基于HLink的智能供暖控制系統

魯柳婷

（江南大學物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122）

我國計劃2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和。北方地區冬季集中供暖產生大量碳排放，為實現“雙碳”目標，需要落實北方地區供暖的節能減排工作。傳統集中供暖方式存在供熱不均、無法按照需求或環境因素調節供熱量、缺少人機互動功能等問題。提高供暖系統的智能化程度、實現供熱計量是節能減排的有效措施。多數發達國家采用變流量動態控制系統，一次熱網所提供的蒸汽在換熱站通過熱交換變成民用生活熱水和二次采暖熱水，二次供水系統中帶有變頻調速電機水泵、電動調節閥、壓差控制器等多種儀器設備，結合成熟的供暖系統運行模式。

國內供暖控制可以分為控制閥門調節和二級管網調節。傳統二級管網調節存在水力失調問題。羅晶等[1]提出智能化二級管網平衡控制系統，利用室內溫度感知、溫度控制設備、云平臺智能化軟件和基于熱網大數據的智能建模技術，實現熱源、熱力站、熱網的協同控制。但系統不能夠自主調節，設備分布廣、類型多、檢查維修不便。控制閥調節分樓棟熱力入口調節閥調節和入戶調節閥調節。前者以熱力入口供回水溫差為指標調節流量，存在垂直水力失調問題；后者可以消除水力失調問題，但改造工程量大，調節和維修困難，調節過程緩慢。徐寶萍等[2]分析溫控閥控制與房間熱動態過程，建立包括溫控閥、房間動態特性等內容的模型，通過溫控閥波紋管內的壓力變化實現溫度調節。調節閥調節設備簡單，調節隔離；但智能化程度低，不能實現遠程操作和管理；需要大量人力成本管控和維修，應設置數據反饋和管控平臺。

1 系統設計與實現

1.1 系統框架

基于HLink的智能供暖系統分為物聯網平臺、邊緣網關和端設備三部分。Web界面用于實現信息反饋，人機交互；IoTDA作為物聯網平臺，可以進行接收數據、下發控制命令、制定控制策略等操作；物聯網關AR502H配置HLink Gateway容器，與物聯網平臺配對，可以進行數據、命令的處理和交互；以STM32F103 RCT6為核心的控制面板是主要端設備，開發板移植LiteOS操作系統并部署HLink Device，可以控制閥門的開閉，具有溫度、濕度傳感器模塊，收集環境數據。

基于HLink的智能供暖系統框架如圖1所示。

圖1 基于HLink的智能供暖系統框架

1.2 控制策略設計

（1）控制分水器下的單個閥門。通過控制閥門開啟個數實現對熱水流量的調節，實現熱量控制、分檔功能。電動閥門只設定開、閉兩種狀態，對比開啟閥門個數與場景內總閥門個數得出總開度。對不同開度下的供熱狀態進行試驗，將溫度控制過程分成五檔，對應五個供熱狀態。

（2）考慮不同場景、不同用戶的需要，系統首次供熱時，需要用戶自主設定溫度，再結合天氣狀況，將此時的調控信息作為該場景內的最佳調整狀態。每次開啟時，根據記錄的最佳調整狀態與當時的天氣狀況，計算合適的擋位進行調節。用戶手動改變擋位時，自動更新最佳調整狀態。

（3）場景內進行分區控制。部署系統時，需要區分長期供熱區、預約供熱區。在辦公樓中，公共使用空間和個人辦公室即為長期供熱區，以最早上班的員工為標準，提前30 min開啟；單獨隔離的會議室、無人辦公室等空間為預約供熱區，需要提前在系統上預約，全部員工下班后統一關閉供熱。

（4）場景的整體供熱需要根據法定假期、調休安排等內容進行控制。節假日期間自動關閉供熱，有需求時需要提前預約。

1.3 軟件設計

軟件設計的整個流程以HLink協議為核心。HLink是華為物聯網平臺的一個重要部件，用于實現IoT終端的智能連接智能聯動，可以不需要煩瑣的現場配置，實現設備的自動接入。

IoTDA為物聯網接入平臺，支持多網絡、多協議接入，提供多場景多語言的IoT Device SDK，屏蔽物聯網碎片化。利用物聯網平臺的HLink組件提供的MQTT消息接口接入邊緣計算物聯網關，進行數據、命令的收發；在云平臺中提供web網頁開發者API接口調用數據，接收web頁面的控制語句，下發相應的控制命令。云平臺可以通過彈性伸縮服務、云硬盤備份服務、統一身份認證等功能優化平臺的資源調度、數據存儲、安全保障，面向其他服務對象開發云上APP。

AR502H為邊緣計算物聯網關。在物聯網關內安裝配置HLink Gateway容器配對HLink。HLink Gateway容器對外提供MQTT消息接口，實現與云平臺的交互。向上提供云平臺端設備上傳的數據信息或接收云平臺控制命令；向下提供端設備業務命令，接收端設備數據；通過MessageFlow可以開發邊側APP，在物聯網關處即可開展業務聯動，減少上傳的數據量，便于云平臺的信息管理。

控制面板由液晶屏和STM32F103RTC6開發板組成。STM32接收命令后，經過程序處理，通過433射頻通信控制分水器的各個分支閥門開閉，433通信穿透性強、通信簡單；傳感器得到的環境信息和閥門開閉狀態、運行狀態通過WiFi模塊上發。STM32F103RCT6芯片內移植LiteOS操作系統，用于部署HLink SDK。LiteOS支持MMU、內核和APP空間隔離、APP之間空間隔離；支持POSIX接口，方便開源軟件的使用。

網頁后端開發者利用云平臺提供的API接口調用數據，呈現在界面中。用戶可以通過菜單欄檢索各個場地信息，包括溫度、濕度、熱量等內容；提供預警系統、管理調控、系統維護、遠程監管等功能。

1.4 硬件設計

硬件包括以STM32F13RCT6芯片為核心的控制面板和電動閥門。

控制面板設計中包括溫濕度傳感器、WiFi通信、433通信、液晶屏等模塊。單片機以5 s為間隔采集溫濕度信息，每5 min計算一次平均溫濕度，通過WiFi模塊上傳數據，顯示在液晶屏上；接受控制命令時，通過433通信協議與電動閥門通信，控制其開閉狀態。

控制面板安裝在墻壁上，通過液晶屏顯示溫濕度、時間等信息。溫濕度傳感器采用AHT21，響應迅速、抗干擾能力強、性價比高。WiFi模塊采用BW16，支持2.4GHz或5GHz的WLAN和低功耗藍牙5.0。433通信模塊采用的是CMT2300A，具有超低功耗、高性能，適用于140～1 020 MHz無線應用的OOK，（G）FSK射頻收發器，選擇433 MHz作為射頻通信頻段。

在每個單元的分水器的支管上安裝電動閥門。電動閥門采用開、閉兩種運行模式，簡化調節過程和控制算法；單個場景內具有多個此類型的電動閥門，可以調整閥門開啟個數，控制供熱擋位。供暖過程具有較大的滯后性、慣性。電動閥門不需要考慮開度等問題，控制簡單、安裝維修方便，單個閥門故障不會影響整體的控制效果，具有應用價值。

2 系統展示

2.1 軟件界面展示

系統軟件界面如圖2所示。

圖2 系統軟件界面

2.2 硬件設計展示

各結構硬件設計如圖3所示。

圖3 各結構硬件設計

3 結語

采用簡化的電動閥門降低對閥門控制的難度，可以實現不同擋位的水流量的調節；入戶調節閥實現單元與單元之間隔離，調節過程不會互相影響，避免聯動問題；加入物聯網關、物聯網平臺等內容實遠程監控、預警；結合場景人流量、工作作息、法定假日、外界環境等內容制定相應的控制策略，實現智能、人性化控制調節；采用HLink協議，簡化部署過程和部署方式，縮短工程周期，達到節能減排的目的。