(biāo)識(shí)＼&；2＼&；0x0＼&；2＼&；協(xié)議標(biāo)識(shí)＼&；2＼&；0x0＼&；3＼&；長(zhǎng)度＼&；2＼&；0x6＼&；4＼&；設(shè)備標(biāo)識(shí)＼&；1＼&；0x1＼&；5＼&；功能碼＼&；1＼&；0x3＼&；6＼&；數(shù)據(jù)＼&；寄存器地址＼&；2＼&；0x0＼&；7＼&；寄存器個(gè)數(shù)＼&；2＼&；0x8＼&；]

ModBus TCP采集數(shù)據(jù)結(jié)果包的數(shù)據(jù)類型為16進(jìn)制數(shù)，總長(zhǎng)度為25 B，具體格式見表3。

（2） 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與接入管理平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與接入管理平臺(tái)之間的通信格式是自定義格式，數(shù)據(jù)類型為字符串，而物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)從數(shù)據(jù)采集器采集到的原始數(shù)據(jù)格式是16進(jìn)制數(shù)，需要轉(zhuǎn)換成字符串。

自定義的數(shù)據(jù)格式主要包括感知終端的ID和上傳的數(shù)據(jù)兩部分，總長(zhǎng)度為43 B。具體格式如圖6所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t6.tif>；

圖6 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與接入管理平臺(tái)

表3 ModBus TCP采集數(shù)據(jù)結(jié)果包格式

[序號(hào)＼&；內(nèi)容＼&；長(zhǎng)度 /B＼&；數(shù)值＼&；1＼&；MBAP

報(bào)文頭＼&；通信標(biāo)識(shí)＼&；2＼&；0x0＼&；2＼&；協(xié)議標(biāo)識(shí)＼&；2＼&；0x0＼&；3＼&；長(zhǎng)度＼&；2＼&；0x13＼&；4＼&；設(shè)備標(biāo)識(shí)＼&；1＼&；0x1＼&；5＼&；功能碼＼&；1＼&；0x3＼&；6＼&；數(shù)據(jù)＼&；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度＼&；1＼&；0x10＼&；7＼&；數(shù)據(jù)（每組長(zhǎng)度為2 B，

共8組數(shù)據(jù)）＼&；16＼&；＼&；]

2.5? 數(shù)據(jù)采集與傳遞流程

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集與傳遞的基本流程如圖7所示。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼38t7.tif>；

圖7 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集與傳遞流程

其中：配置文件中存放的是數(shù)據(jù)采集器的IP地址、接入管理平臺(tái)的IP地址、數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔（單位：s）。另外，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)成功連接到數(shù)據(jù)采集器和接入管理平臺(tái)后，將進(jìn)入到數(shù)據(jù)采集的循環(huán)中，只要管理員不終止該循環(huán)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將以固定的發(fā)送間隔執(zhí)行數(shù)據(jù)采集與傳遞流程[9]。

3? 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)運(yùn)行效果

基于熱力管網(wǎng)系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)支持熱力管網(wǎng)系統(tǒng)中的各類儀器儀表的全面接入，實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)崃φ九c管網(wǎng)參數(shù)，實(shí)地測(cè)試結(jié)果表明：該網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崟r(shí)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并上傳數(shù)據(jù)到接入管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的全面共享，保證了熱網(wǎng)安全、可靠與高效的運(yùn)行。

4? 結(jié)? 語

當(dāng)前工作主要針對(duì)老舊熱力站和管網(wǎng)的升級(jí)改造，本文研究與設(shè)計(jì)的基于熱力管網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能基本解決傳統(tǒng)熱力管網(wǎng)系統(tǒng)中存在的問題，但是對(duì)于新型智能傳感器和儀表的接入與提供對(duì)多種無線通信手段的支持尚處于研究過程中，下一階段將為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)提供上述功能。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚杰.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在集中供熱系統(tǒng)中的應(yīng)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] 王繼華，彭振斌，關(guān)鑲鋒.供水管網(wǎng)檢漏監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（4）：99?101.

[4] 黃海昆，鄧佳佳.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)與應(yīng)用[J].電信科學(xué)，2010（4）：20?24.

[5] 吳飛，王曉明，任文舉.供熱系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，2（1）：55?59.

[6] 田寶慶.物聯(lián)網(wǎng)在市政管網(wǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中設(shè)計(jì)目標(biāo)優(yōu)化的研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2012（3）：110?112.

[7] 王懿娜.溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2009.

[8] 鄭豐收，李艾華，王寶貴.基于ModBus和TCP/IP協(xié)議的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)[J].中國(guó)儀器儀表，2011（10）：53?56.

[9] 邱旻駿，張偉，朱勁，等.通用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與評(píng)測(cè)[J].通信技術(shù)，2013（3）：58?61.