一種供暖閥門遠程控制系統設計

馬 靜，樸金寧，楊 帆

(哈爾濱理工大學自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

供暖一直是導致空氣污染的一個重要因素。尤其是在東北地區的冬季，由于氣候寒冷，所以需要大量焚燒煤炭進行供暖。由于供暖公司的設備不一，工作人員技術能力參差不齊，使得煤炭不充分燃燒，導致了有害氣體及煙塵排放到空氣中，造成空氣污染。除此之外，由于新建樓房與老舊樓房在供暖系統中存在著較大差異，所以在一些地區的冬天便存在著“新樓開窗放，老樓凍哆嗦”的現象。這種現象產生的原因不僅僅設備不相同，還是供熱公司無法實時監測與控制用戶家中的溫度、新樓老樓一套的供暖方案，導致了新樓家中由于溫度過高而造成能源浪費，進而造成環境污染[1]。

市場上目前已有的供暖閥門控制方式主要有以下兩種。

①利用單片機配合SIM卡模塊作為整體供暖閥門的控制端，用戶可以用手機發送短消息的方式來獲取用戶家中的環境溫度，從而根據當前的溫度，以手機短消息的方式控制家中的電子閥門。

②控制遠程閥門的方式大都是通過線纜連接上位機與閥門，多數采用CAN總線、RS-485總線等方式連接小區中的各個用戶，進而控制多用戶家中的供暖閥門[2-3]。

以上兩種方式都存在一定的弊端，如果采用短消息方式，那么需要在各個用戶家中安放SIM卡模塊，通信次數增多也會不斷導致費用的提高，使總控制臺控制的復雜度較高；采用線纜控制電子閥門，由于小區中每家每戶的距離不同，布線時的難度也隨之提高，出現故障也較難排查發現。為解決以上問題，本文設計了一種遠程閥門控制系統。

1 系統整體方案設計

基于物聯網的遠程閥門控制系統主要由三個部分組成。第一部分是閥門控制端，主要功能是通過無線通信方式來控制用戶家中的電子閥門；第二部分是嵌入式控制器，主要功能是接收物聯網平臺發送的指令、發送當前本地采集的溫濕度信息；第三部分是物聯網平臺，在本次設計中采用了Javaweb技術，可以在平臺中接收和發送控制器端發送來的數據，在平臺中進行溫濕度監測，對用戶家中電子閥門進行遠程控制[4]。整體系統框圖如圖1所示。

圖1 整體系統框圖

2 軟件硬件設計

2.1 系統硬件設計方案

系統硬件主要包括兩個部分。第一部分是負責與互聯網收發數據以及控制電子閥門的主控制端，第二部分是電子閥門的被控制端。主控制端采用主控制單元+ESP8266 WiFi模塊+傳感器+NRF24L01無線射頻通信的方案。主控制器MCU通過無線WiFi網絡向總控制臺發送不同節點的溫度數據，總控制臺接收到數據并進行判斷，同樣經過WiFi網絡到ESP8266WiFi模塊再到主控制器的主控制單元，經過主控制單元將數據分析處理后，控制當前用戶所指定電子閥門的開關狀態[5]。

硬件設計方案如圖2所示。

圖2 硬件設計方案

2.2 主控電路硬件設計

主控制器采用ATMEGA328P-AU處理芯片，芯片集成了SPI、I2C、USART等多種通信方式，方便與ESP8266無線WiFi單元和NRF24L0無線射頻單元配合執行相應的操作，同時可擴展豐富的接口，方便與外圍傳感器的結合[6]。芯片閃存容量可達32 KB，先進的精簡指令集計算機(reduced instruction set computer,RISC)體系結構，使得內部程序運行時可以與外圍電路更流暢、更無縫地銜接。

2.3 電子閥門端硬件設計

在進行點對點的通信方式時，考慮到信息傳輸的距離、外界環境的干擾，以及整體功耗和成本的因素，通過NRF24L01無線射頻方案進行傳輸是較為合適的選擇。NRF24L01無線射頻單元工作在2.4～2.5 GHz之間，可進行同時收發的操作，工作電流11.3 mA，工作溫度-40～+80 ℃，傳輸距離可以達到100 m，能滿足多用戶電子閥門的控制指令的傳輸操作[7]。NRF24L01電路設計如圖3所示。

圖3 NRF24L01電路設計圖

2.4 無線網絡通信端硬件設計

目前，憑借穩定、可二次開發和價格低廉的優勢，ESP8266無線網絡模塊應用在很多物聯網產品。與主控芯片控制器采用串口的通信方式，供電電壓3.3 V，可作為服務器或客戶端。通過設置好的密碼，系統可自動連接覆蓋在小區內的WiFi網絡，進行數據與主控制臺的雙向通信[8]。ESP8266無線網絡單元設計如圖4所示。

圖4 ESP8266電路設計圖

2.5 溫度采集硬件設計

本次設計采用單總線通信方案。一方面，涉及到的引腳較少，僅需要三個引腳；另一方面，這款傳感器價格低廉，比較適合量產開發。溫濕度傳感器在工作時，數據在開始信號和響應信號后開始傳輸，共40位測量數據，分別是8位濕度整數、8位濕度小數，8位溫度整數、8位溫度小數和8位校驗位。當前面的溫濕度數據之和不等于最后一位校驗位的數據時，單片機就會判斷這次的數據有誤，同時將這個數據刪除；每一次數據都是由50 μs的低電平時間間隔開始。通過單總線被上拉成高電平的時間長短來區分數據0和1并發送，等待數據傳輸一次后，溫濕度傳感器模塊再次進入空閑狀態，等待下一次數據的傳輸。DHT11電路設計圖如圖5所示。

圖5 DHT11電路設計圖

3 部分軟件設計

在本次設計中，軟件設計主要包括主控制器的軟件編程設計。主控制器采集用戶家中的環境信息后，通過WiFi網絡傳送到總控制臺；由主控制臺通過WiFi網絡發送給用戶端控制器的過程中，控制器將數據進行解析，并通過串口發送給控制器后，由控制器與電子閥門端進行指令的發送控制。軟件設計如圖6所示。

圖6 軟件設計框圖

物聯網平臺搭建時，java目錄下所有代碼為后端服務代碼，resource目錄下為前端網頁和一些靜態資源文件。resource目錄下application.properties配置文件是SpringBoot的默認配置文件。該文件中對數據庫連接，Tomcat訪問端口以及MyBatis的xml文件進行了配置[9]。logback.xml文件對日志功能進行了配置，包括日志存儲位置，創建的日志文件的名稱以及日志記錄級別。mapper文件夾中存放MyBatis的記錄SQL語句的xml文件，templates文件夾中存放 HTML文件，static文件夾下是一些靜態資源文件，包括css樣式，js文件以及img靜態圖片文件[10]。

4 整體系統調試

整體系統調試主要分為兩個部分。第一部分是控制器與控制臺的通信，第二部分是主控制器與電子閥門端的通信。

4.1 控制器與控制臺通信測試

物聯網平臺測試包括數據支撐系統和數據可視化系統的測試。通過對系統特征進行分析，制定明確合適的測試計劃；通過對測試結果進行分析，對軟件系統的實現過程和系統質量進行評估，分析系統存在的隱藏缺陷，為預防和修復漏洞提供建議。

各個用戶家中的主控制器在上電之后，ESP8266無線網絡通信模塊會自動連接到本地覆蓋的無線網絡，將本次采集的數據通過無線網絡傳輸到物聯網平臺上。登錄物聯網平臺后，可以查看到各個用戶家中主控制器與平臺連接的狀態，并對各個用戶控制器進行溫度數據采集和控制指令的發送等。硬件控制端還可以根據當前溫度值自動控制電子閥門的開度。

4.2 控制器與電子閥門通信測試

在控制用戶家中的電子閥門時，采用一對多方案進行控制，即每一家用戶都有一個控制器和多個可控的電子閥門，方便總控制臺獲取當前用戶的環境信息后，進行不同房間電子閥門的定向控制。這樣可以保證用戶家中達到基本溫度后，關閉無用閥門，節約能源。

裝置安裝圖如圖7所示。

圖7 裝置安裝圖

本次設計的物聯網系統可以較為方便地安裝在用戶家中。只需要在適合的空間放置控制器，連接到WiFi網絡上，與物聯網平臺通信成功后，就可以對用戶家中的電子閥門進行開關的控制。總控制臺也可以設定用戶家中的溫度閾值，當溫度超過或低于閾值時，控制器會自動與總控制臺通信，從而執行關閉和打開閥門的操作；在控制閥門中，會根據當前至與閾值偏差來控制閥門的開度大小，進而保持室內的溫度恒定。

5 結束語

本文設計了一套基于物聯網的閥門遠程控制系統。該系統的創新點是設計了從主控制臺到分用戶主控制器再到電子閥門端一體化的流程，既有利于在這三端進行數據的通信，又有利于相關部門對不同用戶進行特定化的方案設計。系統在保證硬件成本的前提下，達到了節約能源，減少排放的目的。雖然本文對這一體化設計進行了研究，但是由于試驗條件、人力物力等多方面的限制，所以本文僅是對于想法的初步設計和簡單的測試，如果想對本文設計的方案進行一定的推廣和量產，還需要進一步的優化實踐，進行整體系統的完善。