基于嵌入式的智能熱能表系統設計

溫宗周 錢佳佳 豆朋達 周 冬

(西安工程大學，陜西 西安 710048)

基于嵌入式的智能熱能表系統設計

溫宗周 錢佳佳 豆朋達 周 冬

(西安工程大學，陜西 西安 710048)

為解決因生活供暖按面積計費方式而導致的費用不直觀、供暖設備不可控的問題，設計了一種對采暖設施中的熱耗進行準確計量及計費的智能型熱能表。主控模塊采用STM32F407芯片，將采集到的流量和溫度數據進行處理并計算得出供熱熱能，實現了人機交互、外部通信、數據存儲等功能。采用IC卡識別電路和電磁閥控制電路，完成熱能表的預付費功能。通過對熱能儀表計量誤差的深入分析，優化了信號測量電路及數據處理方法，增加了溫度曲線修正和非定常K系數的修正，進而提高了熱能計量的準確度。試驗結果表明，該熱能表系統可實現對用戶實際采暖的準確計量。

智能熱能表 溫度傳感器 供暖 人機交互 通信 數據采集 修正 誤差分析 預付費

0 引言

為了改善我國供暖現狀，提倡節約能源，國家相關部門逐步對用戶供暖設施進行改造，同時也出臺了相關的任務目標和政策法規。2006年，為了確保供暖設備改造升級的順利，我國強制實施了供暖設備采用熱能表計量的措施，同時出臺了《供熱計量技術規程》等相關的強制標準[1-2]。

目前，國內外熱能表行業以研究穩定可靠、高精度、多功能的熱能表及各種檢測設備為主要課題。熱能表設備主要包括溫度傳感器、流量傳感器和積算儀。其中，溫度傳感器的測溫技術已經非常成熟，因此流量傳感器和積算儀是目前的研究重點[3-5]。目前常見的流量測量形式有三種：機械式、超聲波式和電磁式。機械式測量方法根據液體流速與葉輪轉速成正比關系來測量流速，其原理結構簡單，但測量精度有限、易損壞，已逐步被市場淘汰。超聲波式測量方法根據超聲波速在順水和逆水中的傳播時差與水流速的線性關系來測量流速，但此方法設計成本高、安裝難度大。電磁式測量方法由導電性的水切割電磁場，測量感應電動勢獲得水流速，具有超聲波式的優點，但易受外界電磁干擾。

本文采用的電磁式流量測量方法，在繼承了電磁式測量所有優點的基礎上，提高了抗外界電磁干擾的能力。其選用先進電磁式流量傳感器進行信號轉換，增強了信號抗干擾能力、減小了測量誤差。溫度傳感器選擇PTC熱電阻為試驗對象，試驗驗證了修正溫度曲線能減小系統誤差。通過對啟動時的水流特性進行分析，可獲得管道內水流變化特性。本文應用非定常K系數修正來減少積算儀造成的系統誤差。

1 智能熱能表系統總體設計

本課題設計的熱能表能將電磁式流量傳感器和熱電阻傳感器測得的信號轉化成數字量，再經過熱能算法得到熱量，然后應用非接觸式IC卡和電磁閥實現預付費。系統硬件電路包括：電源模塊、通信模塊、電磁閥控制模塊、預付費系統模塊、IC卡模塊、控制模塊、數據采集模塊(包括流量測量和溫度測量)、數據存儲模塊和人機界面模塊。系統構成總框圖如圖1所示。

圖1 系統構成總框圖

Fig.1 Overall constitution of the system

2 硬件設計

智能熱能表硬件系統構成如圖2所示。控制模塊包括ARM處理器STM32F407、電源、時鐘、復位、調試電路。數據采集模塊包括電磁式流量傳感器脈沖信號采集電路、信號隔離和熱電阻電橋差分電路、調理電路及ADC轉換電路，完成了對溫度、流量的采集。通信模塊為外部RS-485通信電路，提供現場的參數設置和調試。人機界面包括獨立按鍵輸入電路和TFT-LCD顯示輸出電路，實現人機界面的交互功能。數據存儲模塊為外置SD卡存儲電路，保存重要參數和GUI顯示的圖片等數據。預付費模塊包括非接觸式IC卡識別電路和電磁閥控制電路，實現了系統的計費功能。電源為系統中各功能模塊提供工作電壓，如電磁式流量計的12 V、繼電器的5 V、控制單元的3.3 V等。

圖2 智能熱能表硬件系統構成圖

Fig.2 Hardware system constitution of intelligent heat energy meter

3 軟件設計

本課題設計的帶預付費的智能熱能表系統，將根據實時熱量計算扣除相應的費用，并顯示余額。在余額不足時，系統發出警示，提示用戶及時繳費；給予優秀客戶一定的信用額度，透支完后將關閉電磁閥，停止供暖。為了方便記錄和查詢充值，系統將存儲一年內的結算數據。熱能表工作流程如圖3所示。

圖3 熱能表工作流程圖

Fig.3 Working process of heat energy meter

軟件控制系統功能的具體實現如下：控制系統通過測量脈沖計算電磁式流量傳感器的所測流量；熱電阻Pt1000的電橋采用差分信號輸出，將信號直接連接輸入AD7708，使用SPI總線和A/D轉換芯片AD7708通信設置硬件濾波、放大、轉換、算法處理、讀取數據；控制系統根據采集到的流量和溫度數據，用熱系數法計算熱能；STM32F407的FSMC與RA8875通信控制TFT-LCD，在TFT-LCD上基于emWin庫函數設計圖形和顯示輸出數據；STM32F407使用SDIO控制器與SD卡通信，基于FATFS文件系統管理SD卡內數據，實現對SD卡內數據的讀寫等基本功能，保存相關重要參數和GUI顯示圖片等數據；控制RC522模塊實現IC卡識別充值功能，繼電器模塊控制電磁閥通斷，實現計費系統的預付費功能。

3.1 數據采集模塊

數據采集模塊主要實現流量和溫度數據的采集，將由流量傳感器的流量輸出信號轉換為測量脈沖數，并通過測量脈沖計算電磁式流量傳感器所測的流量；對溫度數據的采集由熱電阻Pt1000的電橋電路轉變為測量輸出差分信號，將信號連接輸入AD7708，使用SPI總線和A/D轉換芯片AD7708通信，設置硬件濾波、放大、轉換、算法處理、讀取數據。

3.2 圖形界面設計

通過控制模塊的FSMC與RA8875通信來控制TFT-LCD，軟件設計在TFT-LCD上基于emWin庫函數實現圖形和數據的顯示、輸出。在搭建好的平臺上完成嵌入式操作系統μC/OS-Ⅲ的移植工作，再添加emWin和TFT-LCD驅動。最終設計的熱能表啟動界面包括當前流量值、當前溫度值、當前熱量值、當前室內溫度值和當前余額值等信息。

3.3 數據存儲模塊

該模塊由控制模塊中的SDIO控制器與SD卡通信實現，基于FATFS文件系統來管理SD卡中的數據，實現了對SD卡中數據的讀寫等操作，保存了相關重要參數和GUI相關顯示圖片等數據。

3.4 預付費系統模塊

預付費系統的軟件設計可實現IC卡識別充值和電磁閥控制。這部分主要控制RC522模塊完成IC卡識別充值功能，并通過繼電器模塊控制電磁閥開關，實現了計費系統的預付費功能。

控制系統STM32F407和MF-RC522間使用SPI通信。RC522工作流程、RC522初始化流程如圖4所示。

圖4 RC522工作流程及初始化流程圖

Fig.4 Working process and initialization process of RC522

本設計采用STM32F407的SPI3和RC522連接，SPI通信采用標準庫函數調用，電磁閥由STM32F407的PC0口高/低電平控制繼電器間接控制其開/關。

電磁閥模塊由STM32F407的PC0配置為推挽模式控制三極管導通，繼電器通電吸合，電磁閥供電導通。IC卡的識別和電磁閥實現了預付費系統的充值和控制流量的功能。

4 熱能計量修正算法研究

4.1 模型建立

本文采用熱系數法計算熱量，利用溫度和流量無突變的特性，將熱能計量模型簡化為熱能在一定時間內的流量和溫度對時間積的模型，如圖5所示。

圖5中，橫軸和縱軸表示時間和流量體積；實線表示a和b區間分為無數個小區間，每個小區間的邊界線；虛線是每個小區間的中點ξi，用中點處的值表示這小段時間的流量體積；曲線表示a和b區間內每個時間點的流量體積曲線。

圖5 熱能計量模型

Fig.5 Heat energy metering model

設函數f(x)在[a,b]上有界，在區間[a,b]中任意插入若干分點，令:

a=x0

(1)

把區間[a,b]分成n個小區間：[x0,x1],[x1,x2],[x2,x3],…,[xn-1,xn]。

各個小區間的長度為：

Δxn=xn-xn-1

(2)

在每個小區間[xn-1,xn]上任取一點ξi(xi-1≤ξi≤xi)，作函數f(ξi)Δxi(i=1,2,…,n)，并求和：

(3)

(4)

因為單片機處理積分運算的時間復雜度遠遠大于乘法和加法，所以該模型的簡化計算有利于實現，從而減少了復雜運算。根據定積分性質，在[a,b]中插入盡可能多的點可提高計算精度。但受限于傳感器和處理器的處理時間，不能在此區間內插入無限個點。因此，要最大限度地插入有限個點，并要求流量傳感器設置盡可能小的當量。同時，在單片機運行時，應設置盡可能高的主頻。

流量采集為實時模擬量轉化為離散數字量的過程，由于傳感器的接收信號為設置定量體積的脈沖中斷，因此可以采用均值法求得相鄰兩個插入點間的流量體積近似值，即：

(5)

式中：Q為釋放的熱量，J；V為載熱液體流過的體積，m3；ΔT為進水溫度與回水溫度的差(TV-TR) ,℃；TV、TR分別為熱流體入、出口的溫度，℃ ；K為熱系數，根據K系數表確定，J/(m3·℃)；f(ti-1)和f(ti)為相臨兩次采集到的流量體積；Δti為f(ti-1)和f(ti)的間隔時間。

4.2 誤差分析及優化

熱能表的誤差主要來源于其組成部分，即流量傳感器、溫度傳感器、積算儀。由于電磁式流量傳感器易受磁場的影響，必須采取抗干擾設計，尤其要對采集信號進行處理。溫度測量采用的熱電阻靈敏度高，導線電阻等都易受溫度影響，造成熱電阻曲線發生變化。對啟動時的水流特性進行分析，獲得管道內水流變化特性。積算儀在對熱能計算的過程中，K系數會發生有規律的變化，特別是在閥門開啟的5 s內變化較大[6-8]。

為解決以上問題，結合試驗驗證，深入分析了影響熱能表精度的主要原因，并進行了以下三個方面的優化：一是熱能表硬件電路對信號的測量；二是

熱能計算中的溫度曲線修正；三是啟動時非定常K系數的修正。

4.2.1 信號測量的優化

本文采用的流量傳感器，如果管道流量過大而脈沖當量設置過小，將會造成脈沖輸出超上限；如果管道流量小而脈沖當量設置過大又會造成儀表很長時間才能輸出一個脈沖，所以脈沖輸出頻率應限制在3 000 Hz以下。當熱能表進出水溫差達到最小值、流量Q達到最小允許值時，熱能表誤差限最大，隨著流量的增加，誤差限逐漸降低；Q不變時，Δt越大，誤差越小，當Δt>3Δtmin時，誤差接近常數；在一定溫差下，當實際流量大于常用流量的一半時，誤差近似為常數。

通過以上分析，當Δt達到最小值時，要通過SPI控制設置AD7708的PGA倍數，選擇適合的測量范圍，同時進行片內校正，提高溫度測量的精度。當流量Q達到最小允許值時，就必須通過減小電磁式流量傳感器的輸出脈沖當量，來提高分辨率或增加脈沖數。同時，可根據計算時的溫差規律補償誤差。通過以上軟硬件設計，能有效減少溫度測量誤差限和流量測量誤差限，從而有效提高熱能表準確度。

4.2.2 溫度曲線修正

熱能表所使用的溫度傳感器為工業鉑電阻傳感器，一般為Pt1000的B級產品。參照工業鉑電阻檢定方法進行操作，就可以檢出鉑電阻R0、R100、Rt和溫度系數α值，從而確定鉑電阻的溫度-阻值關系。由于檢定設備進行了熱能表溫度傳感器的誤差曲線修正，根據標準鉑電阻的溫度-電阻關系，利用電阻箱模擬的電阻值計算會造成試驗結果的偏差，因此本文設計的熱能表帶溫度修正，可以解決精確檢測的問題。

根據JJG225-2001《熱能表檢定規程》，熱能表檢測選點為溫度下限、50 ℃或者60 ℃、熱能表溫度上限。此時，采用標準PT1000的溫度阻值表進行檢測，表1為4組試驗溫度試驗點的檢測結果。

表1 熱能表檢測結果Tab.1 Detection results of heat energy meter

經過多次檢測，結果變化不大于0.02%。然后對熱能表的鉑電阻進行檢測。溫度檢測結果如表2所示。

表2 溫度檢測結果Tab.2 Detection results of temperature

該設備進口端溫度傳感器的溫度-阻值函數關系為：

R(t)=1 000.405(1+3.923 706×10-3t- 6.779×10-7t2)

(6)

出口端溫度傳感器的溫度-阻值函數關系為：

R(t)=1 000.624(1+3.923 746×10-3t- 6.730×10-7t2)

(7)

根據式(6)和式(7)進行核對，結果如表3所示。

表3 溫度-阻值函數核對結果Tab.3 Collation results of temperature-resistance function

修正后，熱能表檢測結果如表4所示。

表4 修正后的熱能表檢測結果Tab.4 Detection results of heat energy meter after correction

通過對比表1和表4，可以得出結論：將不確定度控制在相對合理范圍內，帶溫度曲線修正的熱能表相對誤差較小。

4.2.3 非定常K系數修正

本課題對熱能計算采用的熱系數法是熱水關于實際溫度的成分函數，即管道內流體在相應溫度、壓力下的函數，利用其對測量結果進行溫度補償修正，可以大大提高熱能表的測量精度。本課題中的電磁閥會頻繁開關，閥門啟動5 s后管道中載體流速才會達到穩定狀態。這段時間內不能使用穩定狀態下的K系數，因此本文對非定常模擬的K系數和穩定狀態下K系數對修正后的流量值進行對比，驗證流量修正系數K對流量測量的影響[9-10]。

在開啟閥門的5 s內，對水流特性進行分析，獲得管道內水流變化的特性，從而可得啟動閥門后5 s內的K系數變化情況，如圖6所示。

通過FLUENT軟件數值模擬擬合曲線的分段函數為：

(8)

根據流量公式，可得：

(9)

圖6 K系數變化曲線

Fig.6 Change curve ofKcoefficient

(10)

5 結束語

通過查閱國內外相關文獻，并對熱能表相關先進技術和不同方法進行對比研究分析，設計了智能熱能表系統方案，并完成了系統控制板的硬件和嵌入式系統下各個模塊驅動的軟件的設計。試驗驗證了該熱能表的熱能可控，預付費功能效果良好，達到預期目標。

[1] SUN Q,LI H,MA Z,et al.A comprehensive review of smart energy meters in intelligent energy networks[J].IEEE Internet of Things Journal,2016,3(4):464-479.

[2] 劉燕江.自動化儀表的技術特點及維護[J].自動化儀表,2013,34(4):87-90.

[3] XUE Z,WU B,CHEN J.A rule-based internet of things district heating alarm system[J].Wit Transactions on Methodologies & Simulation,2014,60(6):1007-1016.

[4] JIA Y,CAI Z,YU Y.Research on Heat Meter Wireless Reading System in Living Area[C]//Proceedings of 2015 3rd International Conference on Machinery,Materials and Information Technology Applications.

[5] 文其知，戴永.智能儀表非線性自動校正方法研究[J].自動化儀表,2009,30(6):75-78.

[6] 劉田紅.超聲波熱能表及遠程抄表系統研究[D].南京:南京理工大學,2015.

[7] 劉小亮，曹永紅，郭揚帆.基于單片機熱能表的設計與實踐研究[J].自動化與儀器儀表,2015(6):9-13.

[8] 王軼巍,張立謙.帶有溫度修正功能的熱能表計算器的高低溫環境實驗方法介紹[J].中國計量.2015(1):107-108.

[9] 李良.熱能表計量檢定的技術研究[D].大慶:東北石油大學，2014.

[10]張晶晶.高精度電磁流量計的研制[D].杭州:中國計量學院,2012.

Design of the Embedded Intelligent Heat Energy Meter System

In order to solve the problems in heating supply for living,such as the area-based billing is not intuitive and the heating equipment is uncontrollable,the intelligent heat energy meter is designed.By using this meter,the heat consumption of heating facility can be accurately measured and charged.The flow and temperature data collected are processed and calculated by the main control module STM32F407 chip to obtain heating energy supplied,and the functions of human machine interaction,external communication and data storage are realized.IC card identifying circuit and solenoid valve control circuit are used to complete the pre-paid function.Through in-depth analysis of the metering error of the heat energy instrument,the signal measurement circuit and data processing method are optimized,and the correction of temperature and the correction of unsteadyKcoefficient are added,thus the accuracy of the heat energy meter is improved.The test results show that the heat energy meter system can achieve accurate metering of the actual heating for users.

Intelligent heat energy meter Temperature sensor Heating supply Human-computer interaction Communication Data acquisition Correction Error analysis Pre-paid

溫宗周(1962—)，男，1986年畢業于蘭州交通大學自動化專業，獲學士學位，副教授；主要從事嵌入式系統應用與開發方向的研究。

TH811;TP277

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611012

修改稿收到日期：2016-05-10。