毕业设计（论文）-基于GPRS的热能控制装置毕业设计.doc

广西大学学士学位论文 基于GPRS的热能控制装置前 言当今社会，环境污染和能源危机已成为威胁人类生存的头等大事，如何解决这一问题，已成为全人类的课题。在这种背景下，以环保和节能为主要特征的绿色建筑及相应的系统应运而生，而热泵系统正是满足这些要求的新兴系统。热泵供水系统不仅可以通过低品位可再生能源的应用达到节能的目的，还具有使用寿命长，加热速度快，运行稳定和易于操作等优点。特别是其热效率超过300%在目前世界能源普遍缺乏的情况下，将是未来热水系统的主要产品。国外热泵供水系统功能较完备，人机接口良好，调试方便，运行可靠。缺点就是功能单一而且价格昂贵。国内同类系统暴露出一些不足，例如：稳定性、核心硬件和软件算法落后，装置功能单一，不利于广泛推广。智能热泵供水系统主要通过将工业控制现场的温度模拟量通过传感器采集，再经A/D转换成数字量输入计算机，由温度控制系统软件实现存储、处理、显示或打印的过程，相应的系统称为温度控制系统。该系统将温度传感器采集到的温度模拟信号转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据PID算法计算出相应的需要的控制量，然后再由驱动电路输出，控制现场温度变化的系统。该系统采用先进的eCOG1单片机为主要控制核心，它有16位哈佛体系结构的CPU，同时具有16位数据地址空间和24位代码地址空间，主频为100MHz, 指令周期短、效率高、功能强大。控制系统采用分布式的结构，由主控制器和加热控制器组成，可实现用水、控水无人值守，操作简单，采用菜单式管理方式，设置参数容易，人机界面直观友好，便于工作人员操作和监控。基于GPRS的无线通讯远程监控供热系统的运转（如时间控制、流量控制、水温控制、收款控制），使得该系统管理方便、抗干扰性强。所传输的数据，能在PC机上加以显示，工作人员也能对系统的参数进行远程在线调整。而使用GPRS通信的好处是可以克服一般的嵌入式TCP/IP通信只能局限在局域网内的缺点，使跨地区、跨省的点对点通信成为可能。采用IC卡结合指纹管理收费，方便快捷，特别适合学校、医院、宾馆等单位使用。第一章 热泵技术及其工作原理1.1 热泵技术简介热泵是一种提高热量温度的机械装置，正如水泵能提高水的压力(或水位)一样。热能根据其温度的高低可分为低品位能源和高品位能源。越接近环境温度的热能品位越低。而高出环境温度幅度越高，则热能品位越高。我们生活所需供应的热水一般在0100之间，均为低品位能源。这种低品位可再生能源完全适用于建筑供暖空调用能或生活热水供给的目的。为了实现这一技术目标，必须借助热泵技术的运用。使用热泵系统可同时满足建筑物冬季供暖、夏季制冷和全年的生活热水的要求，不仅可以通过低品位可再生能源的应用达到节能的目的，还具有使用寿命长，运行稳定和易于操作等优点。可以说，热泵技术是实现大规模利用自然能源向建筑物供能的必需技术途径。热泵技术的发展已历经一个多世纪，1824年法国青年工程师卡诺首先提出热力学循环理论，1852年开尔文具体提出了热泵的设计思想，但是由于当时条件所限并未立即投入实际研发。直到1917年德国卡赛伊索达制造厂首次把热泵应用于工业生产，这一技术才引起较大轰动。但是当时热泵的初期投资远远高于其他采暖设备，加上那个时代燃料能源价格低廉，而驱动热泵工作的电能却十分昂贵，因此在经济上并不合算。另外，由于当时压缩机、换热器等核心部件的制造工艺还不成熟，导致该技术并未得到发展和推广。随着工业生产的发展，进入20世纪70年代之后，世界范围内能源危机的爆发，加速了热泵技术的发展与应用，而热泵真正意义的商业应用也只有近十几年的历史。1.2 热泵热水器的工作原理热泵热水器的工作原理可以分为两个工作循环，即制冷剂循环回路和水循环回路，其工作流程如图11所示。在制冷剂的循环回路中，压缩机吸入温度较高的低压制冷剂蒸汽，将其压缩成为高温高压的气体，再将这些高温高压气体送入冷凝器中去进行热量交换。水循环回路中，冷水在水泵的作用下，进入到冷凝器，在冷凝器中与高温高压气体进行热交换，制成热水。同时，冷凝器中的高温高压气体变成了低温低压的气体或液体，送入储液罐。制冷剂从储液罐中输出后，经过滤器、膨胀阀，进入蒸发器从空气中吸热而蒸发。然后，制冷剂蒸汽再次被压缩机吸入，开始下一个循环。通过这样反复的循环工作，从而达到对水箱中的水加热的目的。图11 空气源热泵热水器原理图它本身消耗一部分电能，即压缩机耗电Qb；同时通过工质循环系统在水冷板式换热器(即冷凝器)中进行放热Qc，根据能量守恒定律有：Qc=Qa+Qb，即热泵输出的能量为压缩机做的功Qb和热泵从环境中吸收的热量Qa之和；通常Qa为Qb的3倍以上，即能源利用效率达300以上，而通常的电热水器能源利用效率仅为95左右。1.3 热泵系统的设计与分析热泵热水器的主要控制点有：水泵、压缩机、风机、除霜电磁阀等。由于这些控制点都是开关量控制，因此可以采用继电器控制。为了实时监控热泵热水器的工作状态，需要对热水进口温度、热水出口温度、管壁温度、压缩机温度等参数进行检测。考虑到热水器对温度检测精度的要求和产品的成本，该控制器采用热敏电阻来检测热泵热水器的水温。控制器采用启停压缩机的方式控制热水水温，其具体过程为：启动热水器开始加热：一旦热水温度高于设定温度1时关闭压缩机：一旦热水温度低于设定温度1时启动压缩机。如此反复循环，控制器能够把热水出口温度控制在设定温度1的范围内波动，既能较好地控制热水温度，又可避免过度频繁地启动停止压缩机。作为一款先进的智能型热泵热水器控制器，它具有自动化霜和故障报警等功能。当热水器的管壁温度持续低于-10C的时间达到30min时，控制器自动打开化霜电磁阀，停止压缩机运行，开始化霜，同时在LED显示面板上显示化霜标记。停止化霜的条件为管壁温度大于5C或化霜时间大于30min。如果停止化霜时，管壁温度未达到5C，则在停止化霜30min后，重新开始化霜。如果经过3次连续化霜管壁温度都没达到5C，则停止化霜。同时，在显示面板上显示化霜不成功标记，以提示用户打开辅助电加热。该控制器对热水器主要故障，例如压缩机高低压故障和压缩机温度过高等，采取了保护性措施。当控制器检测到压缩机出现高低压异常时，立即停止热水器运行。同时在显示面板上显示故障类型，并把运行指示灯改成闪烁状态，以提示用户。根据热泵热水器的控制要求和实际情况，控制器采用了双单片机系统，一片 (主系统)用于数据的采集和热泵热水器的控制，另一片 (从系统)用于人机界面接口的实现，即按键和LED的显示，主、从CPU之间的协调与通信采用串口通讯来实现。图12 热泵热水器控制器系统组成结构图第二章 系统构成2.1 系统硬件设计在硬件设计中采用赛恩公司最新出品的eCOG1K微处理器为中控芯片，配合多功能数据采集芯片，也将大幅提高装置的抗干扰性能，并降低功耗和成本。控制系统结构图如图2-1所示;系统硬件组成框图如图2-2所示，主要由两片eCOG1k、输入电路组成和输出电路组成。图2-1 控制系统结构图图2-2 系统硬件组成框图2.2 双CPU电路系统的设计和分析采用双CPU交互控制，利用冗余原理提高保护装置的可靠性。两个CPU同时工作，互相监督，将采集到的数据相互比较，如果结果相近，则直接采用该结果；如果结果相差过大，则通过分析，抛弃误差较大的结果。通过该种相互配合、相互监督的双CPU控制模式，可以大幅度提高系统的可靠性、减小由器件问题带来的误差、增强抗干扰性。另外，在硬件设计中采用赛恩公司最新出品的eCOG1K微处理器为中控芯片，配合多功能数据采集芯片，也将大幅提高装置的抗干扰性能，并降低功耗和成本双CPU电路系统是一种冗余结构，包含2个CPU，其中1个CPU是主CPU，一般处于工作状态，另1个是备用CPU。当主CPU正常工作时，备用CPU的端口将自动封锁起来；当主CPU将控制权交给备用CPU或主CPU出现故障时，备用CPU将启动，同时将主CPU的端口封锁。双CPU电路的原理图如图2-3所示 ：图2-3 双CPU冗余电路原理图其端口控制的逻辑关系式为 （2-1）其中n14，可将以上布尔代数写入PAL16V8，如图23所示。对双CPU电路进行分析：定义：1、CPU(1)为主CPU2、CPU(0)为辅助CPU3、CPU(F)为CPU的失控状态4、为CPU1的输出, 为CPU2的输出分析三种工作状态：一般情况下为CPU1(1) CPU2(0),此时,输出;如果CPU1(F), CPU2(0)变成CPU2(1),同时,此时;如果CPU1(0), CPU2(0),同时,输出;由以上分析可知无论在什么情况下,系统都能正常工作。CPU2不断检测CPU1是否有中断发生，以此判断CPU1是否正常工作，如果检测出CPU1出现故障,则CPU2(0)变成CPU2(1),同时。2.3 温度测量部分2.3.1 温度传感器AD590简介AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。即使电源在515V之间变化，其电流只是在lA以下作微小变化，同时也适用于本文所要求的模块化、分体式结构的特点。AD590的主特性参数如下：工作电压：430V ; 工作温度：-55 +150 ; 保存温度：-65+175; 正向电压：+44V ; 反向电压：-20V ; 焊接温度(10秒)：300 ; 灵敏度：lAK2.3.2 AD590工作原理其工作原理为：以AD590为一桥臂的测温电桥采取到的温度信号，经差动放大并进行缓冲隔离后一路送至数显表进行数字化温度显示，另一路与设定值相比较，比较出来的差值由开关K控制可选择送入两路调节控制器。其中一路由比较放大器和继电器组成，以此为调节控制器可使该装置形成一个无需与计算机相连的独立的测控温设备；另一路由PID调节器(由AD、DA与装有PID调节软件的计算机构成)和可控硅组成，从调节控制器出来的信号通过控温执行元件实现温度控制。用半导体温度传感器AD590(IC4)配上相关电路，可构成0100C温度检测器。此时传感器AD590的输出电流与绝对温度成正比，在温度-55150C时，其电流灵敏度为1AC。例如传感器测室内温度为25C时，其输出电流为298A，因1C温度对应的电流输出为lA，则25C时传感器输出为298A。该0100C温度监测器电路原理如图2-4所示：图2-4 温度监测器电路原理图IC1与IC3是电压跟随器，起缓冲作用，防止负载对信源的影响，如传感器输出电流为298A，适当调整传感器的电位器VR1，使ICl第脚输入电压为298mV，则IC1第脚输出也为298mV，适当调整VR2可使IC3的第脚输入为273mV，因而IC3的第脚输出也为273mV。IC2及其外围电路组成减法器，其第脚输出电压为ICl输出电压与IC3输出电压之差，即Vt=298273=25mV，将Vt电压信号送入显示电路，就会在液晶显示屏或万用表上显示摄氏温度的数值(本例中输出25mV，在显示电路上将显示25C)。本电路的校准步骤如下：首先将传感器放入冰中(0C)，并调整VR2，使电路输出为0mV(用万用表测试)。然后将传感器浸入沸水(100C)中，调整VR2使万用表读数为100mV，校准即可结束。只要有温度变化，传感器输出电压就发生改变，IC2就得到两个电压的差值，温度就会连续不断的显示出来。 最后温度测控装置的调节控制器中的一路采用了PID调节器(比例积分微分调节器)，它能根据温度设定值与实际值之差的比例值、积分值、微分值来确定控制量的大小。温度测控装置主要采用的是输出反馈型控制，从这一原理出发就可以实现恒温箱的设定值和实际值之差为最小。2.33 AD 590在热泵供水系统中的运用在供热过程中，流量采集仪表测量出热水的流量、温度、压力，并将测得的物理量通过AD590转换成数字信号，经由RS-232标准串口传输给IC卡计费监控装置，监控装置计算当前用户热能费率，进行实时累加，并从IC卡中扣除费用。通过温度传感器我们可以任意控制水的加热温度，以满足使用者的不同需求，同时也为节能提供了根据。在使用者的终端界面，使用者可以根据需要选定温度，然后终端控制系统将选定的温度数据通过无线传输发送到加热控制系统，将自来水快速的加热到所需温度，以满足使用者的需要。 我们可以将温度传感器安装在距离电机较远的地方，以减少电磁干扰，从而使温度传感器的准确度更高。2.4 流量测量部分2.4.1 基本原理半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。磁感应强度B为零时的情况 图2-5 磁感应强度B为零时的情况磁感应强度B 较大时的情况：作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势可用下式表示： （2-2） 图2-6 磁感应强度B较大时的情况水流量传感器是利用霍尔元件的霍尔效应来测量磁性物理量。在霍尔元件的正极串入负载电阻，同时通上5 V的直流电压并使电流方向与磁场方向正交。当水通过涡轮开关壳推动磁性转子转动时，产生不同磁极的旋转磁场，切割磁感应线，产生高低脉冲电平。由于霍尔元件的输出脉冲信号频率与磁性转子的转速成正比，转子的转速又与水流量成正比，根据水流量的大小启动热泵系统。其脉冲信号频率的经验公式见式2-3： （2-3）则水流量为： （2-4）式中 -脉冲信号频率，Hz； - 水流量，Lmin36进入CPU外中断图27 转换电路图2-8 方波周期 (2-5) (2-6)流量输出的脉冲频率为锯齿波，经过如图27转换电路后转化为方波可以被CPU直接读取，同时开始计数。如图2-8所示，在下降沿脉冲触发开始计数至下一个下降沿脉冲触发为一个周期，则频率如式2-6计算可得，这个频率可以直接被CPU读取。由水流量传感器的反馈信号通过控制器判断水流量的值。根据热泵系统机型的不同，选择最佳的启动流量，可实现超低压(002 MPa以下)启动。2.4.2 工作原理 水流量传感器主要由铜阀体、水流转子组件、稳流组件和霍尔元件组成(见图2-9)。图2-9 水流量传感器的结构其中水流转子组件主要由涡轮开关壳、磁性转子、制动环组成。使用水流开关方式时，其性能优于机械式压差盘结构，且尺寸明显缩小。当水流通过涡轮开关壳，推动磁性转子旋转，不同磁极靠近霍尔元件时霍尔元件导通，离开时霍尔元件断开。由此，可测量出转子转速。根据实测的水流量、转子转速和输出信号(电压)的曲线，便可确定出热水器的启动水压，以及启动水压相对应的启动水流量与转子的启动转速。由控制电路，便可实现当转子转速大于启动转速时热泵启动工作；在转速小于启动转速时，热泵系统停止工作。这样热泵启动水压一般设定在0.01 MPa，启动水流量为35 Lmin(需满足热泵标准对最高温升的限制)。另外，由于水在永磁材料磁场切割下，变成磁化水，水中的含氧量增加，使人洗浴后感觉清爽。制动环的作用是停水时，制止高速旋转的磁性转子转动，终止脉冲信号输出。控制器接收不到脉冲信号，立即控制比例阀关阀，切断热源，防止干烧。水流量传感器装在热水器的出水端用于测量出水流量。当水流过转子组件时，磁性转子转动，并且转速随着流量成线性变化。霍尔元件输出相应的脉冲信号反馈给控制器，由控制器判断水流量的大小，调节控制比例阀的电流，从而通过比例阀控制热水量，避免热泵系统在使用过程中出现夏暖冬凉的现象。水流量传感器从根本上解决了压差式水气联动阀启动水压高以及翻板式水阀易误动作出现干烧等缺点。2.4.3 CWV-H0510水流量传感器在智能数码热泵系统中的应用湛江中信电磁阀有限公司口径为3cm的CWV-H0510型水流量传感器，它价格较低，体积小、重量较轻便于携带，而实际生活应用中可以根据自己的需要，定制口径和接线端连接方式和线路长短。CWV-H0510型水流量传感器如图2-10所示：图2-10 CWV-H0510型水流量传感器2.4.4 CWV-H0510型水流量传感器的特性使用条件：额定工作电压：DC 5V ； 额定电压范围：DC 518V ；允许耐压：1.2MPa以下； 使用温度范围：-20+80C(无结冰状态) ；使用温度范围：35%90%RH(无结霜状态)流量脉冲特性：f（Hz）（8.1q-3）10%(垂直方向安装) （f=脉冲频率 q = 流量）密封型测试：封闭各孔，加1.2MPa水压试验1分钟无泄漏和变形现象。 2.5 液位测量及控制部分液位是许多工业生产中的重要参数之一，在化工、冶金、医药、航空等领域里，对液位的测量和控制效果直接影响到产品的质量。以小电容感应元式多层液位传感器为核心研制的液位控制系统能对液位进行巡回检测、显示和报警，同时采用增量式PID控制算法对液位进行智能控制。由于单片微型计算机具有体积小，耗电少，控制精度高，运行可靠等特点，所以广泛应用于生产实际中。2.5.1 系统硬件设计小电容感应元式液位传感器由按照特定方式排列的一组平板小电容组成。电容的最佳排列方式依据具体的测量要求确定。一般地，可以将传感器做成板状。每个电容的两个极板，做成长方形，并排排列，所有电容纵向排成一列，保持等间距。实验证明，可以做成所有小电容有一公共极板的结构。为保证电容在液体中不被腐蚀，使用聚四氟乙烯薄膜覆盖整个传感器。由传感器的结构可以看到，每一个小电容由两块极板、表面的聚四氟乙烯薄膜和两块极板间的测量介质组成。平板电容器结构的电容值C由下式决定： (2-7) 其中：极板间介质的介电常数；A平行极板有效面积；d极板间距离。位于同一介质中的小电容将具有相近的电容值。用扫描方式获取每一个小电容的电容值，会获得与分层液位相应的几组电容值。在液位的分界面会出现大的电容值的跃变。由于在传感器的安装中，每个小电容的位置与具体液位相对应，通过判断电容值发生较大跃变的位置，从而获得分层液面的位置。调频电路将电容式传感器作为 LC 振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容 发生变化，就使振荡器的频率 f 产生相应的变化。如下图2-11所示：图2-11 调频电路 (2-8)通过严格时序控制的多路开关的开合，扫描整个小电容阵列，可获得各个电容的对应电压值V，据此判断液位的分界面。如果为理想状态，每个处于同一介质中的小电容单元必然有相同的对应电压V的输出。扫描与位置对应的小电容阵列，必然得到与位置分布规律相同的V，则很容易获得介质的分界面。小电容感应元式液位传感器的主要芯片是ispPAC10。2.5.2 ispPAC10的构成及原理ispPAC10是Lattice公司在系统可编程模拟器件家族中的成员之一，其内部结构框图如图2-12所示，由4个可编程模拟宏单元(PAC块)组成，每个相当于1个运算放大器、电阻及电容的组合。图2-12 ispPAC10内部结构图其基本单元电路（PACblock）由一个差分输出的求和放大器(OA)和两个具有差分输入的、增益为1至10以整数步长可调的仪用放大器组成。输出求和放大器的反馈回路由一个电阻和一个电容并联组成。其中，电阻回路有一个可编程的开关控制其开断；电容回路中提供了120多个可编程电容值以便根据需要构成不同参数的有源滤波器电路。2.5.2 ispPAC10在智能数码热泵系统中的应用ispPAC10构件中，输入与输出完全不同。和单端I/O比起来，他有有效的双动态范围。根据说明还可以产生和改善功能，如普通输入模式拒绝总音调失真。不同的峰-峰值电压由不同的输入、输出引脚末端的信号决定，例如：若V+=3 V，V-=1 V，则差压为+2 V。由于可以在不同的I/O引脚上存在不同的极性电压，因此也可以V+=1 V，V-=3V，则差压为-2 V。计算2个引脚末端的电压差，为|+2-（-2）|=4 V，可以看出绝对差压信号产生了有效的动态范围。虽然输入与运放相联，但没有改变内部线路，所以输入极性可编程且不影响输入的阻抗和动态性能。单端运放可以使用一个输入和(或)输出引脚来实现，根据需要，调整增益，以达到需要输出的电平值。 ispPAC10工作时，由单一的+5 V供电，包括内部产生的2.5 V参考基准电压。参考电压可通过电压参考模式或VREFOUT引脚有效输出到外部热泵系统中，普通模式输出经常为2.5 V，而与输入模式电平无关需要时，可用一外部电压替代VREFOUT，但可选的普通模式输出电压VCM必须由用户通过CMVIN输入引脚提供，惟一的限制是参考电压必须介于1.253.25V之间，当用外部电压代替，并且PAC10必须被编程时，在每一个PAC模块的基础上，用外部参考源替代内部的2.5V。输出电压量经过A/D转换后接到CPU中，通过PID算法对液位上限、下限的设置。根据不同的电压值对应着不同的液位来实现对进、出水阀们的控制。但设置时ispPAC10不能超过5 V电源信号调节。2.5.3 软件设计系统软件主要由主程序、采样程序和PID算法程序和一些子程序组成。主程序的流程图如图2-13所示：图2-13 主程序流程图主程序的主要功能是完成CPU的初始化，设置液位的上限和下限，显示实时液位值，键扫描等工作。采样和数据处理模块：本系统利用定时循环轮流对8个液位进行实时采样，对实时数据进行数据处理，并采用PID控制方案。由于本系统的执行机构是步进电机，所以我们采用了增量式PID控制。根据递增原理可得： (2-9) 式中：Kp为比例增益,Ki为积分系数,Kd为微分系数则增量控制算法为 (2-10) 根据以上推导，得到增量式PID控制算法的程序流程图如图2-14所示。图2-14 增量式PID控制算法的流程图用户可以通过键盘设定液位的上限值和下限值，以及在任意时候显示液位的上下限值。当液位的高度超出或低于设定值时，进行声光报警，以提醒操作人员进行及时的处理。2.5.4 抗干扰对策硬件抗干扰设计：系统电源是一个重要部件，又是与外部电网直接联系的部分，为了防止从电源系统引入干扰信号，在电源输入端设置低通滤波器，滤去高次谐波成份。另外还采用了eCOG1k中的看门狗定时器，以进一步提高系统硬件抗干扰的能力。软件抗干扰设计：在程序设计时，将各程序模块分区存放，彼此之间空出一些存储单元，在这些单元中填充FF（RST指令）。同时对程序中重要的跳转和调用子程序指令前均加入三个NOP指令，以保证程序流向的正确性，因为PC只要错一个数码，那么整段程序就会面目全非，从而造成检测系统的混乱。利用滑动平均滤波法求取平均值。将最近6次采样得到的液位值，去除最大值和最小值，剩下的4个数据求算术平均值。该液位智能控制系统采用了单片机作为主控制器，结构简单，可靠性高，抗干扰性强，由于应用了PID控制方案，系统的响应速度快，超调量小，系统稳定性好，具有一定的实用价值。第3章 IC卡及指纹终端介绍3.1 IC卡原理简介IC卡工作的基本原理是：射频读写器向IC卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个IC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，这样在电磁波激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷；在这个电荷的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到2V时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接受读写器的数据。3.2热泵IC卡系统的工作原理系统分为软件和硬件两部分。软件包括IC卡热泵供热管理系统软件、智能接触式IC卡计费监控装置中PIC程序。硬件则包括装有供热管理系统软件的PC机、液晶显示屏、智能接触式IC卡片、IC卡读写器、IC卡计费监控装置、控制阀和现场流量采集仪表。这其中，流量采集仪表即是热泵热水出口流量的检测仪表。用智能IC卡对热泵进行计费和管理控制的基本思想是对供应热水的用户建立与之相对应的IC卡计费监控装置和IC卡账号，以预付款的方式进行供热水。用户先在供应热水的管理部门往IC卡中存入一定量的金额，管理部门通过IC卡读写器将相应数额充入IC卡中，用户持充值后的IC卡插到智能热泵计费监控装置中，如果用户卡上的信息正确且通过合法性检查，则供热控制阀开启，开始供应热水。在供热过程中，流量采集仪表测量出热水的流量、温度、压力，并将测得的物理量通过AD590转换成数字信号，经由RS-232标准串口传输给IC卡计费监控装置，监控装置计算当前用户热能费率，进行实时累加，并从IC卡中扣除费用。3.3 IC卡管理系统软件的实现 IC卡管理系统软件是实现IC卡充值、管理用户供热的重要部分，它的设计必须严谨、灵活，这样才能减少操作员犯错的机会、减轻工作量、提高工作效率，并且方便对供热用户的管理。下面就其中IC卡系统软件部分的功能模块做个说明, 系统软件功能模块图如图3-1所示。图3-1 IC卡系统软件功能模块图用户基本资料模块对于新的用户进行资料录入，在数据库中新增一条记录，同时发给IC卡。对于旧用户，先根据用户编码，从数据库中调出用户记录，对于资料变动部分，改动后予以保存。设置用户类型，针对不同类型的用户，设置用户类型收取不同价格的费用。收费管理模块用户凭IC卡购买热量，操作员从IC卡读出用户信息，再把用户所买热量记录到IC卡 ，同时打印票据。IC卡管理模块用户遗失IC卡后，前来挂失并补办新的IC卡，遗失的旧IC卡作废。查询统计模块提供了多种方式，方便地查询数据库中的记录，可以汇总，也可分户。还可以根据操作员设置，统计出热量的售热情况。系统功能模块实现操作员对登陆密码的修改操作，设置新的操作员和权限分配，并且可以进行数据备份。数据库是程序运行的基础，应该经常性的进行数据库的备份，当出现数据库或者操作系统崩溃时，可以利用其进行快速恢复，减少维护的难度。这5个功能模块中，收费管理模块是系统软件的核心，系统功能模块是整个供热收费系统软件不可缺少的部分，它对于核心功能起到支持和完善的作用。3.4指纹识别技术在热泵IC卡管理系统中的应用本智能热泵系统具有高效、可靠的身份认证机制：IC卡配套采用指纹识别技术以确定用户身份的合法性，可在丢失IC卡的情况下，不会造成用户的损失。3.4.1 指纹自动识别技术的基本原理指纹识别的过程是比较复杂的。与人工处理不同，计算机指纹识别常常不直接存储和比对指纹图像，而是在指纹图像上提取指纹特征并比对指纹的特征。其基本的识别原理如图3-2所示：图3-2 计算机指纹识别的过程3.4.2 指纹识别的热泵IC卡管理系统的软件设计图3-3是主程序流程图，系统上电复位初始化时，读取系统E2PROM中的各项参数，然后定时检测是否有卡插入，并不断刷新系统显示。当有卡插入时，可以完成IC卡检测、指纹采集校验、热水出口阀控制、水流量检验等基本功能。图3-3 系统软件主程序流程图3.4.3 基于指纹识别的热泵IC卡管理系统的组成 本刷卡装置采用“IC卡+指纹”的双重识别模式，真正做到“人卡合一”，从而使得整个系统的安全性能得到显著的提高。其主要的设计思路是：IC卡管理系统将卡持有者的指纹加密后存储在IC卡上，并在IC卡的读写机或系统上加装指纹识别系统，当持卡者将卡插入智能卡读写机时，读写机具首先将指纹信息读出来并要求用户比对指纹，通过比对卡上的指纹和持卡者的指纹就可确定持卡者是否为卡的真正主人。图3-4 指纹IC卡热泵管理系统1热泵管理PC机：热泵管理PC机主要完成计费管理和发卡两项功能，其中计费管理主要实现购买和消费信息记录、查询、统计等管理任务。发卡则是指在将卡片发行给用户之前，需要由发卡机构将卡片的应用序列号、密码、允许使用天数等基本信息写入用户IC卡内的这一过程。2指纹IC卡：指纹IC卡是指记录用户生物指纹特征值的存储IC卡。卡持有者在每次使用热泵前将该卡插入读卡机，随后将手指伸到指纹采集仪的窗口上，读卡机便会自动将他的指纹和卡上的指纹相比对，比对成功则可进一步使用智能热泵得到热水，同时记录进入的卡号、时间、消费额度等信息。3IC卡热水出口阀：IC卡热水出口阀受单片机控制系统的支配，当指纹身份验证正确后，单片机控制系统启动，检验IC卡中尚有余额后，用户可在键盘上输入需要的热水量，热水出口阀启动。4指纹仪：是指纹特征的采集设备，基于光学原理的指纹仪传感器能有效地克服传统电容指纹传感器容易受静电干扰及手指磨损难于读取指纹等缺点。第4章 GPRS无线传输方案4.1 GPRS介绍GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称，是在现有的GSM系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务.GPRS与现有的GSM语音系统最根本的区别是，GSM是一种电路交换系统，而GPRS是一种分组交换系统。因此，GPRS特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输困难，也适用于偶尔的大数据量传输，这一特点正适合大多数移动互联的应用。GPRS 理论带宽可达 171.2Kb/s，实际应用带宽大约在 40100Kb/s，在此信道上提供 TCP/IP 连接，可以用于 INTERNET 连接、数据传输等应用。GPRS 是一种新的移动数据通信业务，在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线 IP 或 X.25 服务。GPRS 采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用，数据传输速率高达 160Kbps。使用 GPRS 技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本。目前GPRS承载业务包括点到点(PTP)业务和点到多点(PTM)业务。下面是几种GPRS的具体应用。表4-1 GPRS业务类型基于PTP的用户终端业务会 话报文传送检 索遥 信基于PTM的用户终端业务分 配调 度会 议预定发送地区选路GPRS 的资源优势：永远在线：客户无需为每次数据的访问建立呼叫连接。高速传输：目前传送速率可达到 40Kbit/s以上。流量计费：客户可以一直在线，按照接收和发送数据包的数据量来付费。自如切换：客户在用移动电话上网冲浪的同时，可以接收语音电话。GPRS资费标准：表4-2 GPRS资费月租费(元)赠送的免费流量数(MB)超过赠送费用（元/KB）自由套餐000.03经济套餐2010.01时尚套餐100200.01商务套餐200不限量使用备注：1、正常时段为每日 7:00 至 23:00，优惠时段为每日 23:00 至次日 7:00（包括节假日）2、正常时段的收费流量为实际流量，优惠时段的收费流量为实际流量的 50（小数部分按四舍五入处理），即优惠幅度为 50%。3、客户使用 GPRS 在省内、省际漫游时，不另行收取漫游费。4、赠送的免费流量部分先从下行计费流量开始计算，当下行计费流量不足时，以上行计费流量补充。5、上述标准自 2002 年 1 月 21 日 0:00 已开始执行，现已开通 GPRS 功能的客户，若未选择套餐，则自动按照自由套餐的资费标准计费。 基于以上的分析比较，利用GPRS通信手段来实现远程控制，不仅价格低廉，而且稳定可靠，而且现在国内GPRS业务也已趋于成熟，故本系统采用GPRS作为远程通信手段。下面简要介绍GPRS工作原理和系统中用到的LT8030模块。 图4-1 GPRS 模块外观LT8030 GPRS模块 本系统中采用的LT8030 GPRS IP Modem 是由福建福州利事达信息技术有限公司开发（http:/www.L）,致力于工业级无线数传领域的革命性产品，是LT8000系列中的一员。LT8030基于 SIEMENS 的 MC35 GPRS芯片，并且内嵌了完整的 TCP/IP协议，为用户提供更简单的网络接口。LT8030 采用的GPRS 技术，无缝覆盖、永远在线，且按流量计费，紧密结合产品应用领域所遇到的实际问题，进行全面的优化和升级。使产品开发变得更容易、更快捷。功能及特色：* 点对点、点对多点、对等、实时数据传输 LT8030 GPRS IP Modem 依托相应的软件，可以灵活实现点点、点多点、中心多点的对等数据传输。* 稳定可靠 LT8030 采用的是西门子工业级模块mc35，性能稳定可靠。* 低功耗、低电压 采用专用电源管理芯片，输入电压 5 V、500 mA 即可，更方便嵌入式用户。* TCP/IP 协议栈 LT8030 内嵌了完整的 TCP/IP协 议栈，包括 TCP、UDP、FTP、SOCKET、TELNET、POP3、SMTP、HTTP 等，应用更全面、更广阔。* 永远在线、按流量计费 LT8030 基于 GPRS 网络，上电即自动拨号上网，一直在线，按照接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时，不收费用。* 高速传输 GPRS 网络的传输速度最快将达到 160Kbps，速率的高低取决于移动运营商的网络设置，根据中国移动的网络情况，目前可提供 2040Kbps 的稳定数据传输。* 语音功能 LT8030 有一个语音接口，提供 GSM 语音功能。* 应用灵活、方便 LT8030 GPRS IP Modem 采用标准的 RS-232 接口，只要跟用户设备连上，插入 SIM 卡、接上电源即可上网或传送数据了，大大缩短了用户开发周期。* 组网简单、迅速、灵活 LT8030 不依赖于运营商交换中心的数据接口设备，通过 Internet 网络随时随地的构建覆盖全中国的虚拟移动数据通信专用网络。4.2 GPRS网络工作原理GPRS网络结构见图4-2。下面举数据包通过GPRS网络发送和接收的例子来说明GPRS的总体结构。在图4-2中，单片机（或PC）通过串行口连接到GPRS调制解调器上。本地数据包的发送过程如下，在单片机（或PC）的控制下，GRPS调制解调器同GSM基站通讯，GPRS分组数据从基站发送到GPRS服务支持节点SGSN，SGSN与GPRS网关支持节点GGSN通过GTP隧道协议进行通讯，GGSN对分组数据进行识别，再发送到相应的网络，如其它GPRS网络或Internet.远端数据包的接收过程如下，GGSN接收来自Internet或其它GPRS网络的数据包，如果该数据包的IP地址是本网络移动台的IP地址，则GGSN将该数据包转发给SGSN，通过SGSN传送到相应的移动台。图4-2 GPRS 系统结构GGSN也称为GPRS路由器，在物理上，SGSN同GGSN可以是同一个物理实体，也可以分布在不同的物理实体上，SGSN和GGSN都具有IP路由功能。下图所示为GPRS模块连接图：图4-3 GPRS模块连接GPRS通信使用完整的TCP/IP协议， TCP/IP通常采用一种简化的四层模型:应用层、传输层、网络层、数据链路层，本系统中的LT8030内嵌了完整的 TCP/IP协议，模块传输结构如图4-4所示。各层协议不再详细介绍。图4-4 TCP/IP协议结构在本系统中，终端GPRS模块产生的数据流量主要是向上位机发送状态和实时信息，假定终端发送第i次消息包长度为Ni字节，单位时间T(秒)发送m次。另外需要传输加上IPv4头长度Lt节。采用UDP协议时，需加UDP头长度Lu字节。此时移动终端的数据业务需要的传输速率为Su (4-1)传输TCP数据包时，需要TCP头长度Lt20个字节，TCP确认包长度Lte 40个字节，同时假定重传概率为Pt，MDT的数据业务需要的传输速率为 (4-2)假定某一台移动终端以1秒1次的频率发送80个字节的数据，用TCP协议时假定重传概率Pt为0时，所需传输速率St为1.28Kbit/s,用UDP协议所需传输速率为0.864Kbit/s。通过以上计算得到采用UDP和TCP协议的传输速率St和Su，在相同的条件下St Su ，传输TCP协议包，延时比较短，可靠性比较好。目前，GPRS网络是以流量计费的，因此在优化系统设计时，权衡传输延时、可靠性和流量等方面因素，选择发送实时状态信息采用TCP协议发送的方案。由于GPRS模块采用TCP/IP协议，其容错由此协议负责，而且误码率较低，所以系统在容错方面主要集中在eCOG1k 与 GPRS模块之间的数据容错上。LT8030 与上位机通讯工作流程：图4-5 LT8030与上位机通讯工作流程图4.3 串行通信串行接口一直是计算机系统必配的通讯接口，虽然它具有费用低、传输距离远的优点，但低速和占用较多的系统资源是其最大的不足，USB的出现正好弥补了这一缺点。但USB的传输距离不能太长，USB规范中规定：全速设备缆线最长为5 m，慢速设备为3 m。但如果利用RS232与USB数据网桥，就可以有效地利用各自的优点，克服各自的缺点，从而在实际应用中获得满意的效果。RS-232与USB数据网桥一方面可以将传统的以RS-232为接口的设备通过USB接入单片机；另一方面利用RS-232与USB各自的优点实现远距离通讯。设计RS-232与USB数据网桥可供选择的方案：一是使用具有内建USB串行接口引擎的微控制器；二是使用普通微控制器配合USB器件设计USB通讯接口。这样，eCOG1k可以通过USART与计算机和传感器进行通讯，实现数据交换。以串口通讯为基础，在本系统中eCOG1k单片机将通过串口（采用标准RS-232接口）与GPRS模块LT8030进行通讯，实现远程通信的功能。4.4 系统总体结构和原理根据控制系统的要求以及GPRS接入的方式，设计系统整体结构框图如下所示：图4-6 系统整体结构图整个控制系统主要由控制对象、控制模块（MCU）、GPRS模块、传输网络（GPRS网和公共数据网）、上