智能建筑電采暖溫控系統(tǒng)的設計

吳敏

摘要：系統(tǒng)采用DS18B20作為溫度傳感器來采集現(xiàn)場溫度，以ZigBee為無線傳輸模塊，用C8051F020單片機做為處理器，由溫度控制模塊發(fā)出指令來實現(xiàn)對室內(nèi)溫度的實時控制，以便將溫度控制在設定的范圍內(nèi)。該系統(tǒng)可以有效地降低能耗，達到節(jié)能的目的。

關鍵詞：電采暖；溫控系統(tǒng)；ZigBee；溫度控制模塊現(xiàn)如今，隨著人民生活水平的提高，人們對居住環(huán)境智能化和節(jié)能化的要求越來越高。相對于傳統(tǒng)的占地面積大、能源浪費嚴重的供暖方式，地熱電纜輻射供暖(電采暖)方式因具有舒適、衛(wèi)生、環(huán)保、節(jié)能的優(yōu)點，加之從下往上升溫的方式更符合人體生理學特點的優(yōu)勢使其受到越來越多現(xiàn)代人的青睞。其中，溫度控制作為影響其效果的主要因素，已成為暖通行業(yè)及控制領域的研究重點。室內(nèi)溫度為22~27℃被普遍認為是舒適區(qū)[1]。冬天，當人們離開室內(nèi)或?qū)κ覝匾蟛桓邥r仍保持溫度過高的現(xiàn)象，將造成大量沒必要的能耗。因此，電采暖方式具有的“按需供暖，按表計量”的特點，可以做到有人時啟動，無人時調(diào)低溫度或關閉系統(tǒng)，以達到節(jié)能的目的。

1系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)通過監(jiān)控模塊控制所有溫控單元，每個溫控單元處都有一個ZigBee節(jié)點。當溫控單元監(jiān)測到數(shù)據(jù)后需要傳送給監(jiān)控模塊，監(jiān)控模塊收到所有溫控單元的信息后，會統(tǒng)一發(fā)送到監(jiān)控主機數(shù)據(jù)中心。主機主要是通過調(diào)節(jié)計算機的串行口的收發(fā)數(shù)據(jù)以實現(xiàn)對通信的控制，信號通過全雙工、高抗干擾的RS422接口總線進行傳輸，總線結構為分時巡檢式[2]。控制系統(tǒng)結構如圖1-1所示。

2系統(tǒng)硬件部分

系統(tǒng)硬件部分主要由主機、監(jiān)控模塊和溫控單元組成。在溫控系統(tǒng)運行過程中，主機通過RS-232通信接口將接收到的信號發(fā)送給各區(qū)域的監(jiān)控模塊，實現(xiàn)對各監(jiān)控模塊的控制并進行邏輯組網(wǎng)。監(jiān)控模塊負責將信號傳給周圍的全功能設備FFD，再由FFD向下查找其范圍內(nèi)的精減設備RFD。位于各區(qū)域監(jiān)控模塊的溫控單元負責接收監(jiān)控模塊發(fā)來的命令，并根據(jù)命令調(diào)整其工作方式，實時對房間內(nèi)的溫度進行測量控制及信息反饋。

2.1 監(jiān)控模塊設計

監(jiān)控模塊是系統(tǒng)的主要組成部分，負責各個子系統(tǒng)現(xiàn)場實時狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集、緩存和轉(zhuǎn)發(fā)，并根據(jù)來自主機的指令進行相應的通信處理和控制。其中根據(jù)系統(tǒng)要求選用符合ZigBee標準的2.4GHz的CC2530作為射頻收發(fā)芯片，采用具有高速讀寫、超低功耗、無限次寫入、隨機存儲和非易失性存儲等特性的鐵電存儲器FRAM，實時時鐘芯片選用美國DALLAS公司推出的具有涓細電流充電功能的，低功耗實時時鐘芯片—DS1302。

2.2 溫控單元設計

內(nèi)含美國Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器的溫控單元以C8051F020單片機作為主控器，它是整個溫控系統(tǒng)的終端，通過控制地熱電纜工作實現(xiàn)控溫，可以由主機將它設置為溫控、手動、關閉3種工作模式，LED數(shù)字顯示屏可以對溫度數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)進行顯示。由于本系統(tǒng)所控制的加熱器件往往是大功率的加熱電纜，所以不能用C8051F020直接控制，需要用繼電器的方式。所選的繼電器規(guī)格為直流12V控制交流220V。溫控單元主要負責接收主機的操作命令，根據(jù)這些命令設定溫控單元的參數(shù)、采集各區(qū)域溫度值、顯示溫控單元當前狀態(tài)、當線路出現(xiàn)故障時切換到手動方式并報警、通過按鍵設定工作時間和加熱的溫度等。

2.3 ZigBee節(jié)點設計

符合IEEE802.15.4協(xié)議且具有低功耗、低成本、低傳輸速率、時延短及優(yōu)秀的自組網(wǎng)功能等特點的ZigBee技術，采用的無基礎構架無線局域網(wǎng)對網(wǎng)絡內(nèi)部的設備數(shù)量不加限制，可隨時建起無線通信鏈路[3]。本系統(tǒng)中ZigBee節(jié)點是智能建筑電采暖溫控系統(tǒng)控制中心與溫控模塊的通信橋梁，主要負責主機與系統(tǒng)控制中心之間信息的無線傳輸和根據(jù)通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

3系統(tǒng)軟件部分

系統(tǒng)的控制軟件安裝于主機中，主要通過控制主機串行口實現(xiàn)對地熱電采暖溫控系統(tǒng)硬件設備的控制，串行口信號線通過集線器向下級聯(lián)至溫控單元使主機與其通信，從而完成對智能建筑供暖情況的整體控制。

3.1 系統(tǒng)運行流程圖設計

系統(tǒng)的控制軟件是通過Visual Studio 2010中的C語言創(chuàng)建設計的，它可以使管理員方便地控制整個建筑的采暖情況。使用時，首先進入主界面，通過主界面的菜單欄和信息欄調(diào)用所需的系統(tǒng)功能，通過索引欄查看硬件網(wǎng)絡連接情況，狀態(tài)欄可顯示系統(tǒng)的運行信息。具體系統(tǒng)運行流程圖如圖3-1所示。

3.2 主界面設計

主界面是軟件運行后顯示的第一個界面，該界面包括菜單欄、索引欄、信息欄、狀態(tài)欄4個欄目，這些欄目中包含調(diào)用系統(tǒng)功能所需的子菜單、按鈕、網(wǎng)絡索引及系統(tǒng)運行狀態(tài)信息等。

4系統(tǒng)測試及性能分析

經(jīng)過對系統(tǒng)參數(shù)設置功能模塊和工作狀態(tài)功能模塊的測試表明，系統(tǒng)現(xiàn)有的功能均能成功實現(xiàn)，可以對目前有限數(shù)目的溫控器進行精確控制，具有較高實時性、可靠性和穩(wěn)定性，基本滿足樓宇智能化的要求。

5結束語

在經(jīng)過充分的考察了解和對大量資料的研究基礎上，分析了現(xiàn)階段我國建筑能耗的實際情況，依據(jù)人們?nèi)粘Ｉ畹男枨螅o出了智能建筑電采暖溫控系統(tǒng)的設計方案。本系統(tǒng)不僅具有地熱電采暖系統(tǒng)本身的節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟舒適等優(yōu)點，也具有智能化操作、性價比高及維護方便等特點，符合當前建筑智能化的發(fā)展趨勢。

[參考文獻]

[1]張秀國,黃慧,張帥.智能控制電采暖系統(tǒng)的應用[J].華北科技學院學報，2007,4(1):75-77.

[2]劉成林.低溫熱水地板輻射采暖系統(tǒng)的節(jié)能性分析及系統(tǒng)的優(yōu)化設計[D].湖南:湖南大學，2003.

[3]Shah R C,Ranbaxy J M.Energy aware routing for low energy and hocsensor networks[A].Proc IEEE Wireless Communications and NetworkingConference(WCNC,02)[C]，IEEE,Volume 1，2010.3:17-21.