基于ZigBee技術(shù)的太陽能輻射采暖監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉永濤++吳金順+楊曉東

摘 要： 現(xiàn)有的太陽能地板輻射采暖控制系統(tǒng)存在智能化程度不高，不能充分利用太陽能集熱器熱能等諸多問題。因此設(shè)計(jì)一款基于ZigBee技術(shù)的高效、安全、智能化控制系統(tǒng)。裝置采用TFT觸摸屏為操控終端，采用模塊化功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。白天能夠根據(jù)外界光照強(qiáng)度自動(dòng)啟動(dòng)和停止外循環(huán)結(jié)構(gòu)，夜間及陰天自動(dòng)啟動(dòng)內(nèi)循環(huán)及電輔熱系統(tǒng)。結(jié)果表明，電輔熱啟動(dòng)期間可以根據(jù)用戶需求任意設(shè)定供暖房間和供暖時(shí)間，達(dá)到動(dòng)態(tài)供暖，有效節(jié)約電能并且最大程度上保證了室內(nèi)溫度的舒適平穩(wěn)。

關(guān)鍵詞： 高效節(jié)能； 無線測(cè)控； 動(dòng)態(tài)溫控； ZigBee； STM32

中圖分類號(hào)： TN915?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）22?0171?04

0 引 言

太陽能采暖是利用太陽能集熱器收集太陽能并結(jié)合輔助能源滿足采暖需求的系統(tǒng)，因此常稱為太陽能聯(lián)合系統(tǒng)[1]。太陽能蓄熱是一個(gè)連續(xù)、非穩(wěn)態(tài)的動(dòng)態(tài)換熱過程，集熱管中的循環(huán)水溫度變化受太陽輻照度、室外溫度、水流速度及蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度等多個(gè)因素的影響。本文針對(duì)太陽能采暖的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了以ZigBee技術(shù)為核心的無線監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)[2]。其中采用無線智能雙循環(huán)控制是該系統(tǒng)的創(chuàng)新應(yīng)用，解決了常規(guī)太陽能采暖系統(tǒng)輔助加熱時(shí)間長(zhǎng)、熱利用率低的問題，明顯節(jié)約了輔助電能。因此該系統(tǒng)特別適合于別墅、新農(nóng)村住宅及其他低層建筑的采暖應(yīng)用[3]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

ZigBee 技術(shù)具有協(xié)議簡(jiǎn)單、傳輸可靠性高、功耗低、自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)自動(dòng)路由、靈活性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)成本低、實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[4]。因此，為了解決傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)中存在的布線復(fù)雜、靈活性不好、成本高等問題，設(shè)計(jì)了基于ZigBee 技術(shù)的太陽能采暖控制系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)采集的方式，避免了布線的麻煩，降低了功耗和成本，更具靈活性和可擴(kuò)展性[5]。系統(tǒng)為了增強(qiáng)無線通信能力，設(shè)計(jì)加入了NRF2401功率放大器配合CC2530使用，有效解決了傳輸距離和誤碼率問題，系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試空曠處傳輸距離150 m以上，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率高于99%。

在本設(shè)計(jì)中，整體采暖控制系統(tǒng)由四部分組成：顯示操作終端、室外采暖監(jiān)控模塊、房間分水控制模塊和電輔熱供暖模塊[6]。四個(gè)部分通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

室內(nèi)終端部分負(fù)責(zé)顯示系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)以及人員交互操作協(xié)調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行，這部分由ZigBee模塊和迪文觸摸屏組成，ZigBee模塊負(fù)責(zé)與顯示屏通信以及無線發(fā)送接收數(shù)據(jù)。室外采暖監(jiān)控部分由STM32控制器和ZigBee單元組成，負(fù)責(zé)系統(tǒng)環(huán)境點(diǎn)溫度采集、太陽能采暖循環(huán)系統(tǒng)控制、上傳和存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行狀況、接收用戶操作信息等。房間分水控制模塊負(fù)責(zé)接收用戶操作信息，控制供暖房間面積和供暖時(shí)間。輔助供暖設(shè)備采用了高效電加熱爐，在太陽能光照不夠和夜晚情況下保證正常供暖溫度，可以根據(jù)用戶設(shè)定的采暖房間和預(yù)設(shè)房間面積，整體面積決定電輔熱裝置的功率。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制主要采用了CC2530和STM32兩款嵌入式處理器，通過單元模塊化設(shè)計(jì)，使各模塊通過室內(nèi)終端協(xié)調(diào)運(yùn)行。

2.1 室外控制模塊

室外監(jiān)控采用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32F103芯片，它是一款高效的32位嵌入式處理器，以Cortex?M3為內(nèi)核，最高主頻為72 MHz，128 KB FLASH，20 KB SRAM，同時(shí)內(nèi)部資源豐富、性能高、功耗低，完全可以滿足系統(tǒng)需求，并且價(jià)格較低，市場(chǎng)應(yīng)用廣泛[7]。

該模塊通過采集多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)溫度值分析比較，控制循環(huán)泵的啟停及電磁閥的開關(guān)。當(dāng)夜晚或者光照不足的時(shí)候太陽能集熱量無法滿足采暖需求，裝置將情況發(fā)送至室內(nèi)終端，協(xié)調(diào)電輔熱系統(tǒng)啟動(dòng)，開啟內(nèi)循環(huán)模式，從而維持室內(nèi)溫度。處理器將溫度值和開關(guān)量值存入SD卡當(dāng)中，以便于后期通過數(shù)據(jù)分析優(yōu)化控制方案和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以針對(duì)全國(guó)不同地區(qū)的氣候做出不同的自適應(yīng)控制方案。

傳感器采用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其采用單總線技術(shù)，硬件連接只需使用電源、地、信號(hào)三線結(jié)構(gòu)，并且可以多個(gè)傳感器連接在一條信號(hào)線上，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)連線。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用了大容量SD卡，軟件移植FAT文件系統(tǒng)，以Excel格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，儲(chǔ)存容量大，并且可以方便地取出SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[8]。

2.2 觸控顯示終端模塊

該單元模塊作為協(xié)調(diào)器，通過CC2530處理器協(xié)調(diào)其他三部分工作。TFT觸摸屏可以直觀地顯示出各點(diǎn)的溫度值以及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。通過屏幕操作可以手動(dòng)控制每個(gè)被控對(duì)象的啟停。顯示屏采用DGUS屏，其內(nèi)部自帶ARM系統(tǒng)和存儲(chǔ)芯片，通過串口采用5條指令就可以與其交互，并且是觸摸屏結(jié)構(gòu)，省去按鍵電路的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。

2.3 分水閥控制模塊

分水閥控制以CC2530處理器為核心，負(fù)責(zé)接收室內(nèi)終端的控制信息[9]。然后通過控制12路繼電器完成對(duì)熱膨脹分水閥的控制，驅(qū)動(dòng)控制電路如圖2所示。

電路中處理器的P0.3端口經(jīng)過74LS04反向器驅(qū)動(dòng)光電耦合器U2，光耦起到了電氣隔離作用。當(dāng)P0.3為低電平時(shí)三極管Q1導(dǎo)通繼電器K5吸合，相應(yīng)指示燈D1點(diǎn)亮，端子P5所接膨脹閥打開。

2.4 電輔熱控制模塊

系統(tǒng)輔助供暖主要使用電加熱方式，采用可變檔位的電采暖爐。控制電路加入了水位傳感器、水溫傳感器和電流互感器來保護(hù)小型電熱爐，防止出現(xiàn)干燒和漏電情況。電熱爐分為三檔位功率控制，根據(jù)用戶采暖面積需要可選擇1～12 kW容量。通過軟件編程實(shí)現(xiàn)所選容量的不同檔位自動(dòng)切換，達(dá)到節(jié)省電能的目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

裝置的軟件程序編寫主要分為CC2530和STM32F103兩部分。CC2530完成了系統(tǒng)無線組網(wǎng)通信，STM32處理器完成了整個(gè)室外設(shè)備的控制以及系統(tǒng)溫度和開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集。

3.1 顯示操作控軟件

這部分由CC2530控制器實(shí)現(xiàn)，代碼使用了基于IAR軟件的C語言開發(fā)，軟件流程如圖3所示。該部分軟件主要用來與顯示屏的交互，以及無線發(fā)送接收數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行。通過與屏進(jìn)行串口通信，完成向顯示屏寫數(shù)據(jù)、讀顯示屏數(shù)據(jù)和切換顯示界面。向顯示屏寫數(shù)據(jù)函數(shù)為write_dwen，函數(shù)內(nèi)容如下：

程序按照顯示屏82指令向其發(fā)送數(shù)據(jù)，82指令格式包含幀頭、幀尾、字節(jié)長(zhǎng)度（包含命令以及命令之后的字節(jié)數(shù)）、指令2 B、寫入地址2 B、寫入的數(shù)據(jù)。其中幀頭和幀尾由配置軟件對(duì)顯示屏直接配置生成。讀顯示屏數(shù)據(jù)使用83指令，讀函數(shù)如下：

83指令格式包含幀頭、幀尾、字節(jié)長(zhǎng)度、指令2 B、寫入地址、所讀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、顯示屏數(shù)據(jù)。頁面切換使用80指令，先向顯示屏發(fā)出指令隨后發(fā)出要轉(zhuǎn)到的頁面編號(hào)即可實(shí)現(xiàn)。無線通信需要給其余三部分分別發(fā)送該模塊需要的數(shù)據(jù)。程序使用兩個(gè)數(shù)組分別記錄采暖監(jiān)控和房間控制需要的信息，再使用不同的通信格式將信息發(fā)出。

3.2 采暖監(jiān)控軟件

這部分由STM32+CC2530兩個(gè)處理器組成，STM32作為主處理器，CC2530作為輔處理器負(fù)責(zé)通信，雙處理器設(shè)計(jì)保證了模塊的可靠性和實(shí)時(shí)性。

主處理器實(shí)現(xiàn)了溫度采集、循環(huán)泵控制、電磁閥控制、發(fā)送和存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、串口中斷接收信息。程序采用了基于Keil 4軟件的C語言開發(fā)。溫度采集通過編寫單總線時(shí)序，操作12路DS18B20傳感器實(shí)現(xiàn)。室外采暖控制按照系統(tǒng)控制方案，根據(jù)采集到的溫度控制內(nèi)、外循環(huán)水泵和內(nèi)、外循環(huán)電磁閥的啟停，STM32程序流程如圖4所示。

處理器與SD卡通信使用SPI方式， SPI為串行外圍設(shè)備接口，是一種高速全雙工的通信總線，廣泛應(yīng)用在ADC，LCD等設(shè)備與MCU間通信的場(chǎng)合[10]。程序使用庫(kù)函數(shù)編程的方式初始化，SPI引腳和SPI相關(guān)配置，使用FAT系統(tǒng)的f_open，f_read，f_write等函數(shù)來打開、創(chuàng)建、讀、寫文件，用于溫度數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)的存儲(chǔ)。

輔處理器主要實(shí)現(xiàn)信息的傳遞，通過無線接收中斷，判斷信息是否發(fā)送給本部分。如果是則通過串口發(fā)送至STM32，同時(shí)串口中斷接收STM32發(fā)來的信息通過無線發(fā)送至室內(nèi)顯示終端。

3.3 房間分水供暖控制和電輔熱控制軟件

為了更有效地提高熱利用率，達(dá)到更好的節(jié)能效果，系統(tǒng)中每個(gè)房間的供暖都可以分別控制。當(dāng)切換至電輔熱設(shè)備時(shí)，可以根據(jù)用戶選擇的供暖房間和供暖時(shí)段，通過計(jì)算實(shí)時(shí)采暖面積，選擇相應(yīng)的電輔熱功率檔位。房間分水控制軟件流程如圖5所示。軟件實(shí)現(xiàn)了無線中斷、發(fā)送、時(shí)鐘程序和供水閥控制以及CC2530的FLASH讀寫。

4 運(yùn)行測(cè)試

太陽能地暖熱輻射采暖裝置于2014年采暖季在北京東燕郊美麗鄉(xiāng)村別墅區(qū)進(jìn)行了實(shí)際安裝測(cè)試。

別墅只進(jìn)行了單層100 m2供暖，太陽能集熱器與供暖面積按1∶3配比。整個(gè)采暖季系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，采暖和節(jié)能效果明顯。

2014年1月24日運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖6所示。從圖6中可以看出，當(dāng)天室內(nèi)溫度運(yùn)行平穩(wěn)，基本維持在20 ℃。上午8∶30左右太陽能集熱器溫度達(dá)到設(shè)定值，裝置啟動(dòng)外循環(huán)系統(tǒng)對(duì)水箱進(jìn)行集熱，并供給室內(nèi)采暖。下午5∶30太陽能光照不夠，停止集熱器外循環(huán)，利用儲(chǔ)水箱的熱量使系統(tǒng)持續(xù)供熱至晚上10∶30啟動(dòng)電輔熱系統(tǒng)，切換至內(nèi)循環(huán)供暖模式。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無線通信技術(shù)的太陽能地板熱輻射采暖控制系統(tǒng)。該裝置以CC2530和STM32嵌入式處理器為控制核心，整體控制結(jié)構(gòu)分為四大功能模塊單元，并且通過有效控制算法最大限度地利用了太陽能資源。電輔熱期間根據(jù)動(dòng)態(tài)面積最小限度地使用電能資源。通過數(shù)據(jù)分析可以看出控制系統(tǒng)基本上解決了室溫波動(dòng)大及采暖效果不理想等問題，裝置的應(yīng)用可以有效促進(jìn)太陽能輻射采暖產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步推廣。

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