基于智能移動(dòng)終端的熱泵熱水集中供應(yīng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李光明，黃蓮花，林土淦，張浩雨

（1.廣西師范學(xué)院，廣西 南寧 530299；2.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧530000）

熱泵熱水集中供應(yīng)系統(tǒng)，具有高能效比、低能耗、環(huán)保節(jié)能的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，逐漸被廣泛應(yīng)用，尤其是在公共熱水供應(yīng)系統(tǒng)中大量使用，但同時(shí)這種制熱系統(tǒng)也有著制熱慢、機(jī)組運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，且機(jī)組多安裝放置于樓宇頂層和較偏僻的地方[1]。部分用戶如學(xué)校的學(xué)生宿舍樓，具有棟數(shù)多、機(jī)組多，分布分散的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的日常維護(hù)需要的人力、物力較大，維護(hù)比較困難，故障出現(xiàn)時(shí)，不容易及時(shí)發(fā)現(xiàn)，處置滯后，導(dǎo)致廣大用戶較長(zhǎng)時(shí)間無法獲得熱水供應(yīng)，影響面廣，負(fù)面效應(yīng)大，嚴(yán)重制約熱泵熱水集中供應(yīng)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。目前隨著GPRS無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能手機(jī)及其軟件系統(tǒng)的日益普及和成熟，將二者應(yīng)用于熱水集中供應(yīng)機(jī)組的無線遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和主動(dòng)預(yù)警，將可以很好地解決這些難題[2]。目前遠(yuǎn)程控制技術(shù)在應(yīng)用層面已經(jīng)比較成熟，在多種場(chǎng)合都得到了應(yīng)用，但用在熱泵控制系統(tǒng)的情況尚不成熟，故對(duì)此進(jìn)行研究。

本文的目的就是設(shè)計(jì)一種控制系統(tǒng)，可借助于智能手機(jī)終端對(duì)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，克服傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)的不足。

1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，圖中系統(tǒng)由3個(gè)主要部分組成，分別為：安卓智能手機(jī)、智能電控箱和監(jiān)測(cè)控制部分。安卓手機(jī)用來對(duì)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制；智能電控箱主要負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)測(cè)控制部分監(jiān)測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行處理，比如：水位、水溫高低的調(diào)節(jié)，壓力大小的調(diào)整等；監(jiān)測(cè)控制部分主要是通過溫度、水位傳感器和壓力傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，將監(jiān)測(cè)結(jié)果傳給智能電控箱處理。

圖1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

安卓手機(jī)對(duì)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行控制的過程為：由安卓智能手機(jī)操作系統(tǒng)的控制軟件對(duì)水溫或水位進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后由手機(jī)發(fā)送設(shè)置查詢令的數(shù)據(jù)，通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將該指令經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到電控箱的GPRS模塊，由該模塊將該指令的數(shù)據(jù)包發(fā)送給單片機(jī)的控制模塊，經(jīng)過單片機(jī)控制模塊序?qū)υ撝噶顢?shù)據(jù)包進(jìn)行解釋和編譯，還原出指令意圖，并發(fā)送信號(hào)令至驅(qū)動(dòng)電器，形成對(duì)各繼電器的驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)各相應(yīng)繼電器進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，從而控制相對(duì)應(yīng)的機(jī)組設(shè)置、運(yùn)行，如加熱和加水等。

當(dāng)機(jī)組運(yùn)行至相對(duì)應(yīng)的指令參數(shù)時(shí)，如水位、水溫，這時(shí)機(jī)組上的水位傳感器和水溫傳感器會(huì)實(shí)時(shí)將所采集的數(shù)據(jù)信號(hào)傳回單片機(jī)自動(dòng)控制模塊該模塊中的程序?qū)@些數(shù)控進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，并進(jìn)行運(yùn)算和對(duì)照，當(dāng)各傳感器信號(hào)中的數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)相符合時(shí)，可發(fā)出指令控制相應(yīng)的繼電器進(jìn)行斷開動(dòng)作，停止加熱或加水，等待下一個(gè)指令的動(dòng)作。

如果系統(tǒng)發(fā)出的是數(shù)據(jù)查詢指令，則在自動(dòng)控制模塊完成設(shè)置指令，或無設(shè)置指令時(shí)，對(duì)各傳感器信號(hào)進(jìn)行掃描采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并通過控制箱的GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)包至有固定IP的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，再由服務(wù)器將數(shù)據(jù)經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送回預(yù)先綁定或指定的手機(jī)號(hào)碼。對(duì)應(yīng)的智能手機(jī)系統(tǒng)軟件進(jìn)行解析并顯示手機(jī)的軟件系統(tǒng)界面，通過這樣的設(shè)置和查詢功能夠建立良好的人機(jī)互功能，擴(kuò)大了維護(hù)人員的活動(dòng)范圍和時(shí)間。

預(yù)警報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)主要通過自動(dòng)控制模塊中的軟件對(duì)各監(jiān)控點(diǎn)傳感器信號(hào)進(jìn)行掃描和對(duì)照，當(dāng)監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化超出預(yù)警值時(shí)，通過程序比對(duì)結(jié)果發(fā)出指令，并通過電控箱的GSM模塊發(fā)送預(yù)置警報(bào)內(nèi)容的短信或撥打指定號(hào)碼，以示提醒該號(hào)碼的手機(jī)執(zhí)有人。

2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由如下幾個(gè)部分構(gòu)成：

（1）由單片機(jī)編程控制的有GPRS和GSM無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊和各型號(hào)繼電器組成的智能化電控箱；（2）有固定IP的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器；（3）熱泵機(jī)組及壓縮機(jī)壓力傳感器；（4）水箱及水溫和水位傳感器。

2.1 單片機(jī)主控制模塊

控制系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)作為控制器，其原理如圖2所示。單片機(jī)接收溫度傳感器，水位傳感器等采集到的溫度信號(hào)、水位信號(hào)，以及用戶發(fā)送的控制信號(hào)，并對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算、處理，將控制信號(hào)傳遞到各個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)而控制供水泵運(yùn)行；將運(yùn)行狀態(tài)顯示在顯示屏或遠(yuǎn)程終端上。

圖2 單片機(jī)系統(tǒng)原理圖

2.2 水位及溫度控制模塊

熱泵系統(tǒng)工作過程中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水箱水位高低，如果水位超過設(shè)定水位，控制系統(tǒng)就發(fā)出指令停止供水馬達(dá)；若水位低于警戒水位，控制系統(tǒng)就發(fā)出指令啟動(dòng)供水馬達(dá)，從而保證供水系統(tǒng)始終能有水供應(yīng)，且不會(huì)發(fā)生溢出情況。水位控制原理圖如圖3所示，圖中，水位高低變化通過傳感器轉(zhuǎn)換為電阻的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，以此來控制馬達(dá)的啟停，實(shí)現(xiàn)供水控制。

圖3 水位控制原理圖

溫度控制模塊的原理跟水位控制同理，通過溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度情況，當(dāng)水溫達(dá)到預(yù)設(shè)溫度上限時(shí)，輸出控制信號(hào)停止加熱，當(dāng)水溫低到預(yù)設(shè)溫度下限時(shí)，輸出控制信號(hào)啟動(dòng)加熱裝置，以保持水溫始終處在預(yù)設(shè)的溫度范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作。

3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件部分的核心任務(wù)是：（1）處理傳感器采集到的溫度和水位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，判斷，執(zhí)行預(yù)設(shè)任務(wù)；（2）完成控制電箱和智能移動(dòng)終端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，完成各種數(shù)據(jù)的處理與指令的傳達(dá)。

控制系統(tǒng)的軟件相應(yīng)地包含兩個(gè)部分：控制電箱主控程序設(shè)計(jì)和智能移動(dòng)終端APP設(shè)計(jì)。

3.1 控制電箱主控程序設(shè)計(jì)

節(jié)選部分程序代碼如下：

void main（void）

{

int yt；

WDT_CONTR=0x3f； //kanmengou

//調(diào)整輸入函數(shù)的加載值可以改變串口波特率

// Uart1Init（0，1，184）；//初始化串口，設(shè)置波特率4800

// Uart2Init（0，1，220）；//初始化串口，設(shè)置波特率9600

// Uart2Init（0，1，232）；//初始化串口，設(shè)置波特率14400

init_lcd（）；

inte_93c04（）；

print_hz（0，0，" 智能控制系統(tǒng) "）；

Timer0Init（）；

// Uart1Init（0，1，220）；//初始化串口，設(shè)置波特率9600

Uart2Init（0，1，220）；//初始化串口，設(shè)置波特率9600

Serial_Init（）；//串口初始化函數(shù)

……

//zhiling（）；

e=0；

j=j*2；

//Uart2Send（data_r_485[1]）；//發(fā)送指令指定發(fā)送的是中文短信

//Uart1Send（0x31）；//發(fā)送指令指定發(fā)送的是中文短信

控制電箱主控程序主要實(shí)現(xiàn)水溫、水位等各種參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及各種數(shù)據(jù)通信的正常進(jìn)行，并發(fā)送短信到智能移動(dòng)終端。

3.2 智能移動(dòng)終端的APP控制

智能移動(dòng)終端的軟件界面如圖4所示，其主要任務(wù)包括：

圖4 安卓手機(jī)顯示界面

（1）對(duì)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置和控制

可以通過移動(dòng)智能終端對(duì)供水的溫度進(jìn)行設(shè)置；對(duì)供水時(shí)間段進(jìn)行設(shè)置，比如：可分為中午和晚上兩個(gè)時(shí)段分時(shí)供給熱水；對(duì)水箱的預(yù)設(shè)水位進(jìn)行設(shè)置，既能夠持續(xù)正常供水，又經(jīng)濟(jì)合理的控制水溫范圍，對(duì)于節(jié)能減排意義重大。

（2）對(duì)熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控

借助于智能移動(dòng)終端顯示界面，可以實(shí)時(shí)查看熱泵系統(tǒng)的各種狀態(tài)參數(shù)，如：當(dāng)前的水溫、水位、壓力等各項(xiàng)參數(shù)，若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)有異常情況可以第一時(shí)間進(jìn)行處理，既節(jié)約人力物力，也為快速處理故障提供了技術(shù)保障。

4 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

本系統(tǒng)開發(fā)完成以后已經(jīng)投入市場(chǎng)，在南寧、來賓等多個(gè)城市的學(xué)校、企事業(yè)單位使用目前市場(chǎng)反饋良好。部分實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景如圖5、圖6所示。

圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)實(shí)物外形圖

圖6 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)內(nèi)部圖

5 結(jié)束語

熱泵熱水集中供應(yīng)GPRS智能移動(dòng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以為用戶提供有效的熱泵機(jī)組遠(yuǎn)程管理和維護(hù)，實(shí)現(xiàn)熱泵運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示、信息管理、機(jī)組遠(yuǎn)程控制與調(diào)試、故障診斷報(bào)警與遠(yuǎn)程排除等功能。拓展了管理人員的運(yùn)維能力，實(shí)現(xiàn)了人員與機(jī)組的時(shí)間同步、空間分割與遠(yuǎn)程同步，有利于提高系統(tǒng)運(yùn)行的效費(fèi)比，解決了有線監(jiān)控帶來的布線工作量大、成本高、線路檢修擴(kuò)容困難等問題。后續(xù)將根據(jù)使用反饋情況，進(jìn)一步升級(jí)系統(tǒng)。由于該產(chǎn)品成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，具有較高的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]顏詩(shī)敏，姜周曙，黃國(guó)輝．基于S3F9488單片機(jī)的熱泵熱水器控制器[J]．機(jī)電工程，2009，26（02）：34-37．

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