城市分戶供暖系統的研究

麻少軒 岳巨恒 曹鳳才

摘? 要：城市分戶供暖系統的研究提出了一種基于物聯網的集中供暖分戶熱計量系統，在溫度面積法的熱量分攤方案的基礎上，引入無線通信技術，建立了一種無線集中供暖分戶計量系統。系統選擇了無線傳感器網絡進行熱量數據采集，建立了基于RSSI的機會路由的數據采集方法，同時還引入管理服務器進行遠程終端和控制，實現了遠程數據采集和管理目的，從而實現了這種集中供熱分戶計量方案。

關鍵詞：集中供暖;機會路由;數據采集;控制系統

中圖分類號：TU832.1? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）20-0169-03

Research on Urban Household Heating System

MA Shaoxuan1，YUE Juheng2，CAO Fengcai3

（1.Inner Mongolia Mengdong Energy Co.，Ltd.，Hulunbuir? 021099，China;2.Shanxi Luneng Hequ Power Generation Co.，Ltd.，Xinzhou? 036599，China;3.School of Electrical and Control Engineering North University of China，Taiyuan? 030051，China）

Abstract：The research on urban household heating system puts forward a central heating household heat metering system based on the internet of things. On the basis of the heat apportion scheme of the temperature area method，wireless communication technology is introduced to establish a wireless central heating household metering system. The system selected a wireless sensor network for thermal data collection，established an RSSI-based opportunistic routing data collection method，and also introduced a management server for remote terminals and control to achieve the purpose of remote data collection and management，and finally achieved this central heating household heat metering plan.

Keywords：central heating;opportunistic routing;data collection;control system

0? 引? 言

目前北方的供暖方式大都采用的是集中供暖，尤其是地市級城市和縣城，這種供暖方式的優點是管路簡單，但在進行供暖計費時，采用的方法大都是根據加熱面積來進行計費，這種方法很難滿足節能減排的要求，存在很大的資源浪費，并且導致環境和空氣的污染較為嚴重，同時用戶的熱舒適性也難以滿足。基于以上問題，本文研究了一種城市分戶供暖系統，利用無線傳感器組網，根據供熱站對各用戶所提供的熱量來進行計費，這樣能很好地滿足家庭溫度測量要求。也就是基于溫度面積法的分戶計量方法，設計并建立相應的供暖分戶熱計量系統。為滿足數據傳輸安全性要求，用管理服務器對遠程終端和秘鑰的管理模式，更好地進行監管。

1? 系統整體設計

這種系統的組成單元主要有收集終端用戶組，管理、網絡、程序服務器，而其中的終端用戶組包含的單元主要有獲取終端和協調中心節點;在系統運行過程中程序服務器可采集和存儲遠程控制指令，且進行一定的數據處理操作;網絡服務器則進行一定接口配置操作;而相應的管理服務器則可起到主要控制功能，在運行中管理服務器可對其他單元進行適當的協調。用戶的密碼功能在移動設備和Web終端上操作，且能監控設備是否正常運行及故障提示。

2? 系統設計分析

2.1? 熱量分配處理

本系統主要通過溫度面積法進行熱量分配處理。溫度面積法的操作難度小，在實際的應用中，主要是將室內溫度控制器安裝在用戶室內，從而可滿足相應的溫度測量要求。溫度檢測閥安裝在建筑物的熱量入口處，就可確定出單個建筑物的熱量，在熱量分配時基于用戶區域和舒適度處理，也可以有效地避免鄰居之間負荷分配不均引起的熱分布不均的問題。

溫度面積法在應用中需要基于熱用戶的熱損失進行相應耗熱量計算，對應的表達式如下：

Q0=qv∫（tin-tout）dt

其中，Q0為熱用戶在供暖條件下對應消耗熱量，v為不熱用戶房間體積，t為溫度。在實tin為熱用戶輸入溫度，tout為輸出溫度。際的計算過程中對一個單棟建筑，結構保持一致情況下，q基本上不變，同樣的室外溫度情況下，對比分析可知耗熱量只與室內溫度有關。

當滿足同一建筑物中不同位置用戶的中等熱量要求時，根據適當的關系分配熱量，以滿足相同的舒適性要求需要，在此建立了相應的溫度采集機制。

2.2? 供暖分戶計量系統體系結構

針對溫度面積法進行熱量分配時，溫度檢測設備容易安裝，且對應的數據傳輸可靠性也明顯的提高，可更好地滿足舒適度要求，這些是設置熱量計量系統的主要考慮因素。本文對此進行具體分析而選擇了基于物聯網的集中供熱和家庭供熱計量系統。

2.3? 用戶采集終端

溫控器節點在安裝過程中一般都部署在熱用戶房間內部，可用于對室內溫度進行檢測，也可以根據用戶設定的溫度，而對球形閥門的開度進行調節，從而調節室內溫度舒適性要求。

本文在研究過程中綜合各方面因素進行分析，選擇了電子式溫控器進行溫度信號的采集[2]。這種溫控器測量溫度時應用了電阻感溫模式，其特征表現為穩定性高、體積小，有極高的適用性，在分戶計量系統中的應用比例較高[3]。

溫控器的組成單元包括無線通信模塊，LCD斷碼顯示屏、按鈕按鍵、控制單元和傳感器等。其硬件原理框圖如圖1所示。

3? 數據采集方法的實現

協調中心節點簡稱協調器節點。終端用戶組中的協調器運行期間，數據主要基于無線網絡與服務器交換，而內部節點則依靠無線傳感器網絡進行數據通信[4]。無線網絡通信優勢為：

（1）安裝和布線簡單，在安裝過程中不需要大量的改造住戶房間，相應的布線成本較低，有較高的適用性。

（2）適應性較好。對不同類型的建筑都可滿足應用要求。

（3）擴展性高。

不過這種傳輸模式也有一定的缺陷，具體表現為數據傳輸的可靠性無法保障。本文在研究過程中具體分析了這種問題，設計了基于RSSI的無線機會路由的數據采集模式，且根據先前劃分的節點優先級結果，建立協調器節點到目的節點的傳輸路徑。在回傳數據期間，轉發節點的環境數據，這樣可大幅度減少采集時間。

協調器節點采集相關的程序偽代碼為：

for i=1 to ThermostatNum do? ? // Thermost atNum表示溫控器節點個數

if ！Is Collected. （i） then? ? ? ? //溫控器節點i是否已經被采集過

SenC ol lect D ata Frame （i）? ? ? ? ?//構造數據采集命令幀，并通過si4432芯片發送

OpenTimer （i）? ? ? ? ?//開啟定時器等待備選節點回復ACK

end if? ? ? ? ? ? ? ?//處理定時器中斷

function Timer IRQHandler （message） do

If ReceiveAck then? ? //判斷是否接受到來自備選節點的ACK確認

Retransmission （message）? //對該數據進行重傳

Else

Broadcast （message）? ? ? //廣播ACK數據包，收到該數據包備選節點清空發送緩存

end if

end f unction

備選節點在實際的運行過程中收到來自發送節點信息情況下，應該根據接收到的RSSI信號強度進行分析，確定出優先級，基于此優先級結果而適當地進行時間退避和回傳ACK操作，滿足對應的通信功能要求。在實際的應用過程中，通過上述操作就可以滿足溫度數據的遠程采集要求，且對節點進行遠程控制，同時傳輸采集的溫度信息到服務器[5-7]。對比分析可知這種方式的數據傳輸可靠性明顯的提高，可更好地滿足應用要求，此外節點拓展性增強，因而總體上看表現出較高的應用價值。

數據采集和傳輸的可靠性對這種系統的功能實現有重要的意義，可有效地保證數據的實時性，且可滿足相應的精確性要求。而溫度精度是測量溫度面積主要影響因素，因而應該對其精度進行高效的控制。基于溫度面積法的熱測量系統在實際的應用過程中由于缺少監視手段，若同一建筑物中某一熱用戶長時間打開窗戶或干擾溫度傳感器等異常行為，導致大量的熱損失造成室溫較低。這些流失的熱量使同一建筑物中的其他熱用戶的熱量就會被造成熱損失的用戶共享，這是不均衡且不合理的。

在進行計費分攤時，為保證用戶熱量分攤的公平性，對這種異常行為引發的熱量損失，一般當作為住戶熱費的可調部分，在此基礎上進行計算和分攤，更好地滿足分攤要求。

4? 系統測試

系統實現了基于RSSI機會路由的數據采集算法，接著實現了基于物聯網的集中供暖分戶熱計量系統，且對其進行運行分析。在過程中根據實時的運行結果，帶入相關的參數而對供熱數據進行監測，根據設定的判斷依據進行分析，確定出是否存在異常用熱，在發現異常情況下進行報警提示，在計算分析過程中，可基于相應實際的室內外溫度、閥門開度相關的參數進行計算，從而確定出其中各用戶用熱情況，且根據歷史數據進行分析，確定出是否符合用熱規律，然后根據分析所得結果對用戶是否存在異常用熱進行判斷分析。測試結果如表1所示。

由表1中8點到12點的用戶熱量消耗數據中，室外溫度上升了4.1℃，閥門開度基本不變情況下，而室內溫度下降了2℃，從可以判定，該用戶存在異常用熱情況。由此，管理服務器即可進行熱量協調，同時也是計費參考依據。

5? 結? 論

傳統的供熱系統在應用中沒有進行終端用戶的監督，不能滿足用戶舒適度需求，且可能導致盜熱問題，因而有明顯的應用局限性，偏離國家節能減排發展方向。本文對這些問題進行具體分析，并參考此方面的大量文獻而設計了一套基于物聯網的分戶熱計量系統，且實現了其功能。對用戶異常用熱行為可進行監控，進行合理的用熱管理。這樣可更好地滿足熱用戶舒適度要求，有利于形成良好的節能意識。

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作者簡介：麻少軒（1986.03—），男，回族，山東德州人，主控機組長，助理工程師，本科，研究方向：火電廠熱控自動化技術。-