智能無線地暖集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

左 婭

太原市電子研究設(shè)計(jì)院，山西太原 030024

1 概述

近些年來，地暖系統(tǒng)因其控制靈活，節(jié)能環(huán)保，節(jié)省室內(nèi)空間等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。地暖常見的調(diào)節(jié)方式是手動(dòng)調(diào)溫，這種地暖系統(tǒng)是被動(dòng)的?，F(xiàn)在的很多電器設(shè)備已經(jīng)智能化，利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信、電力自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和無線電技術(shù)，將各種家電有機(jī)的結(jié)合起來，通過集中的管理監(jiān)控，讓智能電器具有能動(dòng)性智能化的工具[1]。地暖智能化是地暖發(fā)展的方向，我們所需要的智能地暖集中監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)全方位的信息交換功能，智能的自我狀態(tài)控制功能和報(bào)警功能。

2 智能地暖集中監(jiān)控系統(tǒng)的組成和工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由4部分組成：溫控節(jié)點(diǎn)、通信頻道、收發(fā)控制器、上位機(jī)監(jiān)測(cè)控制軟件。

溫控節(jié)點(diǎn)其實(shí)就是溫控面板，溫控面板安裝在每個(gè)房間里，這個(gè)部分主要的功能是監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度，采集溫度信息，將溫度信息發(fā)送到上位機(jī)，同時(shí)根據(jù)室內(nèi)溫度智能控制地暖的溫度參數(shù)和工作狀態(tài)。通信頻道為數(shù)據(jù)和命令的傳輸提供專門的頻道。收發(fā)控制器是溫控節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)連接的中轉(zhuǎn)設(shè)備[1]。收發(fā)控制器將溫控節(jié)點(diǎn)所采集到的溫度數(shù)據(jù)接收回來，再通過串口將這些數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)軟件；同時(shí)它將上位機(jī)軟件所發(fā)出的命令信息發(fā)送到指定的溫控節(jié)點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小的系統(tǒng)中，收發(fā)控制器有一個(gè)，若系統(tǒng)規(guī)模較大，可以設(shè)置多個(gè)收發(fā)控制器，并將一個(gè)設(shè)置為主收發(fā)器，其它為從收發(fā)器。上位機(jī)監(jiān)測(cè)控制軟件則是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，它的主要任務(wù)是初始化變量和控件，等待串口數(shù)據(jù)，收到完整數(shù)據(jù)包后，會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)包中的關(guān)鍵字進(jìn)行不同的處理，提取出正確的溫度信息和溫控節(jié)點(diǎn)地址，并將數(shù)據(jù)顯示出來；發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)發(fā)送目標(biāo)地址計(jì)算發(fā)送路徑，將命令發(fā)送到正確的溫度終端。為了減少溫控節(jié)點(diǎn)的代碼量，系統(tǒng)中有很多的數(shù)據(jù)處理是在上位機(jī)中進(jìn)行的。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的選擇

本系統(tǒng)采用的技術(shù)是無線自組網(wǎng)技術(shù)，是一種沒有預(yù)定的基礎(chǔ)設(shè)施支撐的自組織可重構(gòu)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)[2]。此網(wǎng)絡(luò)有兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別是平坦結(jié)構(gòu)和層次結(jié)構(gòu)。

平坦結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)比較簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò)中所有的溫控節(jié)點(diǎn)是對(duì)等的，網(wǎng)絡(luò)管理比較簡(jiǎn)單，開銷小，適合于小型自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)；層次結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜，按區(qū)域劃分，每個(gè)區(qū)域有各自的區(qū)域主節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)管理較平坦結(jié)構(gòu)要復(fù)雜，開銷大，適合于大型自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小，故選擇采用平坦結(jié)構(gòu)。

2.3 工作原理

每個(gè)溫控節(jié)點(diǎn)和與它相鄰的溫控節(jié)點(diǎn)通過天線相互連接，組成無線網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)溫控節(jié)點(diǎn)將采集到的溫度信息通過無線頻道傳遞到收發(fā)控制器，收發(fā)控制器通過串口將溫度信息上傳到上位機(jī)，上位機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，再根據(jù)接收到的信息將命令發(fā)送到目標(biāo)溫控節(jié)點(diǎn)，目標(biāo)溫控節(jié)點(diǎn)執(zhí)行接收到的命令[3]。

3 智能無線地暖集中監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)

智能無線地暖集中監(jiān)控系統(tǒng)采用無線自組網(wǎng)技術(shù)，這個(gè)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

1）動(dòng)態(tài)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)多變的網(wǎng)絡(luò)，所以基于此技術(shù)的智能無線地暖集中監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也是多變的。本系統(tǒng)采用的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)為平坦式結(jié)構(gòu)，每個(gè)溫控節(jié)點(diǎn)都是對(duì)等的，沒有主要和次要之分，只是把網(wǎng)絡(luò)的控制功能分配到各個(gè)溫控節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的建立和調(diào)整是通過相互配合實(shí)現(xiàn)[4]。當(dāng)系統(tǒng)中的某個(gè)溫控節(jié)點(diǎn)被破壞時(shí)，也不會(huì)引起整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，提高了網(wǎng)絡(luò)的抗毀性，但也使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，同時(shí)溫控節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)弱和電磁波等干擾也會(huì)隨時(shí)影響網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且變化的形式和變化周期都是不可預(yù)測(cè)的[5]；

2）不依賴基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，自適應(yīng)組網(wǎng)。該系統(tǒng)組網(wǎng)時(shí)不依賴任何基站等硬件網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)溫控節(jié)點(diǎn)根據(jù)一種自組織原則相互協(xié)調(diào)工作，協(xié)調(diào)組網(wǎng)，自動(dòng)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，自動(dòng)選擇傳輸路徑，自動(dòng)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)整體[3]。正因?yàn)闊o線自組網(wǎng)具備這樣的特點(diǎn)，所以地暖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)溫控節(jié)點(diǎn)的安裝就非常方便，不必考慮布線的問題，特別是在復(fù)雜環(huán)境下的布線，而且不必?fù)?dān)心線路故障的問題，便于日后的檢查和維修；

3）溫度節(jié)點(diǎn)也是路由器。溫控節(jié)點(diǎn)的信號(hào)覆蓋范圍是有限的，當(dāng)這個(gè)節(jié)點(diǎn)需要跟它信號(hào)覆蓋范圍外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)就需要通過中間溫度節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳遞轉(zhuǎn)發(fā)，所以系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)還扮演著路由器的角色，擔(dān)任轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)命令和尋找路由的任務(wù)[2]。這樣可以省去系統(tǒng)中的路由器，降低成本；

4）溫控節(jié)點(diǎn)能源充沛，手動(dòng)自動(dòng)一體控制。本系統(tǒng)的溫控節(jié)點(diǎn)電源供給由220V交流電提供，本系統(tǒng)溫控節(jié)點(diǎn)工作電壓為直流3.3V。在溫控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，我們加入了電壓轉(zhuǎn)換模塊，可以將220V交流電壓轉(zhuǎn)換為直流3.3V電壓，這樣就不必?fù)?dān)心溫控節(jié)點(diǎn)能量不足的問題。同時(shí)溫控節(jié)點(diǎn)也設(shè)計(jì)有手動(dòng)調(diào)節(jié)功能，可以根據(jù)自己的舒適度來調(diào)節(jié)溫度高低。

4 關(guān)鍵技術(shù)問題

4.1 路由協(xié)議

由于該系統(tǒng)的多跳傳遞轉(zhuǎn)發(fā)特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的不可預(yù)測(cè)性，要求網(wǎng)絡(luò)能及時(shí)進(jìn)行重新組合，所以要求制定的路由協(xié)議要及時(shí)感知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，對(duì)于溫控節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)和任何一個(gè)溫控節(jié)點(diǎn)的開關(guān)狀態(tài)，信號(hào)強(qiáng)弱導(dǎo)致的鏈接狀態(tài)的變化要作出感知，同時(shí)在感知后及時(shí)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，重新組網(wǎng)，尋找數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)最優(yōu)路徑，使通信保持暢通。

該無線網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)與上位機(jī)相連接的收發(fā)控制器節(jié)點(diǎn)和若干溫度節(jié)點(diǎn)。收發(fā)控制器節(jié)點(diǎn)上電初始化后就進(jìn)入低功耗模式。溫度節(jié)點(diǎn)隨機(jī)布放，上電初始化后，溫度節(jié)點(diǎn)首先會(huì)向收發(fā)控制器節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求分配級(jí)別的命令，然后進(jìn)入低功耗狀態(tài)并打開定時(shí)器。若在設(shè)定時(shí)間內(nèi)收到收發(fā)控制器節(jié)點(diǎn)分配的級(jí)別，該溫度節(jié)點(diǎn)就會(huì)向收發(fā)控制器節(jié)點(diǎn)發(fā)送自組織信息的數(shù)據(jù)包。如果在設(shè)定時(shí)間內(nèi)沒有收到收發(fā)控制器節(jié)點(diǎn)分配的級(jí)別，該溫度節(jié)點(diǎn)會(huì)從低功耗狀態(tài)喚醒，再次發(fā)送請(qǐng)求分配級(jí)別的命令，如此循環(huán)。定時(shí)時(shí)間到，溫度節(jié)點(diǎn)重新回到發(fā)射廣播命令狀態(tài)。當(dāng)溫度節(jié)點(diǎn)發(fā)射廣播的次數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，該溫度節(jié)點(diǎn)就會(huì)將接收到的應(yīng)答信息進(jìn)行整理，確定自己在網(wǎng)絡(luò)中的級(jí)別，并確定上級(jí)、同級(jí)和下級(jí)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息。該溫度節(jié)點(diǎn)再向上級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含這些信息的數(shù)據(jù)包，直到數(shù)據(jù)包傳送到收發(fā)控制器節(jié)點(diǎn)，從而確定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4.2 安全問題

在自組織網(wǎng)絡(luò)中采用的是無線傳輸，無線信道本身的物理特性是：衰減大，干擾大，多徑效應(yīng)等。所以基于這樣的物理特性，會(huì)造成溫控節(jié)點(diǎn)的信號(hào)減弱，數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)時(shí)間變長(zhǎng)，更嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失[4]。此問題是無線信道本身的物理特性決定的，我們除了將天線設(shè)計(jì)成為整體PCB環(huán)行差分天線以外，在軟件上加大了每個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)的采樣頻率，在單位時(shí)間內(nèi)，在不產(chǎn)生相互干擾的情況下，多發(fā)送幾次溫度信息，由于地暖監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)溫度信息采集的實(shí)時(shí)性要求不高，所以在實(shí)驗(yàn)中證明，這樣的解決方案也是適用的。

5 結(jié)論

對(duì)智能無線地暖集中監(jiān)控系統(tǒng)的研究是為了完善傳統(tǒng)地暖控制中存在的不足之處，將無線自組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在地暖中進(jìn)行無線智能程控是該系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)，通過了解現(xiàn)有的地暖產(chǎn)品和技術(shù)的基礎(chǔ)上，以及通過總結(jié)我們?cè)诎惭b使用過程中存在的問題，便考慮將無線自組網(wǎng)技術(shù)和傳感技術(shù)集成應(yīng)用在地暖中。通過不斷的實(shí)驗(yàn)和完善，結(jié)果顯示通過集成無線自組網(wǎng)技術(shù)，可以克服現(xiàn)場(chǎng)條件不理想時(shí)布線困難的問題，節(jié)約施工成本，方便了故障排查；同時(shí)通過集中監(jiān)控減少了電力資源的浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)能的效果。通過對(duì)本系統(tǒng)的不斷完善，它不但可以應(yīng)用在辦公樓、學(xué)校等公共場(chǎng)合，它智能調(diào)溫的特點(diǎn)還可以應(yīng)用在家庭中。

[1]M.Cavalletti,null,G.Ippoliti,et al.Intelligent control for a remotely operated vehicle[J].International Journal of Systems Science，2009，40.

[2]甄巖，李祥珍.移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與應(yīng)用展望[J].數(shù)字通信，2010，5：31-33.

[3]Sun,Jinyuan.An Identity-Based Security System for User Privacy in Vehicular Ad Hoc Networks[J].IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems，2010，21.

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