探究供暖閥門的優(yōu)化設計

解野

【摘要】針對東北地區(qū)冬季供熱冷熱不均、相關負責部門無法根據(jù)溫度開關閥門等特點，采用了供暖閥門遠程控制方式，設計了一種供暖閥門遠程控制系統(tǒng)。通過溫度傳感器實時監(jiān)測室內(nèi)的溫度變化，并通過無線通信技術控制用戶家中的閥門。系統(tǒng)在工作中，不但可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術將溫度數(shù)據(jù)傳送到至云端平臺，方便供熱管理部門監(jiān)控用戶家中供暖期溫度數(shù)據(jù)，而且平臺也可以向多個用戶家中的控制器發(fā)送一個溫度閾值，使控制器可以自動地根據(jù)室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)供熱閥門的開度，保持室溫恒定;同時，管理平臺也可以對于未繳費用戶強制關閉閥門，從而在一定程度上降低能源的消耗，減少污染的排放，方便管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在用戶和控制臺之間的雙向傳輸。該系統(tǒng)已在東北地區(qū)試用。結(jié)果表明，用戶家中溫度可以較好地穩(wěn)定在閾值附近，系統(tǒng)連續(xù)運行可靠，在遠程電子閥的發(fā)展中起到了有力的推動作用。

【關鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)?節(jié)能減排?傳感器?遠程監(jiān)控無線通信?無線閥門

供暖一直是導致空氣污染的一個重要因素。尤其是在東北地區(qū)的冬季，由于氣候寒冷，所以需要大量焚燒煤炭進行供暖。由于供暖公司的設備不一，工作人員技術能力參差不齊，使得煤炭不充分燃燒，導致了有害氣體及煙塵排放到空氣中，造成空氣污染。除此之外，由于新建樓房與老舊樓房在供暖系統(tǒng)中存在著較大差異，所以在一些地區(qū)的冬天便存在著“新樓開窗放，老樓凍哆嗦”的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因不僅僅設備不相同，還是供熱公司無法實時監(jiān)測與控制用戶家中的溫度、新樓老樓一套的供暖方案，導致了新樓家中由于溫度過高而造成能源浪費，進而造成環(huán)境污染。

市場上目前已有的供暖閥門控制方式主要有以下兩種。①利用單片機配合SIM卡模塊作為整體供暖閥門的控制端，用戶可以用手機發(fā)送短消息的方式來獲取用戶家中的環(huán)境溫度，從而根據(jù)當前的溫度，以手機短消息的方式控制家中的電子閥門。②控制遠程閥門的方式大都是通過線纜連接上位機與閥門，多數(shù)采用CAN總線、RS-485總線等方式連接小區(qū)中的各個用戶，進而控制多用戶家中的供暖閥門。

以上兩種方式都存在一定的弊端，如果采用短消息方式，那么需要在各個用戶家中安放SIM卡模塊，通信次數(shù)增多也會不斷導致費用的提高，使總控制臺控制的復雜度較高;采用線纜控制電子閥門，由于小區(qū)中每家每戶的距離不同，布線時的難度也隨之提高，出現(xiàn)故障也較難排查發(fā)現(xiàn)。為解決以上問題，本文設計了一種遠程閥門控制系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)整體方案設計

基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程閥門控制系統(tǒng)主要由三個部分組成。第一部分是閥門控制端，主要功能是通過無線通信方式來控制用戶家中的電子閥門;第二部分是嵌入式控制器，主要功能是接收物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送的指令、發(fā)送當前本地采集的溫濕度信息;第三部分是物聯(lián)網(wǎng)平臺，在本次設計中采用了Javaweb技術，可以在平臺中接收和發(fā)送控制器端發(fā)送來的數(shù)據(jù)，在平臺中進行溫濕度監(jiān)測，對用戶家中電子閥門進行遠程控制。

二、軟件硬件設計

（一）系統(tǒng)硬件設計方案

系統(tǒng)硬件主要包括兩個部分。第一部分是負責與互聯(lián)網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)以及控制電子閥門的主控制端，第二部分是電子閥門的被控制端。主控制端采用主控制單元+ESP8266 Wi Fi模塊+傳感器+NRF24L01無線射頻通信的方案。主控制器MCU通過無線Wi Fi網(wǎng)絡向總控制臺發(fā)送不同節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)，總控制臺接收到數(shù)據(jù)并進行判斷，同樣經(jīng)過Wi Fi網(wǎng)絡到ESP8266Wi Fi模塊再到主控制器的主控制單元，經(jīng)過主控制單元將數(shù)據(jù)分析處理后，控制當前用戶所指定電子閥門的開關狀態(tài)。

（二）主控電路硬件設計

主控制器采用ATMEGA328P AU處理芯片，芯片集成了SPI、12C、USART等多種通信方式，方便與ESP8266無線WiFi單元和NRF24L0無線射頻單元配合執(zhí)行相應的操作，同時可擴展豐富的接口，方便與外圍傳感器的結(jié)合。芯片閃存容量可達32 KB，先進的精簡指令集計算機（reduced instruction set computer，RISC）體系結(jié)構(gòu)，使得內(nèi)部程序運行時可以與外圍電路更流暢、更無縫地銜接。

（三）電子閥門端硬件設計

在進行點對點的通信方式時，考慮到信息傳輸?shù)木嚯x、外界環(huán)境的干擾，以及整體功耗和成本的因素，通過NRF24L01無線射頻方案進行傳輸是較為合適的選擇。NRF24L01無線射頻單元工作在2.4～2.5GHz之間，可進行同時收發(fā)的操作，工作電流11.3mA，工作溫度40～+80℃，傳輸距離可以達到100m，能滿足多用戶電子閥門的控制指令的傳輸操作。

（四）無線網(wǎng)絡通信端硬件設計

目前，憑借穩(wěn)定、可二次開發(fā)和價格低廉的優(yōu)勢，ESP8266無線網(wǎng)絡模塊應用在很多物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。與主控芯片控制器采用串口的通信方式，供電電壓3.3V，可作為服務器或客戶端。通過設置好的密碼，系統(tǒng)可自動連接覆蓋在小區(qū)內(nèi)的Wi Fi網(wǎng)絡，進行數(shù)據(jù)與主控制臺的雙向通信。

（五）溫度采集硬件設計

本次設計采用單總線通信方案。一方面，涉及到的引腳較少，僅需要三個引腳;另一方面，這款傳感器價格低廉，比較適合量產(chǎn)開發(fā)。

三、部分軟件設計

在本次設計中，軟件設計主要包括主控制器的軟件編程設計。主控制器采集用戶家中的環(huán)境信息后，通過WiFi網(wǎng)絡傳送到總控制臺;由主控制臺通過WiFi網(wǎng)絡發(fā)送給用戶端控制器的過程中，控制器將數(shù)據(jù)進行解析，并通過串口發(fā)送給控制器后，由控制器與電子閥門端進行指令的發(fā)送控制。

四、整體系統(tǒng)調(diào)試

整體系統(tǒng)調(diào)試主要分為兩個部分。第一部分是控制器與控制臺的通信，第二部分是主控制器與電子閥門端的通信。

五、結(jié)束語

本文設計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的閥門遠程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的創(chuàng)新點是設計了從主控制臺到分用戶主控制器再到電子閥門端一體化的流程，既有利于在這三端進行數(shù)據(jù)的通信，又有利于相關部門對不同用戶進行特定化的方案設計。系統(tǒng)在保證硬件成本的前提下，達到了節(jié)約能源，減少排放的目的。雖然本文對這一體化設計進行了研究，但是由于試驗條件、人力物力等多方面的限制，所以本文僅是對于想法的初步設計和簡單的測試，如果想對本文設計的方案進行一定的推廣和量產(chǎn)，還需要進一步的優(yōu)化實踐，進行整體系統(tǒng)的完善。