基于STM32的家庭供熱智能控制系統設計與實現

高秀艷+李濤

摘 要 針對我國北方集中供暖安面積收費的現狀，提出了基于STM32處理器為核心的預付費型智能家庭供熱系統，實現按需供熱。通過高精度數據采集電路對水溫、流量進行采集，計算消耗的熱量，實現按照熱量收費。通過增量PID算法控制供熱閥門調節室內溫度，同時有定時開關的功能來實現按需供熱，降低能耗。計費采用預付費方式，通過RFID技術實現。

關鍵詞 STM32；智能供熱；RFID；增量PID

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）05-0050-03

我國北方大部分地區需要集中供暖以應對嚴寒的冬天。目前，供暖主要采用按面積收費。造成供暖設備長期處于打開狀態，工作時間家庭住房的供熱也不會自動停止，造成資源浪費。而熱力公司以煤炭供熱為主，在資源浪費的背后還有更嚴重的環境污染。在北方霧霾日益嚴重的今天，供暖是PM2.5的重要來源之一。針對這一現狀，提出一種能夠調節和控制的供熱系統，住戶可以根據自己的情況來選擇溫度或者是關閉供暖系統，做到按需供熱。本文提出一種基于STM32的家庭智能供熱的解決方案，可以實時顯示當前消耗熱量，室內溫度，進水和回水溫度，供熱的開關狀態。設計充分利用了STM32的片上資源，不需要額外增加存儲芯片和AD轉換芯片，節省設計成本。通過增量PID式算法調整控制量[ 1 ]。同時增加了時鐘芯片，能實現供熱的定時開關，為廣大的上班族節省開支，為治理霧霾做出貢獻。

1 方案設計

1.1 室溫智能控制系統

智能控制系統的安裝和結構如圖1所示。用戶供水管道包括進水管和回水管，分別在進水管和回水管安裝溫度傳感器，在進水管安裝流量傳感器和電動閥門。處理器通過采集的流量計算流經供熱系統的水流體積，通過采集的進出水溫度信號計算供熱系統的溫度差，根據熱量系數和體積，溫度差來計算用戶所使用的熱能值。可以實現安裝消耗的熱量來計費，改變安裝面積收費的現狀。進水溫度，回水溫度，室溫和已經消費的熱量值通過LCD模塊實時顯示給用戶。用戶可以根據需要設計要求室溫，通過增量PID算法來計算調整量，調整閥門控制水流來實現溫度的調節。用戶還可以設置供熱系統的開關時間，支持安裝星期設置，實現周一到周五的工作時間關閉供熱系統 ，實現選擇性供熱。

1.2 熱量計算方法

熱量的計算有兩種方法：焓差法和熱系數法。熱系數是由焓差計算得來的，所以說焓差法和熱系數法在本質上是相同的，但熱系數法的數據量比較大，所以我們選擇焓差法。焓差法計算熱量的公式為：

t：供水時間，單位s；

2 硬件電路設計

2.1 芯片選擇

本設計選用的是由德意法半導體推出的基于ARM Cortex-M3內核的32位處理器STM32F103C8T6。其工作頻率為72MHz，并且有豐富的片上資源。內置K字節的Flash和K字節的SDRAM，有豐富的I/O接口和APB總線外設。有2個12位的A/D轉換器，能滿足數據采集電路的模數轉換[2]。包含IIC和SPI接口，方便與RFID電路進行通信。

2.2 數據采集電路

數據采集電路包括溫度采集和流量采集兩部分。為了達到國家熱能表的國家標準，溫度采集電路采用鉑電阻PT1000作為溫度傳感器，PT1000精度高，穩定性好，一致性好。溫度采集電路采用橋式測量電路，信號經過調理放到后輸入至STM32的ADC引腳。STM32內部集成12位的A/D轉換模塊，完全能滿足系統的精度要求[3]。

流量采集電路采用渦輪流量計，將渦輪流量計的脈沖信號輸入到STM32，通過對脈沖的計數來計算流量。

2.3 RFID電路

本系統設計借鑒了電力電表和燃氣表的預付費方式選擇預付費系統，只需要在附近有供熱預付費的終端，用戶就可以很方便的購買供暖熱量。綜合考慮方便應用和節省成本，系統采用PHILIPS公司的MFRC522，其電路圖如圖4所示。RC522工作電壓低，功耗小，支持ISO14443A協議[4]。RC522提供3種接口模式：SPI接口、USART接口和I2C接口。每次上電或硬件重啟后都會復位其接口，通過檢查控制引腳的電平來判斷與處理器的接口模式。

STM32和RC522之間采用SPI接口，RC522控制接口模式的引腳IIC接低電平，EA接高電平。STM32通過讀寫RC522的 寄存器來實現系統的初始化，尋卡、停卡和射頻卡的讀寫操作。

2.4 定時設計

現在絕大部分家庭都是雙職工，工作期間可以關閉供熱系統。由于供熱需要一定時間，此系統設計了定時功能，用戶可以設定系統的開啟時間和關閉時間。這樣能保證工作時間家庭的供熱系統停止供熱，而回到家后室溫又達到預期溫度。為了讓定時更加準確，采用了外部時鐘芯片DS1302。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能。采用三線接口與處理器進行通信，可采用突發方式一次傳輸多個字節的時鐘信號和RAM數據。

4 軟件設計

家庭智能供熱的軟件主要包括系統初始化、數據采集處理和控制、射頻卡的讀寫等部分。系統的主流程圖如圖4所示，其中不包括射頻卡的讀寫部分。

4.1 系統初始化

系統初始化包括STM32的初始化、時鐘芯片的初始化和RC522的初始化。STM32初始化包括系統時鐘、定時器和GPIO等功能模塊初始化。時鐘芯片的初始化主要完成對DS1302的設置，將準確時間寫入時鐘芯片，在每個周期的顯示程序中讀取時鐘并實時顯示。

4.2 數據采集

溫度的采集通過STM32F103C8T6內部的12位ADC來實現，流量的采集通過定時器的捕獲功能來計算流量傳感器的脈沖數量，從而得到流量。

4.3 RFID處理流程

STM32通過對RC522片內寄存器的讀寫來控制RC522讀卡器芯片，RC522收到STM32發來的命令后，按照非接觸式射頻卡協議格式，通過匹配電路和天線發出13.56MHz信號進行尋卡。若卡在讀卡器的有效范圍內時，STM32向卡發出尋卡命令，卡片將恢復卡片類型，建立卡和讀卡器的聯系，若有多張卡在天線有效范圍內，讀卡器啟動防沖突檢測，根據防沖突規則選定其中一張卡，然后進行密碼校驗，對卡的相應模塊進行讀寫和增減值操作。未被選中的卡處于閑置狀態，等待下一次尋卡。具體的工作流程如圖5所示。

5 結論

STM32處理器片上資源豐富，內置A/D轉換器、SPI接口等，大大簡化了硬件電路設計。系統的各種數據能通過LCD實時顯示，方便用戶查看和操作。該系統具有功耗低、操作簡單、精度高等特點，設計精度符合熱能的國家標準，適合家庭和單元住戶的供熱控制。實現了有按照面積收費向按消耗熱量收費的轉變，使供熱收費更加合理化，同時節省了熱量的消耗，減輕供熱公司的負擔，為節約能源和環境保護做出貢獻。

參考文獻

[1]嚴曉照，張興國.增量式PID控制在溫控系統中的應用[J].南通大學學報：自然科學版，2006，5（4）：48-51.

[2]王鐵流，李宗方，陳東升.基于STM32的USB數據采集模塊的設計與實現[J].測控技術，2009，28（8）：37-40.

[3]郭智源.基于STM32的PID和PWM溫度控制系統研究[J].科學技術與工程，2011，11（16）：3805-3807.

[4]王文濤.非接觸式IC卡智能熱能表的研制[J].傳感器與儀器儀表，2008，24（16）：149-151.

[5]張勇強.基于ARM的供熱計量和智能溫控的應用研究[J].工業儀表與自動化裝置，2010（1）：68-70.