周澍，王剑，徐平，姜周曙

（杭州电子科技大学自动化研究所 浙江杭州 310018）

摘要：为了实现热泵多机组的集中管理，设计了一套基于GPRS网络无线通信技术的远程监控系统。系统利用自主研发的独立的无线数据传输装置来完成热泵机组工作参数和控制信息的传输。该装置采用Cortex_M3内核的高性能单片机STM32F103作为核心测控元件；采用华为GPRS模块EM310作为通信模块，完成基于TCP/IP的数据通信。提供了标准的RS232和RS485接口，实现热泵数据收发，无特定的数据通信要求，具有一定通用性。为实现可靠的热泵远程监控，提出了一种针对热泵数据特点的应用层无线数据传输协议和相应的软件方案。对比以往的远程监控，该方案具有成本低、体积小、传输速度高、无需布线等特点，具有较高推广价值。

关键词：热泵；远程监控；GPRS；Cortex_M3

中图分类号：TK43           文献标识码：A              文章编号：

GPRS network use in Heat Pump Monitoring

Zhou Shu, Wang Jian, Xu Ping, Jiang-Zhou Shu

(Institute of Automation, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou Zhejiang，310018, China)

Abstract: In order to achieve the centralized management of multiple-unit heat pump, a set of remote monitoring and controlling system(MCS) was developed based on the GPRS wireless network communication technology. Using an independent wireless data transmission device, the system exchanges the local heat pump unit operating parameters and control information through the wireless network with the remote MCS . The device take high-performance microcontroller STM32F103 which has a Cortex_M3 kernel as the core monitoring device, and take Huawei GPRS module EM310 as the communication module to complete data communication based on TCP / IP protocol. The device provides standard RS232, and RS485 interfaces to receive data from heat pump. Don’t need a specific data communication protocol, this device can be used in many places. In order to meet the high reliability for remote monitoring, the paper proposed an application layer data transfer protocol and developed the corresponding software program. Comparison of other remote monitoring programs in the past, this one has features of lower cost, smaller size, higher transmission speed and without wiring. It has high promotion value.

key words：Heat pump; Remote monitoring; GPRS ; Cortex_M3

0  引言

热泵热水器是继电热热水器、燃气热水器以及太阳能热水器之后出现的新型热水器，具有高效节能、安全环保、全天候运行、使用方便等优点^[1]；在商业领域,尤其是在酒店宾馆、医院、学校、休闲场所等商用公用事业方面广泛应用^[2]。目前热泵控制器的种类繁多，但是多数控制器仍然与机组紧密结合，用户需要在机组现场才能实现对机组的人为干预。随着热泵热水器应用的增多，热泵机组故障问题也越来越受到人们的关注。其中有相当一部分故障是由于管理不到位引起的。特别是酒店宾馆等多机组热泵的应用场合，由于机组分散部件出现故障后往往不能得到及时的维修；而且管理人员也很难准确掌握各机组的实时运行状况。

工业上经常采用以太网进行远程通信。但是由于热泵机房环境差别大，以太网布线复杂、成本高，并不能很好的满足各种环境下远程监控的需求。随着GPRS网络数据传输技术日趋成熟，利用GPRS网络传输数据可以方便地接入基于TCP /IP协议的网络，省去了繁杂的布线工程，大大增加了系统的灵活性^[3]；因此在数据采集、智能交通、实时信息查询、智能家居等领域都有着广泛的应用^[4]。鉴于此，本文提出了一种利用GPRS网络进行远程通信的无线数据终端。数据终端采用具有Cortex-M3内核的STM32F103作为控制单元，华为EM310作为GPRS通讯单元，并设计了应用层的数据传输协议以提高远程控制的可靠性。

采用该独立的无线数据终端实现的热泵远程监控系统，可以方便的接入Internet；管理员可在任何地点通过网络进行实时的监控。同时由于无线的设计，使得机组迁移后无需布线，不但节省了建设步骤和成本，同时也使得该系统可用于列车等移动的环境。

1         GPRS相关技术的介绍

GPRS( General Packet Radio Service) 通用分组无线业务是在现有第二代移动通信GSM系统基础上引入了分组控制单元( PCU) 、服务支持节点(SGSN) 和网关支持节点( GGSN) 等新部件而构成的无线数据传输系统^[5]。GPRS通过多个GSM时隙的复用，数据传输速率57.6Kbit/s，最大理论峰值可达171.2Kbit/s；可以接入基于TCP/IP 的外部网络和X.25 网络。

网络为每个电话号码动态的分配一个IP；提供实时在线功能，能随时为用户提供一个透明的IP通道用于访问Internet。GPRS接入等待时间短，可快速建立连接，平均耗时为两秒。此外，GPRS网络按流量计费使其相比其他无线网络具有明显的成本优势^{[3] [6] [7]}。

2         方案

热泵机组远程监控的目的是帮助用户实现对热泵机组的异地管理，提供机组工况参数和机组部件控制操作。热泵远程监控系统由热泵本地控制器、GPRS无线数据终端和监控中心软件平台构成，结构如图1所示。

热泵本地控制器是安装在机组上的本地控制设备，主要用于采集各个部件的工作参数和控制相关部件的运行；如采集压缩机温度、压力和控制风机的启停等工作。

监控中心软件平台是指在Internet上运行有热泵远程控制软件的用户个人电脑；具有远程显示机组各部件参数，故障报警，提供部件相应控制操作的功能。

GPRS无线数据终端是上下行数据的枢纽，为热泵本地控制器与远程监控中心提供无线数据通信服务。

GPRS无线数据终端提供了RS232和RS485接口用于与热泵本地控制器通信；与监控中心之间通过GPRS网络和Internet，采用基于TCP/IP协议的无线数据传输方式进行通信。系统数据传输是双向的，下行数据由监控中心发起，主要用于传递热泵机组控制信息；上行数据由本地热泵控制器发起，主要用于传递热泵机组工作参数。整个过程中无线数据终端通信质量决定了热泵远程监控的可靠性。

3         数据终端硬件设计

无线数据终端由微控制器STM32F103、GPRS模块通信电路、电源模块、用户串口电路、配置串口电路、独立时钟电路、外部存储器等部分组成。其硬件结构图如图2所示。

微控制器STM32F103使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达512K字节的闪存和64K字节的SRAM)。STM32F103提供了程序存储器（片内FLASH）在应用编程功能，无线数据终篯的工作参数可直接存储于FLASH上而不必要外扩EEPRM芯片。此外STM3′F103还提供仆4个通用16位定时器哌丰富的通信接口：2个I2C和SPI、3个USART、2个UART、一个USB和一个CAN。丰篌的通信接口满足了设讣中四个串口和一个I2C总线的靀求。

GPRS模块采用华为EM310模块，电源电压3.4V～4.7ቖ，最大下行速率85.6Kbit/s，最大上行速率42.8Kbit/s，内嵌TCP/IP协议，提供10K内部缓存。采用EM310模块用户不需要自行编写TCP/IP协议栈；微控制器STM32F103通过串口发送AT指令对模块进行以系列操作，即可建立数据伨输透明通道(TCP链接)。-独立的外部时钟电路采用时钟芯片DS1302设计，为STM32F103提供亇一个高精度带日历功能皅实时时钟，与微控制器采用I²C控口頚信。除了微控制器内部SRAM仭外，本设计扩展了16位256K字节的SRAM存储器，以提高应对网络信号变化和监控中心失效等突发情况下，数据存储和传输的安全性。

用户串口单元直接与热泵朼地控制器通信，提供RS232咬RS48‵两种串口。该电路采用SP3223提供RS232电平的转换；采用SP3585-3.3提供R[485电平的转换。配置串口用于用户配置数据终端的各种参数，采用固定波特率38400bps的RS232接口。

电源模块为整个系统提供两种电平直流电源，分别为4V和7.3V〃4V电源采用了可调稳压芯片LM2596输出最大3A电流，主要为EM310模块提供一个稳定的电源；数据终端的其他部分电路都采用3.3V电源供电。电源两级分离的设计可以了保证GPRS模块通信的稳定供电。

4         无线数据传输协议

本文定义了一种用于热泵远程监控的应用层协议，以增强无线数据传输的可靠性。每次无线数据传输都以数据包的形式进行。数据包的格式如表1所示

表1 数据包格式

数据包采用ASCII码传输，即数据包内的所有数据都以ASCII码传输。除起始符和结束符外的所有数据原本都是非ASCII码形式，因此必须先转化成ASCII码形式。转换的方法是：先用16进制表示一个字节的数据，分别将高四位和低四位的值转换成ASCII码存储在两个字节中，高字节在前。如0x13转换后为0x31、0x33。除除起始符和结束符外所有域的数据都将从一个字节转为两个字节的ASCII码。下面对各个域说明如下：

l          每个数据包以“起始符@”开始，“结束符！”结束，各占一个字节。

l          “数据终端ID”用于标识本次数据发送方数据终端的身份，占四个字节。

l          “本次数据包编号”用于标识本次数据发送的序号，占四个字节。

l          “数据域长度”指的是数据域转换前的长度，单位字节，占四个字节。

l          “校验域”用于验证本次数据通信的正确性，这里采用了CRC校验。

l          数据域依次分为两块：“功能代码段”和“数据段”。“功能代码”用于标识本次通讯的目的；数据域数据段主要用于存放需要传递的监控数据，也可以是对功能代码的补充。功能代码占两个字节，数据域数据段的长度可变，但整个数据域转换前长度不超过1000字节。

5         数据终端软件设计

5.1  数据终端运行流程

GPRS无线数据终端的软件流程，如图3所示。

上电启动后，首先初始化微控制器参数；接着为数据终端加载运行参数，如监控中心IP地址等信息。参数加载完成后对GPRS模块进行初始化，初始化的AT指令流程如下：

1）AT%TSIM检查SIM是否在线

2）AT+CSQ?检查网络信号强度

3）AT%IOMODE=1,1,0设置数据模式

4）AT+CGDCONT=1,“IP”,“CMNET”注册移动的CMNET网关

5）AT%ETCPIP=“user”,“gprs”注册用户名密码，并等分配IP

当整个硬件平台配置完成后，数据终端根据策略控制TCP的链接打开或者取消。当数据终端用户串口接收到的热泵本地机组上传的数据字节数达到1000或串口接收到最后一个字节数据100ms内再未收到数据时，则将该次数据打包启动一次发送流程。当数据终端用户串口接收到监控中心数据包时则启动相应的数据接收流程。

5.2  TCP连接的控制策略

根据不同的上线模式控制策略有所不同。在“按需上线”模式下，当有数据等待发送时建立TCP连接，在空闲时刻(900秒内无数据发送)断开TCP连接。在“按时上线”模式下按照规定设定的时刻进行上下线操作。“永远在线”模式即上电后即一直保持TCP链接的存在。链接通过MCU串口发送AT指令完成。对应的AT指令为：AT%IPOPEN="TCP","61.144.176.175",3000 设置接收服务器的协议类型，IP，和端口号；61.144.176.175为监控中心IP，3000为监控中心端口号。

5.3  数据的收发流程

当有数据要发送时，发送方将数据打包发往接收方并开始计时。接收方接收到数据后，通过校验域的代码验证数据包内容的正确性。若数据包内容正确有效，则接收方发送一个数据包通知发送方数据通讯成功，并解析数据包执行相应操作；若数据包内容出错，则接收方也需要发送一个数据包通知发送方数据通讯失败。当发送方检测到数据通讯成功信息后数据发送完成；当检测到数据通讯失败信息或计时超过设定值时(本设备该参数设为10秒)，发送方认为数据通讯失败，并重新打包数据开始新一轮的数据发送和计时，直到通讯成功。这里的发送方指的是数据终端，接收方为监控中心。

注：在监控中心上运行的收发流程，两者的位置刚好互换，两者在TCP链接建立后，通信地位是平等的。通信的数据可以是热泵本地控制器的机组工作参数或这是监控中心的控制信息。

5.4  系统可靠性设计

为了加强MCU对GPRS模块实时工作状态的掌握，程序增加了AT%TSIM、AT+COPS?、AT+CSQ?、AT%IPOPEN?等四条AT指令；以实现对GPRS网络信号、TCP链接等通讯环境参数的监控。

为了及时地获得无线网络通信的质量和速度，这里采用了一种“心跳”的方法。即在TCP连接建立后，数据终端每隔一定的时间向监控中心发送一个固定的“心跳”数据包；监控中心接收到数据包后返回一个同样的“心跳”数据包。数据终端通过对这次数据通信的质量和速度评价通信信道的质量。

综上所述，这里涉及到了三种通信目的的数据包，分别为信息数据包、“心跳”数据包、通信成功应答数据包和通信失败应答数据包；分别用数据域的功能代码四个不同代码加以标识。信息数据包数据域数据段包含的是发送方需要发送的数据；应答型的数据包，无需由发送方再次做出应答，数据域数据段包含的是应答对象的数据包编号。

6 结语

空气源热泵本地控制器上传数据一般在每秒50字节左右；监控中心下传的数据随着用户的操作波动较大，单次通信数据长度小于200字节。测试表明，该数据终端可以连续承受每秒400字节的数据流量，单次通信数据最大长度1024字节。按照每秒50字节流量的数据上传计算，外扩的256K存储器SRAM可以保证远程主机失效的情况下维持87分钟的数据存储。相对于以前的通信终端，笔者所设计的系统具有体积小、结构简单、成本低廉、移动性高、数据吞吐量大的特点，在热泵远程控制系统中具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]       颜诗敏，姜周曙，黄国辉．基于S3F9488单片机的热泵热水器控制器[J]．机电工程，2009，26(02)：34-37．

[2]       肖建忠，许飞云．气源热泵热水机组控制器设计[J]．现代电子技术，2007，(19)：168-172．

[3]       郜向阳，王库，李墨雪．GPRS 无线数据传送在农情监测系统中的应用[J]．农机化研究，2006，（06）：186-188．

[4]       卫革．基于GPRS的远程无线数据采集系统设计   [D]．北方工业大学，2010：1-48．

[5]       刘世良．GPRS 技术在电能量计费系统中的应用[J]．青海电力，2007，26(04)：37-39．

[6]       郭文海，杨军．CAN 总线与GPRS 在远程监控系统中的应用[J]．科技信息，2009，(33)：29-30

[7]       杨永平．基于GPRS的嵌入式数据采集系统设计[D]．大连理工大学，2007：1-70．