基于無(wú)線通信技術(shù)的熱泵供熱控制系統(tǒng)的研究

薛蕊

摘要：節(jié)能環(huán)保是現(xiàn)今社會(huì)發(fā)展的重要主題，并有更多的新技術(shù)得到了開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。其中，熱泵技術(shù)是目前較為新興的制熱技術(shù)，具有高效、免維護(hù)以及節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。在文章中，將就基于無(wú)線通信技術(shù)的熱泵供熱控制系統(tǒng)進(jìn)行一定的研究。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信技術(shù)；熱泵供熱；控制系統(tǒng)

一、引言

供熱是建筑建設(shè)中的重要工作內(nèi)容，只有實(shí)現(xiàn)供熱的穩(wěn)定性，才能夠?qū)ㄖ用竦木幼∫筮M(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在傳統(tǒng)建筑的供熱方式中，其僅僅是對(duì)整個(gè)建筑進(jìn)行供熱，不僅不能夠單獨(dú)實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的房間溫度控制，且不能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的及時(shí)調(diào)整。而隨著近年來(lái)我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)該類問(wèn)題的解決提供了可能。通過(guò)無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用，則能夠以無(wú)線控制的方式對(duì)熱泵供熱實(shí)現(xiàn)控制，在根據(jù)人們意愿對(duì)溫度進(jìn)行控制的同時(shí)對(duì)人們的居住需求進(jìn)行滿足。

二、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在該無(wú)線控制系統(tǒng)中，其可以分為兩個(gè)模塊：無(wú)線集控器以及溫控器模塊。其中，無(wú)線溫控器同無(wú)線網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備相對(duì)應(yīng)，通過(guò)溫度傳感器的應(yīng)用對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行檢查，在做好設(shè)定值溫度的相關(guān)運(yùn)算之后，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊的應(yīng)用對(duì)信息進(jìn)行傳輸，使其能夠發(fā)送到系統(tǒng)的控制模塊當(dāng)中。而當(dāng)控制模塊對(duì)相關(guān)的信息完成接收之后，則會(huì)向外圍設(shè)備對(duì)控制指令進(jìn)行發(fā)揮，以此對(duì)室內(nèi)溫度的控制功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。無(wú)線集控器方面，則同網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)線路由設(shè)備將對(duì)室內(nèi)溫度信息進(jìn)行發(fā)出，這部分信息在通過(guò)RS232傳輸?shù)接?jì)算機(jī)之后由其對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)處理。同時(shí)，在計(jì)算機(jī)以及電控板模塊間，也通過(guò)串口的方式進(jìn)行連接，在對(duì)PC發(fā)出命令進(jìn)行接收的同時(shí)對(duì)熱泵機(jī)組的運(yùn)行進(jìn)行控制。

（二）硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)方面，無(wú)線集控器以及溫控器分部隸屬于不同的功能設(shè)計(jì)，對(duì)此，各自在硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上面也具有較大的不同。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方面，主要由無(wú)線通信、電源模塊、微控制器以及數(shù)據(jù)采集等模塊組成。在該系統(tǒng)中，無(wú)線節(jié)點(diǎn)可以說(shuō)是非常重要的一項(xiàng)內(nèi)容，其運(yùn)行的穩(wěn)定與否將直接對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行產(chǎn)生影響，對(duì)此，就需要保證其能夠具有可靠、簡(jiǎn)單的特征。在本系統(tǒng)中，對(duì)Atemga128L芯片進(jìn)行了應(yīng)用，能夠在對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理的同時(shí)做好數(shù)據(jù)的發(fā)送。射頻方面，使用的為CC2420芯片，對(duì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，即對(duì)于數(shù)據(jù)的收發(fā)以及采集。電源模塊的功能則是對(duì)模塊能量進(jìn)行提供與管理，保證能源應(yīng)用的最大化。

（三）軟件設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，其主程序可以分為三個(gè)部分，即不同節(jié)點(diǎn)類型的配置以及應(yīng)用源文件、協(xié)議棧源程序以及其他文件類型。源文件方面：第一，SymboTime.c，為系統(tǒng)定時(shí)器中斷以及時(shí)間設(shè)定功能；第二，Zapl.h，即協(xié)議棧對(duì)應(yīng)用層所提供的接口類型文件，是該程序中的協(xié)議棧源文件；第三，zAPS.c.h，為系統(tǒng)APS層的協(xié)議源文件。應(yīng)用源文件方面：第一，RFD.c、Router.c，為系統(tǒng)不同類型節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用源文件；第二，myZigBee，為節(jié)點(diǎn)能量、簡(jiǎn)單、網(wǎng)絡(luò)模式以及定義節(jié)點(diǎn)描述符的值；第三，ZigBee.def，其中對(duì)節(jié)點(diǎn)的基本信息常量進(jìn)行了定義，如節(jié)點(diǎn)類型、節(jié)點(diǎn)地址以及其波特率等。其他源文件方面：第一，Compile.h，編譯器相關(guān)定義；第二，Console.c.h，串行接口代碼；第三，Generic.h，部分類型以及常量定義。

在該系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)中，在對(duì)不同ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，都嚴(yán)格對(duì)以下步驟進(jìn)行了遵循：第一，對(duì)需要應(yīng)用的配置文件進(jìn)行確定；第二，對(duì)應(yīng)用端口結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定；第三，對(duì)應(yīng)用工程目錄進(jìn)行建立，將同本工程具有聯(lián)系的協(xié)議棧文件放入到該目錄當(dāng)中；第四，對(duì)基于設(shè)備設(shè)置、端口類型以及設(shè)備類型的文件進(jìn)行創(chuàng)建；第五，對(duì)主程序進(jìn)行編寫(xiě)。在該環(huán)節(jié)中，首先對(duì)協(xié)議棧、硬件以及其他變量進(jìn)行初始化，之后，使全局在終端的情況下進(jìn)入到無(wú)限循環(huán)當(dāng)中，對(duì)ZigBeeTasks子程序進(jìn)行執(zhí)行，根據(jù)執(zhí)行過(guò)程對(duì)原語(yǔ)狀態(tài)進(jìn)行改變，并在進(jìn)入到不同協(xié)議棧層級(jí)中對(duì)相應(yīng)的操作進(jìn)行執(zhí)行。

三、熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)

（一）機(jī)組控制過(guò)程

對(duì)于熱泵技術(shù)來(lái)說(shuō)，其基于逆卡諾循環(huán)處理，可以說(shuō)是一種能量提升裝置，能夠以此使熱量從較低的溫度對(duì)較高溫度的物體進(jìn)行傳遞，即在從周圍環(huán)境對(duì)熱量進(jìn)行吸取后向?qū)ο筮M(jìn)行傳遞。在該研究中，通過(guò)空氣源熱的方式對(duì)供暖進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，對(duì)于該熱水器設(shè)備來(lái)說(shuō)，在卡諾循環(huán)原理的基礎(chǔ)上通過(guò)壓縮機(jī)對(duì)做功進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，使熱媒因此產(chǎn)生氣-液-氣的物理相變，并在該種循環(huán)的過(guò)程中對(duì)放熱以及吸熱進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，在對(duì)空氣中存在的熱能進(jìn)行吸取的同時(shí)使冷水逐步升溫。

（二） 機(jī)組采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1. 硬件設(shè)計(jì)

在本研究的采集系統(tǒng)中，將AD7793作為ADC模塊，具有著低噪音以及低功耗的特點(diǎn)，能夠較為完整的實(shí)現(xiàn)前段模擬，其中，具有一個(gè)低噪音特征的AD，具有3個(gè)差分模擬，并通過(guò)低噪音儀表放大器的繼承能夠?qū)π盘?hào)的直接輸入進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，非常適合應(yīng)用在高精度測(cè)量工作當(dāng)中。同時(shí)，其內(nèi)部具有著低漂移、低噪聲的基準(zhǔn)電壓源，且能夠?qū)ν獠坎罘只鶞?zhǔn)電壓進(jìn)行采用，其他特性方面，則具有著熔點(diǎn)電流、可編程激勵(lì)電流等。AD7793在運(yùn)行中，能夠?qū)ν獠繒r(shí)鐘以及內(nèi)部時(shí)鐘工作進(jìn)行應(yīng)用，且能夠通過(guò)軟件編程的方式對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，即在4.18Hz至460Hz間調(diào)整。同時(shí)，其能夠?qū)?.5V電壓進(jìn)行提供，以此對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽恳约熬_性進(jìn)行了保證，同時(shí)，該系統(tǒng)以兩片模擬開(kāi)關(guān)的應(yīng)用對(duì)信號(hào)采集的多通道進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，并對(duì)采集通道進(jìn)行了增加，能夠?qū)σ黄酒瑢?duì)多組參數(shù)進(jìn)行采集的要求進(jìn)行了滿足。

2. 軟件設(shè)計(jì)

軟件方面，通過(guò)寄存器讀寫(xiě)命令的應(yīng)用，則能夠?qū)ο嚓P(guān)數(shù)據(jù)從AD7793中的寫(xiě)入以及讀出進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在數(shù)據(jù)讀寫(xiě)方面，即通過(guò)通信寄存器的讀寫(xiě)配置對(duì)其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，在該過(guò)程中，移位寄存器是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，相關(guān)數(shù)據(jù)需要在其中對(duì)控制以及轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。而在實(shí)際開(kāi)展讀寫(xiě)之前，也需要做好寄存器的配置工作，在對(duì)指令進(jìn)行寫(xiě)入之后，需要及時(shí)做好24位數(shù)據(jù)的跟進(jìn)，之后對(duì)24個(gè)連續(xù)的串行始終脈沖進(jìn)行跟進(jìn)。

（三）電子膨脹閥PID控制

1. 性能研究

在本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，節(jié)流元件為電子膨脹閥，對(duì)于該設(shè)備來(lái)說(shuō)，其在應(yīng)用中能夠?qū)χ评鋭┻M(jìn)入到設(shè)備的量進(jìn)行控制，可以說(shuō)直接關(guān)系實(shí)際系統(tǒng)的制冷效果。雖然熱力膨脹閥作為一種節(jié)流元件類型在現(xiàn)今系統(tǒng)中得到了較多的應(yīng)用，但電子膨脹閥同其相比具有更多的優(yōu)勢(shì)：第一，其動(dòng)作速度更快，僅僅需要幾秒鐘就能夠?qū)崿F(xiàn)從關(guān)閉到全部打開(kāi)的操作，且在運(yùn)行中不存在過(guò)熱度問(wèn)題；第二，對(duì)低溫度具有較好的適應(yīng)性，而對(duì)于熱力膨脹閥來(lái)說(shuō)，如果其所處的環(huán)境溫度較低，其感溫介質(zhì)在壓力變化方面則逐漸減小，并因此對(duì)其調(diào)節(jié)性能產(chǎn)生了較大的影響。同其相比，電子膨脹閥在較低的溫度環(huán)境下也能夠以快速、準(zhǔn)確的方式進(jìn)行過(guò)熱度變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)流程的科學(xué)調(diào)節(jié)；第三，其過(guò)熱度設(shè)定值可以調(diào)整，能夠根據(jù)實(shí)際需求對(duì)相應(yīng)的設(shè)定值進(jìn)行改變。

2. 硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)電子膨脹閥的控制，也就是對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于電子膨脹閥來(lái)說(shuō)，其由傳感器、控制器以及執(zhí)行器這幾部分組成，即先對(duì)傳感器采集獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，在處理完成后向電控板對(duì)控制指令進(jìn)行發(fā)出，之后再由電控板經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路向電子膨脹閥輸出電信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電子膨脹閥動(dòng)作。在本系統(tǒng)中，所使用的驅(qū)動(dòng)電路為MAX504，具有低功耗的特征，在上電過(guò)程中，其內(nèi)部DAC將復(fù)位為0，而當(dāng)CLR處于低電平狀態(tài)時(shí)，寄存器也將置0。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以將BIPOFF同AGND實(shí)現(xiàn)連接，在將RFB同VOUT進(jìn)行連接的同時(shí)配置成增益為2的模式，在該模式下，MAX504不僅能夠以單電源的方式開(kāi)展工作，也可以雙電源同時(shí)完成工作任務(wù)。

四、結(jié)語(yǔ)

在上文中，我們對(duì)基于無(wú)線通信技術(shù)的熱泵供熱控制系統(tǒng)進(jìn)行了一定的研究，需要在實(shí)際設(shè)計(jì)中能夠把握重點(diǎn)，更好的發(fā)揮系統(tǒng)功能。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：大唐保定供熱有限責(zé)任公司）