基于ZigBee技術(shù)的智能家居采暖節(jié)能控制的應(yīng)用研究

郭建興

（長安大學，陜西西安,710064）

基于ZigBee技術(shù)的智能家居采暖節(jié)能控制的應(yīng)用研究

郭建興

（長安大學，陜西西安,710064）

本文介紹了建筑節(jié)能采用的主要措施，針對我國北方建筑中分戶計量模式的供暖系統(tǒng)，采用STM32控制器和ZigBee模塊，提出并設(shè)計了基于ZigBee技術(shù)的智能家居采暖節(jié)能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)采暖用戶對室內(nèi)溫度無線控制與遠程控制。

建筑節(jié)能；ZigBee；STM32；智能家居

0 前言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，建筑的運營能耗也在不斷增加，節(jié)能環(huán)保的問題已成為當前全社會關(guān)注的熱點。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)運而生為建筑節(jié)能開辟了創(chuàng)新型的有效途徑，使人們在享受高新科技帶來的便利的同時，也對能源進行了合理利用，減少了建筑能耗。

1 建筑節(jié)能措施

建筑節(jié)能是貫徹落實國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要舉措，是我國城鎮(zhèn)化與城市發(fā)展的重要內(nèi)容，旨在降低建筑能耗，減少環(huán)境污染，應(yīng)對氣候變化。

建筑節(jié)能的基本方法有建筑電氣節(jié)能，建筑采暖節(jié)能及可再生能源有效利用。建筑電氣節(jié)能主要是通過合理的規(guī)劃設(shè)計，采用自動控制技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對建筑電氣系統(tǒng)中的供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、暖通空調(diào)機組、給排水設(shè)備及送排風電機等設(shè)備運行狀況進行實時監(jiān)控，分析建筑機電設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換效率及運行數(shù)據(jù)，并且對電氣設(shè)備的運行管理系統(tǒng)進行優(yōu)化。最終達到提高建筑電氣系統(tǒng)的能源綜合利用率與減少系統(tǒng)能源消耗的目的，實現(xiàn)建筑節(jié)能的效果。

建筑采暖系統(tǒng)的節(jié)能是建筑節(jié)能最主要的方法之一，建筑采暖能耗在建筑總能耗中占很大比例。當前我國單位建筑面積的綜合采暖能耗大約為氣候相近的發(fā)達國家的兩倍多?！豆?jié)能中長期專項規(guī)劃》中明確強調(diào)，大力開展北方采暖地區(qū)的建筑采暖節(jié)能，改變供熱體制，推行建筑集中采暖按熱表計量收費的模式。進而通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及自動控制技術(shù)對采暖系統(tǒng)進行智能全自動調(diào)節(jié)控制和遠程控制，將更加提高建筑節(jié)能的效果。

2 智能家居采暖節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能家居采暖節(jié)能控制系統(tǒng)由ZigBee無線通訊模塊、主控制器與遠程通信系統(tǒng)組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。智能家居采暖節(jié)能控制器是整個節(jié)能控制系統(tǒng)的核心，主要負責接收通過手機或Internet發(fā)來的控制信息，并將控制信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制命令通過由ZigBee節(jié)點組成的無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到ZigBee終端模塊，ZigBee終端模塊再將控制命令傳輸給與其連接的閥門控制器，閥門控制器根據(jù)指令驅(qū)動電動控制閥轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度，從而實現(xiàn)暖氣片熱流量的控制。

圖1 智能家居采暖節(jié)能控制系統(tǒng)框圖

智能家居節(jié)能控制系統(tǒng)的ZigBee模塊選用TI的ZigBee芯片CC2530，該模塊主要由ZigBee芯片、晶振、天線與擴展引腳組成。智能家居系統(tǒng)的內(nèi)部通信是由ZigBee節(jié)點組成的無線網(wǎng)絡(luò)，該無線網(wǎng)絡(luò)功能由協(xié)調(diào)器、路由器及終端節(jié)點組成。其中協(xié)調(diào)器與主控制器連接，行使網(wǎng)關(guān)的功能，負責無線網(wǎng)絡(luò)的建立及配置，接收終端節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)并反饋到主控制器，轉(zhuǎn)發(fā)主控制器的控制命令到指定的終端節(jié)點。終端節(jié)點本身也是網(wǎng)絡(luò)的路由器，可以傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息，同時接收主控制器的命令。

智能家居采暖節(jié)能控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)用戶通過手機或互聯(lián)網(wǎng)對家里采暖閥門的遠程控制。如果在家里沒人的情況下，室內(nèi)不需要很高溫度，用戶可以通過控制器將采暖閥門關(guān)小；如果在家里有人的情況下，可以根據(jù)室內(nèi)不同房間的使用情況及溫度，對不同房間內(nèi)的暖氣片閥門進行合理控制，使室內(nèi)溫度最終達到一定的范圍。通過對采暖系統(tǒng)的合理控制，實現(xiàn)了室內(nèi)熱量的有效利用，提高了能源利用率，不僅減少了用戶的采暖費用，也達到了建筑節(jié)能的效果。

2.2 控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能家居采暖節(jié)能控制器是整個節(jié)能控制系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)選用ST Microelectronics 公司設(shè)計的STM32作為節(jié)能控制系統(tǒng)的主控制器。STM32是一個基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的控制器，可提供最大72MHz的工作頻率，配備了32～512KB的Flash存儲器和6～64KB的SRAM靜態(tài)隨機存儲器，是一款具有多種數(shù)據(jù)接口和功能齊全的精密通用外設(shè)，包括低功耗與可擴展性強等優(yōu)點的控制器。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過USB接口與控制器連接，主要作用是接收控制器發(fā)來的指令并發(fā)送到ZigBee終端節(jié)點。手機用戶和控制器之間通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進行短信通信。該控制器配有以太網(wǎng)接口，載入了操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序，使用者可以通過Internet互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)與控制器的通信，從而實現(xiàn)對智能家居采暖系統(tǒng)的遠程控制。

圖2 控制器硬件結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對建筑中每個家庭的分戶計量模式供暖系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時遠程監(jiān)控，實現(xiàn)了對能源的合理利用，并且減少了單位面積建筑的采暖能耗。隨著建筑節(jié)能相關(guān)的有利政策的不斷出臺，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，建筑節(jié)能的方法會更加方便和高效。

[1]劉洋.居住建筑能耗動態(tài)模擬研究與能耗計算軟件的開發(fā)[D].天津大學,2004.

[2]紀祥和.物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下家庭節(jié)能控制裝置研究與實現(xiàn)[D].山東建筑大學,2014.

Research on heating energy saving control of smart home based on ZigBee technology

Guo Jianxing
(Chang’an University, Xi’an Shaanxi,710064)

Aiming at the heating system of household metering mode in the north of china, this paper introduces the main measures of building energy saving. STM32 controller and ZigBee module are used in the paper. The paper proposes and designs a heating energy saving control system for smart home based on ZigBee technology, which can realize the wireless control and remote control of indoor temperature for users.

building energy saving; ZigBee；STM32; smart home