摘要

针对在传统供暖模式中热网运行参数检测手段滞后造成不能合理分配热能，引起能源的浪费以及用户供暖体验较差这一问题。本系统采用了串行总线RS-485、无线射频（RF）、GPRS网络互联的通讯策略，设计形成了3层架构的智能供暖通讯网络。实现能够及时、准确、全面的采集供暖参数并远程传输，且能够智能调节房间温度，达到节约能源、提高供暖舒适性的目的。

引言

由于现行传统供热模式中热网运行参数检测手段落后，仍靠人工监测，数据监测不够及时、准确、全面导致管理粗放；热能分配失调、用户冷热不均,容易出现前端用户“抢热”，后端用户“过冷”现象。无法使热能合理充分利用。因此，需要技术手段先进、性能稳定可靠的通讯网络来解决以下三个问题：（1）房间温度实时采集与传输；（2）供暖运行参数的实时检测与定时传输；（3）结合自动化手段控制房间温度，及时合理分配热能达到智能供暖。目前，常见的通讯方式有：现场总线CAN-bus、调制解调Modem、串行总线RS-485、无线RF射频通讯等几种方式。本文将对比这几种通讯方式，汇总在实际项目中各通讯方式的特点，并重点介绍串行总线RS-485与无线射频在智能供暖行业中应用的主要优势。

1 工业控制中常用的通讯方式

1.1现场总线CAN-bus

CAN-bus总线是一种国际标准的工业级现场总线。CAN总线特点：(1)数据通信没有主从之分，各节点地位平等，传输可靠、实时性高。(2)多个节点可同时向总线发送数据，按优先级高低传输，总线利用率高。(3)传输距离远（无中继时最远10千米）、传输速率快（最高1Mbps）。（4)传输介质可以是双绞线，同轴电缆或光纤。

CAN-bus总线适用于大数据量短距离通信或者长距离小数据量，实时性要求较高，多主多从或者各个节点平等的现场中使用。因此，在单主多从、数据量不太大、实时性要求一般的智能供暖行业中，CAN-bus总线设备成本过高、项目开发与后期维护成本较高等限制了该通讯方式在智能供暖行业中的应用。

1.2调制解调Modem

调制解调（MODEM）即利用模拟信号传输线路来传输数字信号。调制的过程，即发送方将数字信号“翻译”成模拟信号，才可以通过模拟信号传输线路进行远程传输；解调的过程，即将来自模拟传输线路的模拟信号“翻译”回数字信号，供接收方阅读并处理。最常见的产品，如PC机调制解调器，利用电话线路实现电脑上网。

调制解调方式能够实现远距离的数据通讯；但是，构建多点网络的不便利，以及相对较高的成本限制了调制解调方式在煤矿行业的应用。

1.3无线(RF)射频通讯

射频(RF)，射频就是射频电流,它是一种高频交流变化电磁波的简称.每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流,大于10000次的称为高频电流。而本文将要论述的无线通信射频技术的应用就是一种不同于低频电流的高频电流。

以433MHz低频段通讯的无线射频芯片基于LoRa扩频跳频技术，采用高效前向纠错编码技术，抗干扰能力强，误码率低；微功率发射，最大100mW，接收灵敏度高达- 148dBm，最大发射功率+20 dBm,开阔地有效通讯距离可达3~5公里。433MHz在室内的传输距离远、信号穿透能力很强。

无线射频通讯具有低成本、低功耗、双向传输、高可靠性的短距离无线通信技术，还具有施工简单方便的特点。

1.4串行总线RS-485

RS-485串行总线采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线标准。

串行总线RS-485具有如下优点：（1）支持多点、双向通讯能力，单一网络能够连接32个节点。（2）支持长距离、高传输速率和较强的抗干扰能力，所以适应系统对实时的要求。（3）便于组成分布式网络，通过485HUB或中继器可轻易、灵活可靠的改变总线结构（4）是最常见的通讯方式之一，通讯介质可用双绞线。（5）总线系统结构简单、后期维护成本较低，性价比极高。所以，串行总线RS-485在通讯可靠性、通讯距离、网络节点数目、通讯实时性、系统设计成本等方面都具有强大的优势。

从以上各类通讯方式的对比，以及结合智能供暖的行业特点：（1）现场环境复杂；（2）通讯距离较远；（3）数据传输距离长；（4）同一网络设备节点较多；（5）住户房间内施工要方便容易。一方面使用纯无线通讯时，建筑内较多的钢筋混凝土结构墙体会加大无线信号的衰减，使无线通讯距离缩短；另一方面使用纯有线方式通讯时，在住户房间内进行布线施工不便。所以采用了RS-485有线方式和无线射频方式相结合的通讯方案，能很好的适应智能供暖的现场通讯环境及其自身行业特点。

2 智能供暖中使用RS-485总线网络通讯的技术要素

在实际使用中RS-485总线的系统稳定性主要由以下技术要素决定：

2.1传输速率

通讯的传输速率与双绞线电缆的长度成反比，只有在电缆很短的距离下才能获得最高速率传输，如图1所示。在100Kbps速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。通信距离１ｋｍ以上时，应考虑通过增加485集线器或485中继模块或降低速率的方法提高数据传输可靠性。

2.2传输介质（电缆）特性

在相同速率下，信号在不同线径的电缆上的传输距离不同。实践证明：如表1所示，当通信速率在9.6Kbps及以下，且中间没有节点时，采用阻抗匹配、低衰减的专用电缆（18AWG）最大无中继传输距离可达1800米。带屏蔽电缆可大大增强噪声抑制能力，提高信号传输稳定性，因此采用阻抗匹配、低衰减的RS485专用电缆更有利于保证通信。

表1 RS485最大无中继通信距离与电缆特性的关系

2.3网络节点数

有关总线上允许连接的收发器数量，标准并没有做出规定，但规定了最大总线负载为32个单位负载。在总线允许的范围内，带负载数越多，信号能传输的距离就越短；带负载数越少，信号能传输的距离就越长。

2.4网络布线结构

RS-485网络布线必须满足以下要求：（1）布线尽量远离高压电线，不要与强电线路并行，更不能捆扎在一起，若并行走线，距离应大于0.5米。（2）在485总线的一般应用中，采用总线型的拓扑结构布线如图2中（a）所示，理论上不允许有分支，实际应用中若分支不可避免分支应尽量短，长度不超过5米。但在智能供暖通讯这一较复杂系统中，若单一的采用总线型拓扑结构的布线施工不仅繁琐，而且还增加成本，且不能满足该系统的通讯需求。此时可利用485HUB或485中继器，可将系统的总线结构灵活改善为星型结构或树型结构，如图2中（b）（c）所示。

2.5网络接地问题

（1）共模干扰问题：RS485收发器有一定的共模电压范围，允许范围为-7V~+12V，当网络中共模电压超出该范围后将影响通信的稳定性甚至造成设备损坏。(2)电磁辐射问题：驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通道，如果没有一个低阻的返回通道(信号地)，就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波，影响通讯的稳定性。解决方法是用一条低阻的信号线或者利用屏蔽层将两个接口的工作地连接起来，使共模干扰电压短路。

2.6总线匹配

当传输距离过长时，信号在传输过程中到达双绞线的末端时，如果遇到阻抗不连续或阻抗突变，就会引起信号反射，如图3所示，信号反射会导致RS485总线上传输信号波形失真，严重时将造成通信误码率升高、信号质量下降、通信故障等。因此为减少回波反射信号，一般在位于总线两端的差分端口之间并接120Ω匹配电阻。

3 智能供暖通讯中RS485总线与无线射频应用实例

智能供暖行业的通讯网络组成如图4所示，由无线射频通讯网络-RS485通讯网络-GPRS通讯网络三层通讯网络架构组成。

3.1无线（RF）射频通讯网络

房间温度定时采集与传输。每户室内的温度采集器与楼道管道井内的温度控制器之间通过无线射频技术，一对一、点对点的透明传输方式实现房间温度值的实时采集与定时传输，如图5所示。

3.2 RS485串行总线通讯网络

供暖运行参数的实时检测与定时传输。智能供暖还需检测的运行参数有：一次进水温度、二次回水温度、管网压力、供暖时长等参数。这些参数，通过安装在管网上的温度和压力传感器检测，转换成0~5V电压信号，发送给温度控制器。楼道管道井内每户的温度控制器为下位机与作为上位机的数据集中器以RS-485串行总线为通讯路径，数据集中器通过定时轮询机制，定时向该系统内所有温度控制器发送指令，获取房间温度值和供暖运行参数。

图6是智能供暖通讯中RS485网络布线实例，说明了带光电隔离485HUB的应用，以及如何合理地改变RS485总线的拓扑结构。

RS-485集线器（HUB）通过特殊设计能够轻易的改善系统的总线结构,提供RS-485星型或树型连接方式，增加总线上节点设备的挂接数量，延长总线的传输距离。无需改动设备本身，就能实现不同功能的设备或不同区域的设备分别对待，并构成相互独立的不同网段。485集线器内置有光电隔离器对线路有短路开路保护作用，能够保证当其中一个网段设备产生故障时，出现问题的端口将被隔离，以确保其他网段能够正常工作。从而改变了原有总线单一式结构，为采用RS-485通讯的工程建设带来了极大的便利。

3.3 GPRS通讯网络

系统采集到的一次管网水的温度、压力以及房间实时温度等供暖参数，由数据集中器通过DTU通讯模块远程传送给数据中心平台。

3.4 根据检测数据智能控制房间温度

温度采集器对用户房间温度实时采集，并定时将房间温度发送给温度控制器，温度控制器结合房间温度、进回水的压力和温度等参数进行PID计算，根据计算结果向执行机构发送控制命令，使循环泵和步进电机阀动作，控制地暖管网进水的流量与流速，进而实现调节房间温度达到设定值，具体控制流程如图7所示。

4结束语

利用串行总线RS-485和无线射频，可以方便地构建起智能供暖行业的通讯主干网络。同时，作为现场总线RS-485网络的一个设备节点，数据集中器通过GPRS与以太网实现互联互通，从而将现场总线接入无处不在的Internet网络，运行数据实现异地采集管理，满足智能供暖行业的现代化管理，节约能源，提高供暖舒适性。

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