基于ZigBee的智能型電地暖的設計

摘 要：文章針對目前應用越來越廣泛的電地暖供熱方式，提出一種新的智能控制設計方案，并對其進行詳細的介紹。在入戶功率線路上接智能電地暖調配器，它能夠實時監控線路上的各項電參量并據此控制各房間電地暖的啟停，在每個房間的電地暖加熱線纜上安裝溫控器開關，其能夠監控房間溫度并接收調配器的指令控制繼電器對電地暖進行啟?？刂疲{配器與溫控器開關采用無線ZigBee進行數據傳輸。

關鍵詞：電地暖；調配器；ZigBee

1 概述

現如今城市大氣污染問題非常嚴峻，電能具有容易獲取、使用方便以及清潔排放等特點，電地暖采暖技術目前已成為國內外研究重點[1]。為了高效利用電能，提升用戶體驗，需要對電地暖工作過程進行智能控制。對于一般家庭或住戶，入戶功率都有一定的限制，而電采暖設備功率通常都比較大，用電高峰時段常出現過載跳閘的現象。同時，在一天當中用戶對房間溫度的需求也有所不同?，F有智能電地暖調配器，缺少功率監測及保護系統和自動溫控系統，通訊線路繁雜，沒有綠色節能設計。

2 功能概述

基于ZigBee的智能型電地暖主要由兩部分構成：智能調配器和溫控器開關。

智能電地暖調配器安裝在電表之后的入戶總功率線路上，它能夠實時的監控入戶線路的電壓、電流、功率以及電能等信息并將這些信息直接顯示在液晶顯示器上。當電地暖開啟且入戶線路總功率超過入戶最大功率的90%時，按照用戶設定的房間優先級向溫控器開關發送命令依次切斷各房間電地暖，直至總功率降至安全范圍。當智能調配器檢測到有其他大功率用電器關閉，開啟電地暖不會造成功率超限時，在根據優先級依次開啟個房間電地暖。智能調配器可以選擇“自主模式”、“溫控模式”以及“省電模式”。在“自主模式”下，溫控器開關完全由用戶控制，手動完成電地暖的開啟和關閉?！皽乜啬Ｊ健毕掠捎脩粼O置房間溫度，電地暖把房間加熱到預設溫度后自動關閉?！笆‰娔Ｊ健毕?，智能調配器根據一天中不同時段用電量的不同依據“削峰填谷”原則，控制電地暖在谷時段用電，減少尖峰時段和峰時段用電量。

溫控器開關安裝在每個房間的電地暖發熱線纜上，控制繼電器來實現功率線路的接通和斷開，同時通過溫度傳感器監測每個房間的溫度并可以顯示在數碼管上。在省電模式中，調配器通過ZigBee無線通訊，控制溫控器開關的開啟和關閉。

3 系統硬件設計

智能型電力負載調配器內部系統包括智能控制系統、數據顯示系統、電參量采集系統、用戶輸入系統和通訊系統。內部系統框圖如圖1所示。

其中，智能控制系統采用MSP430F149單片機，它具有功耗低、資源豐富、功能強大等特點[2]。數據顯示系統采用LCD12864點陣式液晶，能夠顯示各種數字、漢字以及圖形。電參量采集模塊使用電流互感器采集功率線路上的電流，在供電電路采集電壓，由此計算出當前線路的功率值以及累計使用電能。用戶輸入系統由兩個按鍵構成，可以用來切換主界面、各房間加熱優先級和電地暖的加熱模式。通訊系統采用無線ZigBee通訊協議，使用TI公司的CC2480ZigBee通訊芯片[3]。

溫控器開關采用STC12C5A60S2單片機作為處理器，DS18B20作為溫度傳感器，CC2480作為ZigBee通訊芯片，控制一個25A的繼電器進行電地暖功率線路的通斷，同時通過一組的斷碼管顯示當前房間內溫度，配有一個按鍵在溫度模式下能夠選擇預期加熱溫度。溫控器開關的內部硬件結構圖如圖2所示。

4 系統程序設計

根據功能設計，智能調配器程序主要包含：各項功能模塊初始化函數，液晶顯示函數，電參量轉換函數，通訊數據收發函數以及中斷函數。上電后單片機首先關閉看門狗，對I/O、UART、AD等模塊進行初始化。程序每隔一秒更新一次參數，包括總功率線路電參數以及讀取溫控器開關采集的房間溫度。一旦發生功率過大則根據由用戶預先設定的房間優先級切斷電地暖，直至功率降至安全范圍內。當檢測到線路中有其他大功率用電器關閉，則依次自動恢復加熱。如用戶選擇“省電模式”，則根據一天中不同時段用電量的不同依據“削峰填谷”原則，自動控制溫控器在谷時段用電，減少尖峰時段和峰時段用電量。

溫控器開關程序主要包含：各項功能模塊初始化函數，斷碼管顯示函數，溫度讀取函數，通訊數據收發函數以及中斷函數。溫控器上電后執行各項初始化函數，通過溫度傳感器每分鐘采集一次溫度。隨時等待接受調配器指令，進行開啟或關閉溫控器的操作。如用戶選擇“自主模式”，其可根據體感溫度自行決定開啟和關閉電地暖的時間，如選擇“溫控模式”，則在溫控器開關上預設加熱溫度，當該房間達到預設溫度后自行切斷。

5 結束語

本智能電地暖系統，能夠實時監測入戶線路的總功率，當開啟電地暖使總功率達到上限的90%時，可以根據不同的優先級依次切斷對應房間電地暖，防止跳閘。同時還向用戶提供不同的供熱方式，優化電能使用效率，提升用戶使用體驗。智能調配器和各房間溫控器開關采用ZigBee無線通訊，省去用戶室內安裝通訊線路。本設計具有良好的控制效果，應用前景廣闊。

參考文獻

[1]楚軍田，申連喜.水地暖與電地暖應用對比研究[J].建筑節能，2014，11：20-23.

[2]楊平，王威.MSP430系列超低功耗單片機及應用[J].國外電子測量技術，2008，27（12）：48-51.

[3]張猛，房俊龍，韓雨.基于ZigBee和Internet的溫室群環境遠程監控系統設計[J].農業工程學報，2013，S1：171-176.