基于Zig Bee的太陽能熱水器電輔助加熱控制系統設計

貴州大學電氣工程學院 楊朝磊 王民慧

基于Zig Bee的太陽能熱水器電輔助加熱控制系統設計

貴州大學電氣工程學院 楊朝磊 王民慧

在常年陰雨天氣較多的地區，太陽能熱水器經常供熱不足，且安裝分散，不便于管理，而采用電熱水器來供熱水能耗大，不利于節能。針對以上問題，本文研究了一種基于ZigBee的太陽能熱水器電輔助加熱控制系統，當太陽能供熱不足時，開啟電加熱器對水溫進行調節，以滿足用戶需求。傳感器節點和數據收集終端以CC2530為核心處理器，以ZigBee無線傳輸技術為通信手段，形成了一個無線傳感網絡。同時利用LabVIEW軟件設計了上位機管理系統，以實現對溫度的遠程監控。研究結果表明，該系統穩定可靠，具有一定的研究價值和實用價值。

太陽能熱水器；控制系統；ZigBee；無線通信

0 引言

太陽能熱水器對天氣有很強的依賴性，在陰天或多雨的季節，常常會出現對管道的水加熱不足的問題，難以滿足用戶的用水需求[1]。而則采用電熱水器來供熱水雖然具有安裝、使用方便等特點，但是能耗非常大。針對上述問題，本文提出了一種基于ZigBee的太陽能熱水器輔助加熱控制系統，采用太陽能和電輔助加熱的方案來對熱水器的水溫進行控制。傳感器節點通過溫度傳感器和水位傳感器來獲取當前水箱的溫度值和水位值，再通過ZigBee無線網絡將信息傳輸給數據收集終端，數據收集終端進而將數據通過串口傳輸到上位機進行顯示和存儲；同時，采用LabVIEW軟件設計了上位機管理系統，用戶可在PC機上實時監控各個不同區域的熱水器的水箱溫度和水位，當太陽能加熱的水溫不能滿足用戶需求時，可將手動或自動加熱指令通過數據收集終端下發各個傳感器節點，使之控制電加熱器開始加熱；當太陽能功能充足時，會自動停止電加熱器，并將相關信息發送給用戶，防止電能消耗。此外，當水箱水位不在設定值范圍時，傳感器節點會進行自動控制，無需用戶干預。傳感器節點和數據收集終端均增設了PA功放模塊[2]，通信距離可達2Km，大多數情況下能夠完全覆蓋需要供熱水額區域，不需要遠程布線，便于設備維護和管理。本系統簡化了硬件設計，操作方便，實用性強。

1 系統總體設計

基于ZigBee的太陽能熱水器輔助加熱控制系統具體功能有：(1)實現對水箱溫度和水位的實時監測；(2)當太陽能熱水器對管道的水加熱溫度不夠時，控制繼電器模塊開啟電輔助加熱，保證水溫滿足用戶要求；(3)在進行電輔助加熱時，自動開啟防干燒檢測，防止水箱干燒導致火災等事故發生；(4)將所采集的信號發送給控制終端，同時接受終端命令，并執行相應操作。數據收集終端通過串口與PC及機通信。ZigBee控制節點和終端處理器均采用CC2530作為主控芯片，傳感器節點和數據收集終端組成星形網絡，從而用戶通過PC機即可實時遠程監控各個水箱的溫度和水位情況。系統結構圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 感器節點硬件設計

傳感器節點采用某公司開發的無線通信集成模塊ZG-Mx為控制模塊，ZG-Mx以CC2530芯片為核心控制器，利用內部ADC采集外部傳感器信號[3]，經過處理后通過RF收發器發送給數據處理終端；同時通過RF收發器接收數據終端命令，通過相應的I/O口輸出模擬控制信號，驅動電加熱模塊或電磁閥控制模塊執行相應的開/閉動作。該模塊才用K型熱電偶和CYW11液位器分別進行溫度檢測和水位檢測，通過繼電器和電磁閥分別進行溫度控制和水位控制。其電路示意圖如圖2所示。

圖1 總體設計方案框圖

圖2 控制節點電路示意圖

2.2 據終端硬件設計

數據終端亦采用某公司開發的無線通信集成模塊ZG-Mx為控制模塊，數據收集終端通過USB轉串口模塊與PC機通信，將接收到的無線數據信息通過串口傳輸到PC機；同時也可從串口讀取用戶發出的數據指令，再通過RF收發器發送給網絡中的對應的某個傳感器節點，從而使控制節點執行相應動作。其硬件電路如圖3所示：

3 系統軟件設計

3.1 控制節點軟件設計

控制節點上電后自動掃描加入數據終端所建立的無線通信網絡，入網成功后不斷采集傳感器數據并發送給數據終端，采集的數據包括水溫數據、水位數據、電加熱防燒干檢測等；當收到數據終端傳輸過來的數據指令時，根據指令類型執行相應的動作，包括水溫保持設置、自動/手動加熱等。其程序流程圖如圖4所示。

圖3 數據終端硬件設計圖

圖4 控制節點軟件流程圖

圖5 據終端軟件流程圖

3.2 數據終端軟件設計

數據終端上電后，首先啟動初始化程序，建立一個新的ZigBee無線通信網絡，并允許各個控制子節點加入網絡[4]。當收到控制節點發送過來的無線數據后，通過串口轉發給上位機，由上位機對數據進行處理；當從串口讀出上位機的數據指令后，再轉發給網絡中的某個控制節點。其程序流程圖如圖5所示。

3.3 上位機軟件設計

上位機軟件采用LabVIEW軟件來設計。采用LabVIEW編程，可以充分利用計算機的資源，發揮其強大的數據處理功能，用戶可根據自己的需求定義或設計出具有特色功能控制或顯示儀器[5]。用戶可登錄上位機系統，對界面進行操作，通過發出自動/手動加熱、或保溫設置等指令，實現對熱水器的水溫和水位進行遠程監控。測試結果如圖6所示：

圖6 機測試結果

4 總結

與傳統的太陽能熱水器電輔助加熱控制器相比，本文所提出的控制器引入了ZigBee無線通信技術，管理人員可通過一臺PC機對多個建筑物的太陽能電輔助加熱控制器進行集中管理，解決了遠程布線的困難，同時使得控制工作變得更加智能化，大大減減少管理工作負擔。該系統不僅保證了用戶對熱水的需求，同時還降低了電能的不必要消耗，與單一的電加熱控制方式相比具有一定的節能效果。綜上所訴，該系統具有一定的研究意義和實用價值。

[1]胡豐光.淺析我國太陽能熱水器產業的發展[J].科技資訊,2015(19): 206-207.

[2]黃玉立.基于CC2591的無線通信前端設計及實現[D].電子科技大學,2011.

[3]陳克濤,張海輝,張永猛,張杰,吳婷婷.基于CC2530的無線傳感器網絡網關節點的設計[J].西北農林科技大學學報(自然科學版),2014(05): 183-188.

[4]孫彩云.基于ZigBee的無線組網技術研究[D].中北大學,2011.

[5]陳樹學,劉萱.LabVIEW寶典[M].北京:電子工業出版社,2011,3.

楊朝磊（1992—），貴州平塘人，碩士研究生，現就讀于貴州大學電氣工程學院。