基于ZigBee技術的太陽能輻射采暖監控系統設計

劉永濤++吳金順+楊曉東

摘 要： 現有的太陽能地板輻射采暖控制系統存在智能化程度不高，不能充分利用太陽能集熱器熱能等諸多問題。因此設計一款基于ZigBee技術的高效、安全、智能化控制系統。裝置采用TFT觸摸屏為操控終端，采用模塊化功能結構設計。白天能夠根據外界光照強度自動啟動和停止外循環結構，夜間及陰天自動啟動內循環及電輔熱系統。結果表明，電輔熱啟動期間可以根據用戶需求任意設定供暖房間和供暖時間，達到動態供暖，有效節約電能并且最大程度上保證了室內溫度的舒適平穩。

關鍵詞： 高效節能； 無線測控； 動態溫控； ZigBee； STM32

中圖分類號： TN915?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）22?0171?04

0 引 言

太陽能采暖是利用太陽能集熱器收集太陽能并結合輔助能源滿足采暖需求的系統，因此常稱為太陽能聯合系統[1]。太陽能蓄熱是一個連續、非穩態的動態換熱過程，集熱管中的循環水溫度變化受太陽輻照度、室外溫度、水流速度及蒸發器蒸發溫度等多個因素的影響。本文針對太陽能采暖的特點設計了以ZigBee技術為核心的無線監測控制系統[2]。其中采用無線智能雙循環控制是該系統的創新應用，解決了常規太陽能采暖系統輔助加熱時間長、熱利用率低的問題，明顯節約了輔助電能。因此該系統特別適合于別墅、新農村住宅及其他低層建筑的采暖應用[3]。

1 系統總體結構

ZigBee 技術具有協議簡單、傳輸可靠性高、功耗低、自動動態組網自動路由、靈活性高、可擴展性強、實現成本低、實現相對簡單等特點[4]。因此，為了解決傳統監控系統中存在的布線復雜、靈活性不好、成本高等問題，設計了基于ZigBee 技術的太陽能采暖控制系統，改變了傳統的有線數據采集的方式，避免了布線的麻煩，降低了功耗和成本，更具靈活性和可擴展性[5]。系統為了增強無線通信能力，設計加入了NRF2401功率放大器配合CC2530使用，有效解決了傳輸距離和誤碼率問題，系統經過測試空曠處傳輸距離150 m以上，數據準確率高于99%。

在本設計中，整體采暖控制系統由四部分組成：顯示操作終端、室外采暖監控模塊、房間分水控制模塊和電輔熱供暖模塊[6]。四個部分通過ZigBee無線通信網絡進行連接，結構如圖1所示。

室內終端部分負責顯示系統運行參數和狀態以及人員交互操作協調系統的運行，這部分由ZigBee模塊和迪文觸摸屏組成，ZigBee模塊負責與顯示屏通信以及無線發送接收數據。室外采暖監控部分由STM32控制器和ZigBee單元組成，負責系統環境點溫度采集、太陽能采暖循環系統控制、上傳和存儲系統運行狀況、接收用戶操作信息等。房間分水控制模塊負責接收用戶操作信息，控制供暖房間面積和供暖時間。輔助供暖設備采用了高效電加熱爐，在太陽能光照不夠和夜晚情況下保證正常供暖溫度，可以根據用戶設定的采暖房間和預設房間面積，整體面積決定電輔熱裝置的功率。

2 系統硬件設計

系統控制主要采用了CC2530和STM32兩款嵌入式處理器，通過單元模塊化設計，使各模塊通過室內終端協調運行。

2.1 室外控制模塊

室外監控采用意法半導體生產的STM32F103芯片，它是一款高效的32位嵌入式處理器，以Cortex?M3為內核，最高主頻為72 MHz，128 KB FLASH，20 KB SRAM，同時內部資源豐富、性能高、功耗低，完全可以滿足系統需求，并且價格較低，市場應用廣泛[7]。

該模塊通過采集多個關鍵點溫度值分析比較，控制循環泵的啟停及電磁閥的開關。當夜晚或者光照不足的時候太陽能集熱量無法滿足采暖需求，裝置將情況發送至室內終端，協調電輔熱系統啟動，開啟內循環模式，從而維持室內溫度。處理器將溫度值和開關量值存入SD卡當中，以便于后期通過數據分析優化控制方案和系統設計，可以針對全國不同地區的氣候做出不同的自適應控制方案。

傳感器采用單總線數字溫度傳感器DS18B20，其采用單總線技術，硬件連接只需使用電源、地、信號三線結構，并且可以多個傳感器連接在一條信號線上，簡化了硬件設計和系統連線。數據存儲使用了大容量SD卡，軟件移植FAT文件系統，以Excel格式存儲數據，儲存容量大，并且可以方便地取出SD卡進行數據分析[8]。

2.2 觸控顯示終端模塊

該單元模塊作為協調器，通過CC2530處理器協調其他三部分工作。TFT觸摸屏可以直觀地顯示出各點的溫度值以及設備的運行狀態。通過屏幕操作可以手動控制每個被控對象的啟停。顯示屏采用DGUS屏，其內部自帶ARM系統和存儲芯片，通過串口采用5條指令就可以與其交互，并且是觸摸屏結構，省去按鍵電路的設計，簡化了系統硬件結構。

2.3 分水閥控制模塊

分水閥控制以CC2530處理器為核心，負責接收室內終端的控制信息[9]。然后通過控制12路繼電器完成對熱膨脹分水閥的控制，驅動控制電路如圖2所示。

電路中處理器的P0.3端口經過74LS04反向器驅動光電耦合器U2，光耦起到了電氣隔離作用。當P0.3為低電平時三極管Q1導通繼電器K5吸合，相應指示燈D1點亮，端子P5所接膨脹閥打開。

2.4 電輔熱控制模塊

系統輔助供暖主要使用電加熱方式，采用可變檔位的電采暖爐。控制電路加入了水位傳感器、水溫傳感器和電流互感器來保護小型電熱爐，防止出現干燒和漏電情況。電熱爐分為三檔位功率控制，根據用戶采暖面積需要可選擇1～12 kW容量。通過軟件編程實現所選容量的不同檔位自動切換，達到節省電能的目的。

3 系統軟件設計

裝置的軟件程序編寫主要分為CC2530和STM32F103兩部分。CC2530完成了系統無線組網通信，STM32處理器完成了整個室外設備的控制以及系統溫度和開關量的數據采集。

3.1 顯示操作控軟件

這部分由CC2530控制器實現，代碼使用了基于IAR軟件的C語言開發，軟件流程如圖3所示。該部分軟件主要用來與顯示屏的交互，以及無線發送接收數據，協調系統運行。通過與屏進行串口通信，完成向顯示屏寫數據、讀顯示屏數據和切換顯示界面。向顯示屏寫數據函數為write_dwen，函數內容如下：

程序按照顯示屏82指令向其發送數據，82指令格式包含幀頭、幀尾、字節長度（包含命令以及命令之后的字節數）、指令2 B、寫入地址2 B、寫入的數據。其中幀頭和幀尾由配置軟件對顯示屏直接配置生成。讀顯示屏數據使用83指令，讀函數如下：

83指令格式包含幀頭、幀尾、字節長度、指令2 B、寫入地址、所讀數據長度、顯示屏數據。頁面切換使用80指令，先向顯示屏發出指令隨后發出要轉到的頁面編號即可實現。無線通信需要給其余三部分分別發送該模塊需要的數據。程序使用兩個數組分別記錄采暖監控和房間控制需要的信息，再使用不同的通信格式將信息發出。

3.2 采暖監控軟件

這部分由STM32+CC2530兩個處理器組成，STM32作為主處理器，CC2530作為輔處理器負責通信，雙處理器設計保證了模塊的可靠性和實時性。

主處理器實現了溫度采集、循環泵控制、電磁閥控制、發送和存儲系統運行參數、串口中斷接收信息。程序采用了基于Keil 4軟件的C語言開發。溫度采集通過編寫單總線時序，操作12路DS18B20傳感器實現。室外采暖控制按照系統控制方案，根據采集到的溫度控制內、外循環水泵和內、外循環電磁閥的啟停，STM32程序流程如圖4所示。

處理器與SD卡通信使用SPI方式， SPI為串行外圍設備接口，是一種高速全雙工的通信總線，廣泛應用在ADC，LCD等設備與MCU間通信的場合[10]。程序使用庫函數編程的方式初始化，SPI引腳和SPI相關配置，使用FAT系統的f_open，f_read，f_write等函數來打開、創建、讀、寫文件，用于溫度數據和運行狀態的存儲。

輔處理器主要實現信息的傳遞，通過無線接收中斷，判斷信息是否發送給本部分。如果是則通過串口發送至STM32，同時串口中斷接收STM32發來的信息通過無線發送至室內顯示終端。

3.3 房間分水供暖控制和電輔熱控制軟件

為了更有效地提高熱利用率，達到更好的節能效果，系統中每個房間的供暖都可以分別控制。當切換至電輔熱設備時，可以根據用戶選擇的供暖房間和供暖時段，通過計算實時采暖面積，選擇相應的電輔熱功率檔位。房間分水控制軟件流程如圖5所示。軟件實現了無線中斷、發送、時鐘程序和供水閥控制以及CC2530的FLASH讀寫。

4 運行測試

太陽能地暖熱輻射采暖裝置于2014年采暖季在北京東燕郊美麗鄉村別墅區進行了實際安裝測試。

別墅只進行了單層100 m2供暖，太陽能集熱器與供暖面積按1∶3配比。整個采暖季系統運行穩定，采暖和節能效果明顯。

2014年1月24日運行數據如圖6所示。從圖6中可以看出，當天室內溫度運行平穩，基本維持在20 ℃。上午8∶30左右太陽能集熱器溫度達到設定值，裝置啟動外循環系統對水箱進行集熱，并供給室內采暖。下午5∶30太陽能光照不夠，停止集熱器外循環，利用儲水箱的熱量使系統持續供熱至晚上10∶30啟動電輔熱系統，切換至內循環供暖模式。

5 結 語

本文設計了一種基于ZigBee無線通信技術的太陽能地板熱輻射采暖控制系統。該裝置以CC2530和STM32嵌入式處理器為控制核心，整體控制結構分為四大功能模塊單元，并且通過有效控制算法最大限度地利用了太陽能資源。電輔熱期間根據動態面積最小限度地使用電能資源。通過數據分析可以看出控制系統基本上解決了室溫波動大及采暖效果不理想等問題，裝置的應用可以有效促進太陽能輻射采暖產業的進一步推廣。

參考文獻

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[10] 劉智勇，陳鵬飛，宿磊，等.基于STM32芯片的U盤/SD卡文件傳輸技術研究[J].現代電子技術，2014，37（18）：107?109.