智能無線地暖集中監控系統設計

左 婭

太原市電子研究設計院，山西太原 030024

1 概述

近些年來，地暖系統因其控制靈活，節能環保，節省室內空間等優點被廣泛應用。地暖常見的調節方式是手動調溫，這種地暖系統是被動的。現在的很多電器設備已經智能化，利用先進的網絡通信、電力自動化、計算機和無線電技術，將各種家電有機的結合起來，通過集中的管理監控，讓智能電器具有能動性智能化的工具[1]。地暖智能化是地暖發展的方向，我們所需要的智能地暖集中監控系統能實現全方位的信息交換功能，智能的自我狀態控制功能和報警功能。

2 智能地暖集中監控系統的組成和工作原理

2.1 系統組成

本系統主要由4部分組成：溫控節點、通信頻道、收發控制器、上位機監測控制軟件。

溫控節點其實就是溫控面板，溫控面板安裝在每個房間里，這個部分主要的功能是監測室內溫度，采集溫度信息，將溫度信息發送到上位機，同時根據室內溫度智能控制地暖的溫度參數和工作狀態。通信頻道為數據和命令的傳輸提供專門的頻道。收發控制器是溫控節點和上位機連接的中轉設備[1]。收發控制器將溫控節點所采集到的溫度數據接收回來，再通過串口將這些數據傳送到上位機軟件；同時它將上位機軟件所發出的命令信息發送到指定的溫控節點。在網絡規模小的系統中，收發控制器有一個，若系統規模較大，可以設置多個收發控制器，并將一個設置為主收發器，其它為從收發器。上位機監測控制軟件則是整個系統的大腦，它的主要任務是初始化變量和控件，等待串口數據，收到完整數據包后，會根據數據包中的關鍵字進行不同的處理，提取出正確的溫度信息和溫控節點地址，并將數據顯示出來；發送數據時，根據發送目標地址計算發送路徑，將命令發送到正確的溫度終端。為了減少溫控節點的代碼量，系統中有很多的數據處理是在上位機中進行的。

2.2 網絡結構的選擇

本系統采用的技術是無線自組網技術，是一種沒有預定的基礎設施支撐的自組織可重構的多跳無線網絡[2]。此網絡有兩種網絡結構，分別是平坦結構和層次結構。

平坦結構的特點是網絡比較簡單，網絡中所有的溫控節點是對等的，網絡管理比較簡單，開銷小，適合于小型自組網網絡；層次結構的特點是網絡比較復雜，按區域劃分，每個區域有各自的區域主節點，網絡管理較平坦結構要復雜，開銷大，適合于大型自組網網絡。

本系統網絡規模小，故選擇采用平坦結構。

2.3 工作原理

每個溫控節點和與它相鄰的溫控節點通過天線相互連接，組成無線網絡，每個溫控節點將采集到的溫度信息通過無線頻道傳遞到收發控制器，收發控制器通過串口將溫度信息上傳到上位機，上位機經過數據處理，再根據接收到的信息將命令發送到目標溫控節點，目標溫控節點執行接收到的命令[3]。

3 智能無線地暖集中監控系統的特點

智能無線地暖集中監控系統采用無線自組網技術，這個系統具有如下特點：

1）動態拓撲網絡結構。無線自組網網絡是一個動態多變的網絡，所以基于此技術的智能無線地暖集中監控系統的網絡結構也是多變的。本系統采用的組網結構為平坦式結構，每個溫控節點都是對等的，沒有主要和次要之分，只是把網絡的控制功能分配到各個溫控節點，網絡的建立和調整是通過相互配合實現[4]。當系統中的某個溫控節點被破壞時，也不會引起整個網絡的癱瘓，提高了網絡的抗毀性，但也使網絡的拓撲結構發生了變化，同時溫控節點信號強弱和電磁波等干擾也會隨時影響網絡拓撲結構，而且變化的形式和變化周期都是不可預測的[5]；

2）不依賴基礎網絡設施，自適應組網。該系統組網時不依賴任何基站等硬件網絡設施，網絡中的各個溫控節點根據一種自組織原則相互協調工作，協調組網，自動探測網絡拓撲結構的變化，自動選擇傳輸路徑，自動組成一個網絡整體[3]。正因為無線自組網具備這樣的特點，所以地暖監測系統的各個溫控節點的安裝就非常方便，不必考慮布線的問題，特別是在復雜環境下的布線，而且不必擔心線路故障的問題，便于日后的檢查和維修；

3）溫度節點也是路由器。溫控節點的信號覆蓋范圍是有限的，當這個節點需要跟它信號覆蓋范圍外的節點進行通信時就需要通過中間溫度節點進行傳遞轉發，所以系統中的每個節點還扮演著路由器的角色，擔任轉發數據命令和尋找路由的任務[2]。這樣可以省去系統中的路由器，降低成本；

4）溫控節點能源充沛，手動自動一體控制。本系統的溫控節點電源供給由220V交流電提供，本系統溫控節點工作電壓為直流3.3V。在溫控節點設計時，我們加入了電壓轉換模塊，可以將220V交流電壓轉換為直流3.3V電壓，這樣就不必擔心溫控節點能量不足的問題。同時溫控節點也設計有手動調節功能，可以根據自己的舒適度來調節溫度高低。

4 關鍵技術問題

4.1 路由協議

由于該系統的多跳傳遞轉發特點和網絡拓撲結構變化的不可預測性，要求網絡能及時進行重新組合，所以要求制定的路由協議要及時感知網絡拓撲結構的變化，對于溫控節點的移動和任何一個溫控節點的開關狀態，信號強弱導致的鏈接狀態的變化要作出感知，同時在感知后及時維護網絡拓撲結構，重新組網，尋找數據轉發最優路徑，使通信保持暢通。

該無線網絡包含一個與上位機相連接的收發控制器節點和若干溫度節點。收發控制器節點上電初始化后就進入低功耗模式。溫度節點隨機布放，上電初始化后，溫度節點首先會向收發控制器節點發出請求分配級別的命令，然后進入低功耗狀態并打開定時器。若在設定時間內收到收發控制器節點分配的級別，該溫度節點就會向收發控制器節點發送自組織信息的數據包。如果在設定時間內沒有收到收發控制器節點分配的級別，該溫度節點會從低功耗狀態喚醒，再次發送請求分配級別的命令，如此循環。定時時間到，溫度節點重新回到發射廣播命令狀態。當溫度節點發射廣播的次數達到設定值時，該溫度節點就會將接收到的應答信息進行整理，確定自己在網絡中的級別，并確定上級、同級和下級節點的相關信息。該溫度節點再向上級節點發送包含這些信息的數據包，直到數據包傳送到收發控制器節點，從而確定整個網絡的拓撲結構。

4.2 安全問題

在自組織網絡中采用的是無線傳輸，無線信道本身的物理特性是：衰減大，干擾大，多徑效應等。所以基于這樣的物理特性，會造成溫控節點的信號減弱，數據傳輸延時時間變長，更嚴重的會導致數據丟失[4]。此問題是無線信道本身的物理特性決定的，我們除了將天線設計成為整體PCB環行差分天線以外，在軟件上加大了每個溫度節點的采樣頻率，在單位時間內，在不產生相互干擾的情況下，多發送幾次溫度信息，由于地暖監控系統對溫度信息采集的實時性要求不高，所以在實驗中證明，這樣的解決方案也是適用的。

5 結論

對智能無線地暖集中監控系統的研究是為了完善傳統地暖控制中存在的不足之處，將無線自組網技術應用在地暖中進行無線智能程控是該系統的創新點，通過了解現有的地暖產品和技術的基礎上，以及通過總結我們在安裝使用過程中存在的問題，便考慮將無線自組網技術和傳感技術集成應用在地暖中。通過不斷的實驗和完善，結果顯示通過集成無線自組網技術，可以克服現場條件不理想時布線困難的問題，節約施工成本，方便了故障排查；同時通過集中監控減少了電力資源的浪費，達到節能的效果。通過對本系統的不斷完善，它不但可以應用在辦公樓、學校等公共場合，它智能調溫的特點還可以應用在家庭中。

[1]M.Cavalletti,null,G.Ippoliti,et al.Intelligent control for a remotely operated vehicle[J].International Journal of Systems Science，2009，40.

[2]甄巖，李祥珍.移動自組織網絡發展與應用展望[J].數字通信，2010，5：31-33.

[3]Sun,Jinyuan.An Identity-Based Security System for User Privacy in Vehicular Ad Hoc Networks[J].IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems，2010，21.

[4]Argyriou, A.Cross-Layer and Cooperative Opportunistic Network Coding in Wireless Ad Hoc Networks[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2010：59.