基于嵌入式的智能熱能表系統(tǒng)設(shè)計

溫宗周 錢佳佳 豆朋達(dá) 周 冬

(西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048)

基于嵌入式的智能熱能表系統(tǒng)設(shè)計

溫宗周 錢佳佳 豆朋達(dá) 周 冬

(西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048)

為解決因生活供暖按面積計費(fèi)方式而導(dǎo)致的費(fèi)用不直觀、供暖設(shè)備不可控的問題，設(shè)計了一種對采暖設(shè)施中的熱耗進(jìn)行準(zhǔn)確計量及計費(fèi)的智能型熱能表。主控模塊采用STM32F407芯片，將采集到的流量和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并計算得出供熱熱能，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互、外部通信、數(shù)據(jù)存儲等功能。采用IC卡識別電路和電磁閥控制電路，完成熱能表的預(yù)付費(fèi)功能。通過對熱能儀表計量誤差的深入分析，優(yōu)化了信號測量電路及數(shù)據(jù)處理方法，增加了溫度曲線修正和非定常K系數(shù)的修正，進(jìn)而提高了熱能計量的準(zhǔn)確度。試驗(yàn)結(jié)果表明，該熱能表系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對用戶實(shí)際采暖的準(zhǔn)確計量。

智能熱能表 溫度傳感器 供暖 人機(jī)交互 通信 數(shù)據(jù)采集 修正 誤差分析 預(yù)付費(fèi)

0 引言

為了改善我國供暖現(xiàn)狀，提倡節(jié)約能源，國家相關(guān)部門逐步對用戶供暖設(shè)施進(jìn)行改造，同時也出臺了相關(guān)的任務(wù)目標(biāo)和政策法規(guī)。2006年，為了確保供暖設(shè)備改造升級的順利，我國強(qiáng)制實(shí)施了供暖設(shè)備采用熱能表計量的措施，同時出臺了《供熱計量技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。

目前，國內(nèi)外熱能表行業(yè)以研究穩(wěn)定可靠、高精度、多功能的熱能表及各種檢測設(shè)備為主要課題。熱能表設(shè)備主要包括溫度傳感器、流量傳感器和積算儀。其中，溫度傳感器的測溫技術(shù)已經(jīng)非常成熟，因此流量傳感器和積算儀是目前的研究重點(diǎn)[3-5]。目前常見的流量測量形式有三種：機(jī)械式、超聲波式和電磁式。機(jī)械式測量方法根據(jù)液體流速與葉輪轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系來測量流速，其原理結(jié)構(gòu)簡單，但測量精度有限、易損壞，已逐步被市場淘汰。超聲波式測量方法根據(jù)超聲波速在順?biāo)湍嫠械膫鞑r差與水流速的線性關(guān)系來測量流速，但此方法設(shè)計成本高、安裝難度大。電磁式測量方法由導(dǎo)電性的水切割電磁場，測量感應(yīng)電動勢獲得水流速，具有超聲波式的優(yōu)點(diǎn)，但易受外界電磁干擾。

本文采用的電磁式流量測量方法，在繼承了電磁式測量所有優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提高了抗外界電磁干擾的能力。其選用先進(jìn)電磁式流量傳感器進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)了信號抗干擾能力、減小了測量誤差。溫度傳感器選擇PTC熱電阻為試驗(yàn)對象，試驗(yàn)驗(yàn)證了修正溫度曲線能減小系統(tǒng)誤差。通過對啟動時的水流特性進(jìn)行分析，可獲得管道內(nèi)水流變化特性。本文應(yīng)用非定常K系數(shù)修正來減少積算儀造成的系統(tǒng)誤差。

1 智能熱能表系統(tǒng)總體設(shè)計

本課題設(shè)計的熱能表能將電磁式流量傳感器和熱電阻傳感器測得的信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，再經(jīng)過熱能算法得到熱量，然后應(yīng)用非接觸式IC卡和電磁閥實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)。系統(tǒng)硬件電路包括：電源模塊、通信模塊、電磁閥控制模塊、預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)模塊、IC卡模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊(包括流量測量和溫度測量)、數(shù)據(jù)存儲模塊和人機(jī)界面模塊。系統(tǒng)構(gòu)成總框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成總框圖

Fig.1 Overall constitution of the system

2 硬件設(shè)計

智能熱能表硬件系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。控制模塊包括ARM處理器STM32F407、電源、時鐘、復(fù)位、調(diào)試電路。數(shù)據(jù)采集模塊包括電磁式流量傳感器脈沖信號采集電路、信號隔離和熱電阻電橋差分電路、調(diào)理電路及ADC轉(zhuǎn)換電路，完成了對溫度、流量的采集。通信模塊為外部RS-485通信電路，提供現(xiàn)場的參數(shù)設(shè)置和調(diào)試。人機(jī)界面包括獨(dú)立按鍵輸入電路和TFT-LCD顯示輸出電路，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的交互功能。數(shù)據(jù)存儲模塊為外置SD卡存儲電路，保存重要參數(shù)和GUI顯示的圖片等數(shù)據(jù)。預(yù)付費(fèi)模塊包括非接觸式IC卡識別電路和電磁閥控制電路，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的計費(fèi)功能。電源為系統(tǒng)中各功能模塊提供工作電壓，如電磁式流量計的12 V、繼電器的5 V、控制單元的3.3 V等。

圖2 智能熱能表硬件系統(tǒng)構(gòu)成圖

Fig.2 Hardware system constitution of intelligent heat energy meter

3 軟件設(shè)計

本課題設(shè)計的帶預(yù)付費(fèi)的智能熱能表系統(tǒng)，將根據(jù)實(shí)時熱量計算扣除相應(yīng)的費(fèi)用，并顯示余額。在余額不足時，系統(tǒng)發(fā)出警示，提示用戶及時繳費(fèi)；給予優(yōu)秀客戶一定的信用額度，透支完后將關(guān)閉電磁閥，停止供暖。為了方便記錄和查詢充值，系統(tǒng)將存儲一年內(nèi)的結(jié)算數(shù)據(jù)。熱能表工作流程如圖3所示。

圖3 熱能表工作流程圖

Fig.3 Working process of heat energy meter

軟件控制系統(tǒng)功能的具體實(shí)現(xiàn)如下：控制系統(tǒng)通過測量脈沖計算電磁式流量傳感器的所測流量；熱電阻Pt1000的電橋采用差分信號輸出，將信號直接連接輸入AD7708，使用SPI總線和A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7708通信設(shè)置硬件濾波、放大、轉(zhuǎn)換、算法處理、讀取數(shù)據(jù)；控制系統(tǒng)根據(jù)采集到的流量和溫度數(shù)據(jù)，用熱系數(shù)法計算熱能；STM32F407的FSMC與RA8875通信控制TFT-LCD，在TFT-LCD上基于emWin庫函數(shù)設(shè)計圖形和顯示輸出數(shù)據(jù)；STM32F407使用SDIO控制器與SD卡通信，基于FATFS文件系統(tǒng)管理SD卡內(nèi)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對SD卡內(nèi)數(shù)據(jù)的讀寫等基本功能，保存相關(guān)重要參數(shù)和GUI顯示圖片等數(shù)據(jù)；控制RC522模塊實(shí)現(xiàn)IC卡識別充值功能，繼電器模塊控制電磁閥通斷，實(shí)現(xiàn)計費(fèi)系統(tǒng)的預(yù)付費(fèi)功能。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要實(shí)現(xiàn)流量和溫度數(shù)據(jù)的采集，將由流量傳感器的流量輸出信號轉(zhuǎn)換為測量脈沖數(shù)，并通過測量脈沖計算電磁式流量傳感器所測的流量；對溫度數(shù)據(jù)的采集由熱電阻Pt1000的電橋電路轉(zhuǎn)變?yōu)闇y量輸出差分信號，將信號連接輸入AD7708，使用SPI總線和A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7708通信，設(shè)置硬件濾波、放大、轉(zhuǎn)換、算法處理、讀取數(shù)據(jù)。

3.2 圖形界面設(shè)計

通過控制模塊的FSMC與RA8875通信來控制TFT-LCD，軟件設(shè)計在TFT-LCD上基于emWin庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)圖形和數(shù)據(jù)的顯示、輸出。在搭建好的平臺上完成嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅲ的移植工作，再添加emWin和TFT-LCD驅(qū)動。最終設(shè)計的熱能表啟動界面包括當(dāng)前流量值、當(dāng)前溫度值、當(dāng)前熱量值、當(dāng)前室內(nèi)溫度值和當(dāng)前余額值等信息。

3.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

該模塊由控制模塊中的SDIO控制器與SD卡通信實(shí)現(xiàn)，基于FATFS文件系統(tǒng)來管理SD卡中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對SD卡中數(shù)據(jù)的讀寫等操作，保存了相關(guān)重要參數(shù)和GUI相關(guān)顯示圖片等數(shù)據(jù)。

3.4 預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)模塊

預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)的軟件設(shè)計可實(shí)現(xiàn)IC卡識別充值和電磁閥控制。這部分主要控制RC522模塊完成IC卡識別充值功能，并通過繼電器模塊控制電磁閥開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了計費(fèi)系統(tǒng)的預(yù)付費(fèi)功能。

控制系統(tǒng)STM32F407和MF-RC522間使用SPI通信。RC522工作流程、RC522初始化流程如圖4所示。

圖4 RC522工作流程及初始化流程圖

Fig.4 Working process and initialization process of RC522

本設(shè)計采用STM32F407的SPI3和RC522連接，SPI通信采用標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)調(diào)用，電磁閥由STM32F407的PC0口高/低電平控制繼電器間接控制其開/關(guān)。

電磁閥模塊由STM32F407的PC0配置為推挽模式控制三極管導(dǎo)通，繼電器通電吸合，電磁閥供電導(dǎo)通。IC卡的識別和電磁閥實(shí)現(xiàn)了預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)的充值和控制流量的功能。

4 熱能計量修正算法研究

4.1 模型建立

本文采用熱系數(shù)法計算熱量，利用溫度和流量無突變的特性，將熱能計量模型簡化為熱能在一定時間內(nèi)的流量和溫度對時間積的模型，如圖5所示。

圖5中，橫軸和縱軸表示時間和流量體積；實(shí)線表示a和b區(qū)間分為無數(shù)個小區(qū)間，每個小區(qū)間的邊界線；虛線是每個小區(qū)間的中點(diǎn)ξi，用中點(diǎn)處的值表示這小段時間的流量體積；曲線表示a和b區(qū)間內(nèi)每個時間點(diǎn)的流量體積曲線。

圖5 熱能計量模型

Fig.5 Heat energy metering model

設(shè)函數(shù)f(x)在[a,b]上有界，在區(qū)間[a,b]中任意插入若干分點(diǎn)，令:

a=x0

(1)

把區(qū)間[a,b]分成n個小區(qū)間：[x0,x1],[x1,x2],[x2,x3],…,[xn-1,xn]。

各個小區(qū)間的長度為：

Δxn=xn-xn-1

(2)

在每個小區(qū)間[xn-1,xn]上任取一點(diǎn)ξi(xi-1≤ξi≤xi)，作函數(shù)f(ξi)Δxi(i=1,2,…,n)，并求和：

(3)

(4)

因?yàn)閱纹瑱C(jī)處理積分運(yùn)算的時間復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于乘法和加法，所以該模型的簡化計算有利于實(shí)現(xiàn)，從而減少了復(fù)雜運(yùn)算。根據(jù)定積分性質(zhì)，在[a,b]中插入盡可能多的點(diǎn)可提高計算精度。但受限于傳感器和處理器的處理時間，不能在此區(qū)間內(nèi)插入無限個點(diǎn)。因此，要最大限度地插入有限個點(diǎn)，并要求流量傳感器設(shè)置盡可能小的當(dāng)量。同時，在單片機(jī)運(yùn)行時，應(yīng)設(shè)置盡可能高的主頻。

流量采集為實(shí)時模擬量轉(zhuǎn)化為離散數(shù)字量的過程，由于傳感器的接收信號為設(shè)置定量體積的脈沖中斷，因此可以采用均值法求得相鄰兩個插入點(diǎn)間的流量體積近似值，即：

(5)

式中：Q為釋放的熱量，J；V為載熱液體流過的體積，m3；ΔT為進(jìn)水溫度與回水溫度的差(TV-TR) ,℃；TV、TR分別為熱流體入、出口的溫度，℃ ；K為熱系數(shù)，根據(jù)K系數(shù)表確定，J/(m3·℃)；f(ti-1)和f(ti)為相臨兩次采集到的流量體積；Δti為f(ti-1)和f(ti)的間隔時間。

4.2 誤差分析及優(yōu)化

熱能表的誤差主要來源于其組成部分，即流量傳感器、溫度傳感器、積算儀。由于電磁式流量傳感器易受磁場的影響，必須采取抗干擾設(shè)計，尤其要對采集信號進(jìn)行處理。溫度測量采用的熱電阻靈敏度高，導(dǎo)線電阻等都易受溫度影響，造成熱電阻曲線發(fā)生變化。對啟動時的水流特性進(jìn)行分析，獲得管道內(nèi)水流變化特性。積算儀在對熱能計算的過程中，K系數(shù)會發(fā)生有規(guī)律的變化，特別是在閥門開啟的5 s內(nèi)變化較大[6-8]。

為解決以上問題，結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，深入分析了影響熱能表精度的主要原因，并進(jìn)行了以下三個方面的優(yōu)化：一是熱能表硬件電路對信號的測量；二是

熱能計算中的溫度曲線修正；三是啟動時非定常K系數(shù)的修正。

4.2.1 信號測量的優(yōu)化

本文采用的流量傳感器，如果管道流量過大而脈沖當(dāng)量設(shè)置過小，將會造成脈沖輸出超上限；如果管道流量小而脈沖當(dāng)量設(shè)置過大又會造成儀表很長時間才能輸出一個脈沖，所以脈沖輸出頻率應(yīng)限制在3 000 Hz以下。當(dāng)熱能表進(jìn)出水溫差達(dá)到最小值、流量Q達(dá)到最小允許值時，熱能表誤差限最大，隨著流量的增加，誤差限逐漸降低；Q不變時，Δt越大，誤差越小，當(dāng)Δt>3Δtmin時，誤差接近常數(shù)；在一定溫差下，當(dāng)實(shí)際流量大于常用流量的一半時，誤差近似為常數(shù)。

通過以上分析，當(dāng)Δt達(dá)到最小值時，要通過SPI控制設(shè)置AD7708的PGA倍數(shù)，選擇適合的測量范圍，同時進(jìn)行片內(nèi)校正，提高溫度測量的精度。當(dāng)流量Q達(dá)到最小允許值時，就必須通過減小電磁式流量傳感器的輸出脈沖當(dāng)量，來提高分辨率或增加脈沖數(shù)。同時，可根據(jù)計算時的溫差規(guī)律補(bǔ)償誤差。通過以上軟硬件設(shè)計，能有效減少溫度測量誤差限和流量測量誤差限，從而有效提高熱能表準(zhǔn)確度。

4.2.2 溫度曲線修正

熱能表所使用的溫度傳感器為工業(yè)鉑電阻傳感器，一般為Pt1000的B級產(chǎn)品。參照工業(yè)鉑電阻檢定方法進(jìn)行操作，就可以檢出鉑電阻R0、R100、Rt和溫度系數(shù)α值，從而確定鉑電阻的溫度-阻值關(guān)系。由于檢定設(shè)備進(jìn)行了熱能表溫度傳感器的誤差曲線修正，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的溫度-電阻關(guān)系，利用電阻箱模擬的電阻值計算會造成試驗(yàn)結(jié)果的偏差，因此本文設(shè)計的熱能表帶溫度修正，可以解決精確檢測的問題。

根據(jù)JJG225-2001《熱能表檢定規(guī)程》，熱能表檢測選點(diǎn)為溫度下限、50 ℃或者60 ℃、熱能表溫度上限。此時，采用標(biāo)準(zhǔn)PT1000的溫度阻值表進(jìn)行檢測，表1為4組試驗(yàn)溫度試驗(yàn)點(diǎn)的檢測結(jié)果。

表1 熱能表檢測結(jié)果Tab.1 Detection results of heat energy meter

經(jīng)過多次檢測，結(jié)果變化不大于0.02%。然后對熱能表的鉑電阻進(jìn)行檢測。溫度檢測結(jié)果如表2所示。

表2 溫度檢測結(jié)果Tab.2 Detection results of temperature

該設(shè)備進(jìn)口端溫度傳感器的溫度-阻值函數(shù)關(guān)系為：

R(t)=1 000.405(1+3.923 706×10-3t- 6.779×10-7t2)

(6)

出口端溫度傳感器的溫度-阻值函數(shù)關(guān)系為：

R(t)=1 000.624(1+3.923 746×10-3t- 6.730×10-7t2)

(7)

根據(jù)式(6)和式(7)進(jìn)行核對，結(jié)果如表3所示。

表3 溫度-阻值函數(shù)核對結(jié)果Tab.3 Collation results of temperature-resistance function

修正后，熱能表檢測結(jié)果如表4所示。

表4 修正后的熱能表檢測結(jié)果Tab.4 Detection results of heat energy meter after correction

通過對比表1和表4，可以得出結(jié)論：將不確定度控制在相對合理范圍內(nèi)，帶溫度曲線修正的熱能表相對誤差較小。

4.2.3 非定常K系數(shù)修正

本課題對熱能計算采用的熱系數(shù)法是熱水關(guān)于實(shí)際溫度的成分函數(shù)，即管道內(nèi)流體在相應(yīng)溫度、壓力下的函數(shù)，利用其對測量結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正，可以大大提高熱能表的測量精度。本課題中的電磁閥會頻繁開關(guān)，閥門啟動5 s后管道中載體流速才會達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這段時間內(nèi)不能使用穩(wěn)定狀態(tài)下的K系數(shù)，因此本文對非定常模擬的K系數(shù)和穩(wěn)定狀態(tài)下K系數(shù)對修正后的流量值進(jìn)行對比，驗(yàn)證流量修正系數(shù)K對流量測量的影響[9-10]。

在開啟閥門的5 s內(nèi)，對水流特性進(jìn)行分析，獲得管道內(nèi)水流變化的特性，從而可得啟動閥門后5 s內(nèi)的K系數(shù)變化情況，如圖6所示。

通過FLUENT軟件數(shù)值模擬擬合曲線的分段函數(shù)為：

(8)

根據(jù)流量公式，可得：

(9)

圖6 K系數(shù)變化曲線

Fig.6 Change curve ofKcoefficient

(10)

5 結(jié)束語

通過查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，并對熱能表相關(guān)先進(jìn)技術(shù)和不同方法進(jìn)行對比研究分析，設(shè)計了智能熱能表系統(tǒng)方案，并完成了系統(tǒng)控制板的硬件和嵌入式系統(tǒng)下各個模塊驅(qū)動的軟件的設(shè)計。試驗(yàn)驗(yàn)證了該熱能表的熱能可控，預(yù)付費(fèi)功能效果良好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

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Design of the Embedded Intelligent Heat Energy Meter System

In order to solve the problems in heating supply for living,such as the area-based billing is not intuitive and the heating equipment is uncontrollable,the intelligent heat energy meter is designed.By using this meter,the heat consumption of heating facility can be accurately measured and charged.The flow and temperature data collected are processed and calculated by the main control module STM32F407 chip to obtain heating energy supplied,and the functions of human machine interaction,external communication and data storage are realized.IC card identifying circuit and solenoid valve control circuit are used to complete the pre-paid function.Through in-depth analysis of the metering error of the heat energy instrument,the signal measurement circuit and data processing method are optimized,and the correction of temperature and the correction of unsteadyKcoefficient are added,thus the accuracy of the heat energy meter is improved.The test results show that the heat energy meter system can achieve accurate metering of the actual heating for users.

Intelligent heat energy meter Temperature sensor Heating supply Human-computer interaction Communication Data acquisition Correction Error analysis Pre-paid

溫宗周(1962—)，男，1986年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)自動化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，副教授；主要從事嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與開發(fā)方向的研究。

TH811;TP277

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611012

修改稿收到日期：2016-05-10。