一种基于物联网的车载移动蓄热供热设备的管理监控系统

摘要

一种基于物联网的车载移动式相变蓄热供热设备的管理监控系统，具有三层结构体系架构，包括总部管理子系统、区域管理子系统和车载移动管理子系统，车载移动管理子系统建立在每一台车载移动式相变蓄热供热装置，车载移动管理子系统与区域管理子系统之间通过移动通信方式连接，区域管理子系统和总部管理子系统之间通过VPN方式连接；车载移动管理子系统包括车载数据采集与处理模块、车辆GPS卫星定位模块、GPRS数据传输模块和车辆安全与调度模块。本发明对车载移动式相变蓄热供热装置的采热、供热和配送过程进行动态管理监控，以实现采热、供热以及节能减排等相关基础数据的在线管理监控、数据采集及记录存档、数据查询，同时所有数据可以在管理监控中心实时显示。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用物联网技术进行管理监控车载移动蓄热供热设备运行的系统，属于移动蓄热供热设备管理监控技术领域。

背景技术

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。我国是当今世界上最大的发展中国家，也是目前世界上第二位能源生产国和消费国。长期以来，我国以煤为主的能源结构和粗放型的能源生产和消费方式使能源发展与环境保护之间的矛盾日益尖锐。改革能源消费方式，节约能源和减少污染物排放，已关系到我国经济社会的可持续发展。

供热行业作为对国民经济发展有着全局性、先导性影响的基础产业，与人们的生活息息相关。为节约能源和保护环境，集中供热已逐渐成为中国城镇的主要供热方式。但现有的热电联产和区域锅炉房供热等大集中供热模式，也带来了建设投资巨大、节能减排水平不高、管网过长损耗严重、供热调节不灵活、供热成本较高和收缴费用困难等诸多弊端；同时，也无法满足非采暖地区、非采暖期以及集中供热管网未覆盖地区诸多新建小区、企事业单位、体育场馆、宾馆、健身娱乐场所等特殊热用户的供暖及供热水需求。目前我国城市中钢铁、电力、化工等高耗能工业行业有大量工业余热、废热以蒸汽和高温烟气等形式被排放而白白浪费，而上述热能用户依靠自备燃油、燃气锅炉来产生热能，造成热量浪费和优质能源消耗双重能耗损失，这种热能供给与需求失配矛盾已成为我国供热行业发展所面临的严峻问题。

利用高性能相变蓄热材料的相变过程可进行热能的吸收、存储和释放，利用相变蓄热换热设备可将热电厂、钢铁厂等高能耗单位的余热、废热回收储存起来，通过牵引车的运输为无集中供热管网或供热成本较高区域的用户提供供暖和热水供应服务，从而实现热量排放单位和热量使用单位的热量循环利用，达到一次节能、两次减排的目的。

目前已出现一些利用蓄热储能技术进行移动供热的车载移动蓄热供热设备或装置，如中国专利文献 CN 201621764 U公开的《工业余废热移动供热装置》、CN 201476261 U公开的《智能移动供热设备》、CN 101963469 A公开的《相变材料蓄热供热装置》、CN 2755550 Y公开的《可移动式高密度相变蓄热装置》、CN 101968240 A 公开的《一种利用相变蓄热球的移动供热装置与方法》等。车载移动蓄热供热设备的运行包括工业余热、废热热源处的采热和蓄热过程、热能用户处的放热和供热过程以及装置的远程运送过程，其运行管理体系是一个涉及工业余热、废热回收，移动热能配送以及节能减排的复杂运行管理监控系统。

物联网（IOT，internet of things）顾名思义就是用网络将事物都联起来，是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把物品与网络连接起来进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。 

目前，物联网技术还没有在车载移动蓄热供热设备的运行过程中应用，无法对车载移动蓄热供热设备采集热量的时间、地点、车次以及释放热量的时间、地点、车次和车辆位置进行实时管理监控。

发明内容

本发明针对现有车载移动蓄热供热设备运行过程中的管理监控状况，提供一种能够实时管理和监控车载移动蓄热供热设备运行过程的基于物联网的车载移动蓄热供热设备的管理监控系统。

本发明的基于物联网的车载移动蓄热供热设备的管理监控系统，包括总部管理子系统、区域管理子系统和车载移动管理子系统三部分，总部管理子系统建立在公司总部，区域管理子系统建立在每一个使用车载移动蓄热供热设备的地区，车载移动管理子系统建立在每一台车载移动蓄热供热设备上，车载移动管理子系统与区域管理子系统之间通过移动通信方式连接，区域管理子系统和总部管理子系统之间通过VPN（Virtual Private Network，虚拟专用网络）方式连接；

总部管理子系统用于接收和存储各区域管理子系统上传的数据，并对上传数据进行汇总和统计分析，生成各类统计报表和分析报告，实现实时在线监测、定位追溯、远程调度指挥、统计报表、决策支持和领导桌面功能，同时通过网络实现与政府职能部门管理系统的互联互通；

区域管理子系统自动接收并存储来自本区域内各车载移动管理子系统上报的数据，并按照区域管理要求统计汇总、分析本区域内各车载移动管理子系统的各类数据，生成各类统计报表和分析报告，并将各类数据定时自动上传到总部管理子系统并接受总部管理子系统的各类指令，同时通过网络实现与当地政府职能部门管理系统的互联互通；

总部管理子系统和区域管理子系统均包括主机、Web服务器和数据库服务器，对传输过来的数据首先存储到数据库服务器以供查询，并对数据进行分析处理，数据库服务器将数据处理分析结果及时反馈给主机，主机根据数据分析结果做出相应的反应（如数据Web发布、告警信息预案处理、车辆调度控制等）；区域管理子系统和总部管理子系统均采用基于B/S（Browser/Server，浏览器/服务器)和C/S（Client/Server，客户机/服务器）架构的计算机网络技术，实现在任意时间和任意地点通过物联网对车载移动蓄热供热设备进行控制（如在线监测、定位追溯、远程调度指挥等）；对于实时数据服务，采用C/S 模式，实时查询相关数据；对于历史数据，采用B/S模式，通过客户端提供Web Service 服务，能够通过任意浏览器查询相关数据；

车载移动管理子系统，包括车载数据采集与处理模块、车辆GPS（Global Positioning System，全球定位系统）卫星定位模块、GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线服务技术）数据传输模块和车辆安全与调度模块；

车载数据采集与处理模块包括单片机和安装在车载移动蓄热供热设备采热与供热管道上的流量传感器、温度传感器、压力传感器以及电动阀，流量传感器、温度传感器、压力传感器和电动阀均与单片机电相连，流量传感器、温度传感器和压力传感器分别对采热和供热的流体流量、温度和压力进行监测，并将所采集的数据实时传输到单片机进行数据处理与存储，完成在线流体流量、温度和压力的监测，通过单片机显示部分进行现场显示，单片机将监测数据与设定值比较，控制电动阀的开启度，自动调控供水温度，并可以通过与单片机连接的键盘进行各种现场操作，单片机在对相关数据进行分析处理的基础上，计算出采热量、供热量和节能减排量数据并存储，这些数据通过单片机显示部分进行现场实时显示，单片机与GPRS数据传输模块连接，在协议封装后通过移动无线通信方式上传到区域管理子系统；车辆GPS卫星定位模块与车载数据采集与处理模块中的单片机连接，包括GPS接收机和GPS天线，GPS接收机通过GPS天线接收卫星定位信号，确定车载移动式相变蓄热供热设备的位置（经度、纬度、高度）、运行时间和运动状态（速度、航向），将接收到的上述信息传送到单片机，经过协议转化后通过单片机显示部分显示车辆信息（位置与速度等），并存储，同时将数据通过GPRS数据传输模块协议封装后上传到区域管理子系统，实现远程观察车辆运行轨迹功能；GPRS数据传输模块是车载移动管理子系统的网络通信部分，该模块与车载数据采集与处理模块中的单片机连接，包括GPRS芯片和GPRS接收装置，通过AT指令与车载数据采集与处理模块实现信息交换，同时，发送现场数据到区域管理子系统并接收区域管理子系统发送的命令，实现对车载移动蓄热供热设备采热、供热和配送过程的动态管理监控，以及车载移动蓄热供热设备相关基础数据（采热、供热以及节能减排等）的在线管理监控、数据采集及记录存档和数据查询功能；车辆安全与调度模块由安装在车载移动蓄热供热设备箱体上的用于测量箱体温度及压力的温度传感器和压力传感器以及车辆防盗报警装置组成，完成对车辆安全状况的监测、报警、运行控制和车辆调度管理功能，温度传感器和压力传感器检测的箱体温度及压力数据传输到车载数据采集与处理模块中的单片机进行分析处理并存储，同时通过单片机显示部分现场显示，单片机连接到GPRS数据传输模块，在协议封装后由GPRS数据传输模块通过移动通信方式上传到区域管理子系统，并接收区域管理子系统发送来的车辆调度管理命令。

本发明应用物联网技术构建一个车载移动蓄热供热设备的运行管理监控系统，对车载移动蓄热供热设备的采热、供热和配送过程进行动态管理监控，以实现采热、供热以及节能减排等相关基础数据的在线管理监控、数据采集及记录存档、数据查询等功能，同时所有数据可以在管理监控中心实时显示，且可与政府职能部门管理系统实现互联互通，从而实现实时在线监测、定位追溯、远程调度指挥、统计报表、决策支持、领导桌面等管理和服务功能，实现对车载移动式相变蓄热供热设备的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化功能。

附图说明

图1 是本发明的三层结构体系架构示意图。

图2是本发明中的车载移动管理子系统结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的基于物联网的车载移动蓄热供热设备的管理监控系统是一个三层结构体系架构，由总部管理子系统、区域管理子系统和车载移动管理子系统三部分组成。总部管理子系统建立在公司总部，区域管理子系统建立在每一个使用车载移动蓄热供热装置的地区，每台车载移动蓄热供热设备上建立一套车载移动管理子系统。

总部管理子系统负责接收和存储各区域管理子系统上传的数据，对上传数据进行汇总和统计分析，生成总部的各类统计报表和分析报告，实现实时在线监测、定位追溯、远程调度指挥、统计报表、决策支持、领导桌面等管理和服务功能，同时可以通过网络实现与政府职能部门管理系统的互联互通。

区域管理子系统自动接收并存储来自本区域内各车载移动管理子系统上报的数据，并能按照区域管理要求统计汇总、分析本区域内各车载移动管理子系统的各类数据，生成各类统计报表和分析报告，并能将各类数据定时自动上传到总部并接受总部各类指令，实现总体管理，同时还可以通过网络实现与当地政府职能部门管理系统的互联互通。

车载移动管理子系统与区域管理子系统之间通过移动通信方式连接，这种连接方式打破了过去有线通信固定位置限制，可根据业务需要随时增减数据传输点，极大地拓展了通信领域应用范围；同时，GPRS具有覆盖范围广、传输速率高、接入时间短、永远在线和按流量计费等优点，特别适用于频繁传送小数据量和非频繁传送大量数据的应用场合，非常适合作为车辆管理监控系统的数据传输。

区域管理子系统和总部管理子系统之间通过VPN方式连接，由于两者位置是相对固定的，所以，采用VPN方式连接是安全、可靠、高效的，同时费用相对较少。

区域管理子系统和总部管理子系统均包含主机、Web服务器、数据库服务器以及相应软件，对传输过来的数据首先存储到数据库服务器以供查询，并对数据进行分析处理，将数据分析处理结果及时反馈给控制中心主机，以便控制中心主机根据数据分析结果做出相应的反应，如数据Web发布、告警信息预案处理、车辆调度控制等。区域管理子系统和总部管理子系统采用基于B/S和C/S架构的计算机网络技术，可在任意时间、任意地点通过物联网实现对车载移动式相变蓄热供热装置进行在线监测、定位追溯、远程调度指挥等远程智能控制。对于实时数据服务，采用C/S模式，通过终端软件可以实时查询相关数据；对于历史数据，采用B/S模式，通过客户端提供Web Service服务，在任何浏览器上即可查询相关数据。 

政府职能部门通过终端设备上的终端软件可以对相关数据进行分析监管，并可以将监管结果通过网络反馈给发送单位或相应客户，实现智能监管。

车载移动管理子系统具有数据采集、数据处理和移动通信等功能，如图2所示，由车载数据采集与处理模块、车辆GPS卫星定位模块、GPRS数据传输模块和车辆安全与调度模块四部分组成。车载移动管理子系统是整个管理监控系统的基础，上述四个模块必须协同合作以实现对采热、供热、节能减排及车辆信息等数据的采集、存储、传输、查询和分析，以及对移动蓄热供热设备的调度管理和远程控制等功能。 

车载数据采集与处理模块由流量传感器、温度传感器、压力传感器、电动阀及低功耗、高性能、外部接口丰富的单片机和基于单片机开发的软件组成，在车载移动蓄热供热设备的采热与供热管道上均安装流量传感器、温度传感器、压力传感器和电动阀，这些流量传感器、温度传感器、压力传感器和电动阀均与单片机相连，流量传感器、温度传感器和压力传感器分别对采热、供热流体的流量、温度和压力进行采集与监测，对所采集的数据通过A/D(或I/O)接口传输到单片机进行数据处理与存储，完成在线流体流量、温度和压力的监测，单片机将监测数据与设定值比较，控制电动阀的开启度，自动调控供水温度，通过单片机显示部分进行现场显示，以及接受通过键盘进行的各种现场操作。

车载数据采集与处理模块在对相关数据进行综合分析处理的基础上，计算出采热量、供热量和节能减排量等数据并存储，该数据既可以通过单片机显示部分进行现场实时显示，又可以通过系统串口连接到GPRS数据传输模块，在协议封装后通过移动无线通信方式上传到区域管理子系统。

车辆GPS卫星定位模块由低功耗抗干扰的GPS接收机、GPS天线、电源和软件组成，GPS接收机与GPS天线连接， GPS接收机通过GPS天线接收卫星定位信号，并运算出自身位置（经度、纬度、高度）、时间和运动状态（速度、航向），将接收到的上述信息通过串口传送到车载数据采集与处理模块中的单片机，经过协议转化后可以通过单片机显示部分显示车辆位置与速度等信息，并存储，同时把数据通过GPRS数据传输模块在协议封装后上传到区域管理子系统，实现远程观察车辆运行轨迹的功能。

GPRS数据传输模块由GPRS芯片和GPRS接收装置组成，它是车载移动管理子系统的网络通信部分，经串口线连接至车载数据采集与处理模块中的单片机，与车载数据采集与处理模块交换信息是通过AT指令实现，同时，通过该模块发送现场数据到区域管理子系统和接收区域管理子系统发送到车载终端命令，实现对车载移动式相变蓄热供热装置采热、供热和配送过程动态管理监控，以及设备采热、供热和节能减排等相关基础数据的在线管理监控、数据采集及记录存档和数据查询功能。

车辆安全与调度模块由安装在车载移动蓄热供热设备箱体内用于测量装置箱体温度及箱体所承受压力的温度传感器和压力传感器以及车辆防盗报警装置组成，完成对车辆安全状况进行监测及实施报警、运行控制和车辆调度管理等功能，监测数据通过A/D(或I/O)接口传输到车载数据采集与处理模块中的单片机进行分析处理并存储，同时还可以通过车载数据采集与处理模块中的单片机显示部分在线显示，单片机通过串口连接到GPRS数据传输模块，在协议封装后通过移动通信无线方式上传到区域管理子系统，同时还可以接收区域管理子系统发来的车辆调度管理命令。

在车载移动蓄热供热设备采热过程中，车载移动管理子系统可以在线测量蒸汽流量、压力和温度，计算采热量和节能减排量（以吨或公斤标准煤计），相关数据可在现场进行显示和查询，同时该数据发送到区域管理子系统和总部管理子系统。车载移动管理子系统对采热过程中的蒸汽压力和采热时间进行监控，如超过警戒限值，进行报警并自动或手动关闭采热管线上的阀门（电动阀），并将该信息上传至区域管理子系统。

在车载移动蓄热供热设备供热过程中，车载移动管理子系统通过安装在冷水和热水管上的温度、压力、流量传感器在线监测冷水和热水的流量、压力和温度，计算供热量和节能减排量（以吨或公斤标准煤计），并对供水温度进行自动调控，相关数据可在现场进行显示和查询，同时该数据发送到区域管理子系统和总部管理子系统。

车载移动管理子系统对供热过程中的热水温度进行监控，如温度低于供热设定温度时，进行报警并自动或手动关闭供热管线上的阀门（电动阀），并将该信息上传至区域管理子系统。

现场采热和供热过程中的相关数据采用无线方式上传。