基于太陽能及液體儲能的智能崗?fù)乜叵到y(tǒng)

梁麗勤,余牧舟,楊俊峰,羅銳捷,王子涵,劉 揚(yáng)

(東北大學(xué) 秦皇島分校 a.實(shí)驗教育中心； b.控制工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

崗?fù)な侵钢祶従l(wèi)的小屋或亭子，廣泛用于門衛(wèi)安保、武警執(zhí)勤、交警指揮、道路收費(fèi)、停車場出入口、體育場館進(jìn)出口、收費(fèi)處、碼頭、治安哨所和小區(qū)門衛(wèi)等室外場景. 它一般包括支撐柱、框架、圓弧群邊、外面板、內(nèi)面板、崗?fù)?nèi)壁、底座、內(nèi)吊頂、外頂、活動門、活動窗、配置(日光燈、開關(guān)、電器插座、排氣扇、地板)，有時也會加配工作臺面、空調(diào)架等. 一般要求內(nèi)導(dǎo)式排水結(jié)構(gòu)，無屋檐滴水，雨天方便出入，密封性及隔音性能好，夏天隔熱，冬天保溫. 但傳統(tǒng)崗?fù)ひ琅f有很多不足之處. 例如大多數(shù)崗?fù)つ茉聪亩紒碜酝饨与娫矗貏e是在冬季供暖方面，多采用空調(diào)供暖，這樣一方面會增加崗?fù)ぞS護(hù)消耗成本，另一方面也不利于節(jié)能環(huán)保. 另外傳統(tǒng)崗?fù)ぴ谙募净蚨镜葴囟葮O端季節(jié)需要消耗大量電能，再加上崗?fù)じ魺嵝阅懿患眩娔芟母用黠@. 而針對目前問題，解決方法多采用新型的隔熱材料，或?qū)⒓泄┡呐瘹夤艿佬薜綅復(fù)じ浇蛟趰復(fù)ぶ車惭b加熱管. 如在上海迅捷建筑配套工程有限公司其官網(wǎng)發(fā)布的一則產(chǎn)品介紹公告顯示，其研制的崗?fù)げ扇〉剌棢峁┡到y(tǒng)，崗?fù)さ鬃鶠殇X花紋板長方體，中間設(shè)置有加熱管線，但這樣的設(shè)計也有一定弊端，整個供暖系統(tǒng)過于復(fù)雜，設(shè)計安裝維護(hù)成本較高，不易實(shí)現(xiàn)普及. 在墻壁材料方面，中國建材報2010年報告了天津的崗?fù)げ捎霉杷猁}綠色工藝水泥，摻加廢鋼渣、電粉灰及建筑垃圾等為原材料制作為崗?fù)Ρ?，這樣的設(shè)計提高了崗?fù)さ谋匦阅?，但其功能過于單一，且單純的材料改進(jìn)無法實(shí)現(xiàn)智能溫度控制，因此，將新型的保溫材料與智能溫控加熱系統(tǒng)緊密結(jié)合才能起到“1+1>2”的效果.

本文所設(shè)計的智能崗?fù)?，利用了單片機(jī)、醋酸鈉和現(xiàn)代信息技術(shù)等，在一定程度上解決了傳統(tǒng)崗?fù)ぞS護(hù)成本高、耗電量大和隔熱性差等不足.

1 整體研究設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

智能崗?fù)さ脑O(shè)計方案分為系統(tǒng)硬件設(shè)計、系統(tǒng)軟件設(shè)計和互聯(lián)網(wǎng)+功能設(shè)計,如圖1所示. 首先，使用太陽能發(fā)電模塊，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能存儲在蓄電池中，為所使用的STM32MINI型號單片機(jī)和SWD系列溫度傳感器和散熱芯片持續(xù)供電. 溫度傳感器將所測得的室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)通過已編入的程序判斷并對散熱片發(fā)出控制信號，實(shí)現(xiàn)散熱片散熱供暖. 除此，利用過飽和醋酸鈉溶液為輔助供熱裝置，其結(jié)晶過程釋放熱量來維持室內(nèi)溫度. 在散熱片再次加熱時，醋酸鈉晶體將重新溶入其溶液中，實(shí)現(xiàn)醋酸鈉的循環(huán)利用. 其次，利用編程語言為單片機(jī)設(shè)定室內(nèi)恒定溫度，并將其與溫度傳感器傳輸?shù)臏囟冗M(jìn)行比較大小，單片機(jī)根據(jù)比較結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的控制信號. 最后，利用大數(shù)據(jù)，設(shè)計出能夠顯示實(shí)時溫度和耗電量的APP，并通過藍(lán)牙傳輸技術(shù)將單片機(jī)中的溫度傳輸?shù)绞謾C(jī)上.

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計與內(nèi)部聯(lián)系示意圖

1.2 外觀造型及使用方式

智能崗?fù)び?部分構(gòu)成：供電系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其外觀如圖2所示. 供電系統(tǒng)采用太陽能電池板為崗?fù)す┙o能源，利用白天儲蓄的電能為加熱系統(tǒng)供熱，為控制系統(tǒng)供電. 加熱系統(tǒng)以散熱片為主要供熱結(jié)構(gòu)，利用太陽能電池板提供的電能加熱崗?fù)ひ蕴岣咂涫覂?nèi)溫度. 同時加熱系統(tǒng)也將以過飽和醋酸鈉溶液為輔助供熱裝置[1]，利用醋酸鈉結(jié)晶過程釋放熱量維持室內(nèi)溫度或減緩其下降速度. 在散熱片再次加熱時，醋酸鈉晶體將重新溶入其溶液中，實(shí)現(xiàn)醋酸鈉的循環(huán)利用. 控制系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)控制，設(shè)定程序當(dāng)崗?fù)な覂?nèi)溫度低于某一溫度閾值時啟動散熱片工作，當(dāng)溫度高于某溫度閾值時停止散熱片，控制室內(nèi)溫度在合適溫度間浮動，減少不必要散熱片工作而造成的能量損失.

圖2 智能崗?fù)さ耐庥^造型圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)硬件部分由單片機(jī)STM32MINI核心控制模塊、溫度傳感器測溫模塊、散熱器模塊、太陽能發(fā)電系統(tǒng)模塊和醋酸鈉水溶液循環(huán)加熱模塊構(gòu)成，如圖3所示. 其中，太陽能發(fā)電系統(tǒng)模塊為整個系統(tǒng)供電；溫度傳感器用于檢測外界溫度；單片機(jī)作為核心控制系統(tǒng)，可以在其中編寫溫控函數(shù)，同時，其可接受溫度傳感器發(fā)送的信號，并對散熱器模塊是否工作加以控制；醋酸鈉水溶液循環(huán)加熱模塊由飽和醋酸鈉水溶液構(gòu)成，溫度降低，醋酸鈉晶體析出，放出熱量，實(shí)現(xiàn)加熱；散熱器模塊由32單片機(jī)控制，用于在溫度低于閾值時加熱醋酸鈉溶液，令析出的醋酸鈉晶體再次溶解到溶液中. 各模塊相互緊密聯(lián)系，密切配合，以實(shí)現(xiàn)智能溫度控制.

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計總體關(guān)系

2.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)是整個控制系統(tǒng)的核心與靈魂. 本系統(tǒng)選擇STM32MINI型號單片機(jī)，其內(nèi)核為Cortex-M3 32-bit RISC，其工作電壓在2～3.6 V，工作頻率在72 MHz，具有51個I/O口，具有啟動轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和計數(shù)等多種功能. 在單片機(jī)中寫入溫度控制函數(shù)，將17 ℃設(shè)置為是否加熱的零界溫度，其中2個I/O口用于接收溫度傳感器輸入的所測溫度，2個I/O口用于連接散熱片輸出控制信號. 如果傳感器傳送的輸入溫度值小于零界溫度，那么將會傳出控制信號，使加熱片加熱；如果傳感器傳送的輸入溫度值等于或者大于零界溫度，那么單片機(jī)不會輸出控制信號，散熱器停止工作[2].

2.2 溫度傳感器測溫模塊

該模塊使用SWD系列溫度傳感器，該傳感器是鉑金制成的測溫度的電阻器，可用來測量各種液體、氣體等流體的溫度. 具有精度高、分辨度好、安全可靠、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，也可以直接測量生產(chǎn)過程中的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)的溫度. 在本系統(tǒng)中，SWD溫度傳感器利用鉑金屬(PT100)在崗?fù)な覂?nèi)溫度變化時自生電阻也隨著變化的特性來測量溫度. 受熱元件是細(xì)鉑絲，均勻地雙繞在絕緣材料制成的骨架上，工作范圍為-200～650 ℃[3]. 因此可以作為本文的測溫儀器. 工作原理以及電路設(shè)計如下：

整個電路分為2部分,一是傳感器前置放大電路,一是單片機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換和顯示、控制、軟件非線性校正等部分.

按照PT100的參量,其在0～500 ℃的區(qū)間內(nèi),電阻值為100～280.9 Ω，按照其串聯(lián)分壓的啟發(fā)，使用公式[3]：

可以計算出其在整百℃時的輸出電壓,V0的單位為mV.

開篇抒寫自己有好古的道德情操，希望輔佐明主，像姜子牙遇到周文王那樣風(fēng)云際會。濃墨重彩地鋪敘自己承詔入宮，侍候翰林，受天子賞識、名揚(yáng)天下的人生順境，一旦失勢后身如飄蓬。

單片機(jī)的10位A/D在滿度量程下，最大顯示為1 023字，為了得到 PT100 傳感器輸出電壓在顯示500字時的單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換輸入電壓，必須對傳感器的原始輸出電壓進(jìn)行放大，放大倍數(shù)β[4]為

當(dāng)系統(tǒng)供電VCC=5 V時，可以得到放大倍數(shù)β=10.466 .

從傳感器前置放大電路輸出的信號被發(fā)送到 HT46R23 的 A/D 轉(zhuǎn)換輸入端口(PB0/AN0)，由單片機(jī)做必需處理. 首先是進(jìn)行軟件非線性校正，把輸入信號按照不同的溫度值劃分為不同段，再根據(jù)其所在的段分別乘以不同的補(bǔ)償系數(shù)，令其與理論值盡量接近，經(jīng)過非線性校正的數(shù)值，作為最終的輸出信號，并與所設(shè)定的溫度控制值進(jìn)行比較.

2.3 散熱器模塊

散熱芯片功率的大小與室內(nèi)面積成正比. 由于室內(nèi)體積不大所以10 W的散熱片即可滿足加熱需求.

散熱片的核心是1組加熱電阻絲，當(dāng)控制信號進(jìn)入時，根據(jù)電流的熱效應(yīng)，發(fā)熱電阻會產(chǎn)生熱量，并通過風(fēng)扇將熱量傳至整個室內(nèi)，從而提高室內(nèi)溫度.

2.4 太陽能發(fā)電系統(tǒng)模塊

實(shí)驗使用的電池板由晶體硅制成. 其由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池(組)等部分組成. 各部分的作用為[5]：

1)太陽能電池板. 太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為電能，或者送往蓄電池中存儲，或者推動負(fù)載工作[6].

2)太陽能控制器. 太陽能控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用. 在溫差較大處，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ? 其他附加功能如光控開關(guān)、時控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項[7].

3)蓄電池. 一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池. 其作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存，需要時再釋放出來[5].

2.5 醋酸鈉水溶液循環(huán)加熱模塊

由于醋酸鈉在水中溶解度非常好，利用飽和醋酸鈉水溶液結(jié)晶原理，當(dāng)溫度一旦降低，醋酸鈉就會結(jié)晶而放出一部分熱量，加熱使室內(nèi)溫度. 而當(dāng)溫度由散熱片再次加熱升溫之后，結(jié)晶的醋酸鈉就會重新溶解. 當(dāng)溫度再次降低時，醋酸鈉再次結(jié)晶放熱而加熱. 在整個過程中，由于溫度的變化不大，所以醋酸鈉的結(jié)晶與溶解基本可以實(shí)現(xiàn)飽和溶液的結(jié)晶放熱和生成飽和溶液，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水溶液的循環(huán)加熱功能[10].

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

程序主要有溫度初始化設(shè)定、傳感器輸入溫度模塊、溫度大小判斷模塊、輸出控制信號模塊和藍(lán)牙通信模塊. 系統(tǒng)上電后，單片機(jī)通過reset按鍵復(fù)位，程序運(yùn)行到主函數(shù)開始處進(jìn)行各模塊初始化，其中包括系統(tǒng)時鐘信號初始化，設(shè)置單片機(jī)波特率為9 600 bit/s，設(shè)置初始溫度值為18 ℃，單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸端口1，2和3初始化，工作指示燈初始化等[11]. 在當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)通過端口1傳入單片機(jī)后，程序是在if判斷語句的控制下完成對當(dāng)前溫度和設(shè)定初始溫度大小的判斷，如果當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)小于初始溫度，單片機(jī)將此時的溫度通過端口3傳輸給電腦，即電腦顯示當(dāng)前溫度. 并且單片機(jī)通過端口2將控制信號發(fā)送給散熱片，散熱片內(nèi)部發(fā)熱電阻開始發(fā)熱[12]. 如果當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)大于初始溫度，單片機(jī)再次把數(shù)據(jù)通過端口3傳輸給電腦，但不會將控制信號發(fā)送給散熱片. 單片機(jī)通過散熱片控制溫度以完成提高溫度的過程的流程圖與相關(guān)程序代碼如圖4～5所示.

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

圖5 部分程序代碼

4 “互聯(lián)網(wǎng)+”功能實(shí)現(xiàn)

本溫度控制系統(tǒng)融合了“互聯(lián)網(wǎng)+”概念，既有相關(guān)APP可供保安人員了解當(dāng)前室內(nèi)溫度信息，也有大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)挖掘. 該溫度控制系統(tǒng)可以與不同保安人員進(jìn)行“一對一”的相互交流，實(shí)現(xiàn)智能化效果.

4.1 APP主要功能和界面設(shè)計

4.1.1 登錄界面

在登錄界面，使用者需要輸入賬號和登錄密碼，供服務(wù)端進(jìn)行登錄驗證. 使用者在登錄后可以按照操作填寫相關(guān)數(shù)據(jù)，包括崗?fù)ぞ幪?，設(shè)定零界溫度等信息. 這些信息被儲存到云端崗?fù)囟瓤刂菩畔?shù)據(jù)庫，供相關(guān)人員使用.

4.1.2 主界面

手機(jī)APP系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用WeX5作為開發(fā)工具，WeX5開發(fā)的手機(jī)應(yīng)用移植性好，也可以調(diào)用本地的硬件資源，用戶體驗優(yōu)良[13]. 在APP主界面，安保人員可以看到當(dāng)前室內(nèi)溫度，升溫耗電量等信息. 使用者點(diǎn)擊左下方的“溫度變化”還可以查看1周至1個月的室內(nèi)溫度變化情況，溫度變化情況以曲線圖的形式展現(xiàn). 手機(jī)與訓(xùn)練器之間保持藍(lán)牙連接，數(shù)據(jù)互相同步并被儲存到云端，避免相關(guān)數(shù)據(jù)丟失.

5 實(shí)驗與結(jié)果分析

5.1 實(shí)驗前期準(zhǔn)備

為了更好地驗證系統(tǒng)的可靠性與靈敏性，制作了整套智能崗?fù)乜叵到y(tǒng)的模型，通過等比例縮放來恰當(dāng)用實(shí)驗數(shù)據(jù)反映現(xiàn)實(shí)情況. 整套系統(tǒng)中，智能崗?fù)つＰ瓦x用12 cm×6 cm×6 cm的玩具警車；核心控制模塊選用STM32F103型單片機(jī)；溫度檢測裝置選用DS18B20溫度傳感器；加熱裝置選用功率為10 W的加熱芯片；過飽和醋酸鈉水溶液選用溶解度為124 g/100 gH2O的無水乙酸鈉500 g配置；供電裝置選用功率為25 W的SWM25M125單晶硅太陽能電池板(線度為1 mm2，線纜長度為1 m，尺寸為426 mm×446 mm×28 mm，質(zhì)量為2.7 kg)[14].

5.2 實(shí)驗過程

將整個實(shí)驗裝置放置在露天環(huán)境中，將溫度傳感器放入崗?fù)つＰ椭校瑢⑵? V端口通過USB轉(zhuǎn)TTL線接入太陽能電池板連接的穩(wěn)壓源上；GND引腳用導(dǎo)線與STM32單片的GND引腳相連接，實(shí)現(xiàn)共地接法；TX引腳與單片機(jī)Pb11引腳連接，RX引腳與單片機(jī)Pb10引腳連接,實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信；STM32單片機(jī)在崗?fù)ね獠?，其TX與RX引腳、GND引腳通過USB轉(zhuǎn)TTL接頭連接到筆記本電腦上，便于將實(shí)驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X的串口上，便于后期數(shù)據(jù)處理、分析[15]，同時，單片機(jī)的3.3 V引腳與太陽能電池板連接的穩(wěn)壓源連接；加熱芯片在與單片機(jī)連接，其放置進(jìn)裝有醋酸鈉過飽和溶液的袋子里，再將袋口密封好；太陽能電池板放在向陽處，設(shè)置好角度. 最后，在溫控模塊編程程序中將最低閾值溫度設(shè)置為22 ℃，即低于此溫度后，單片機(jī)控制加熱芯片工作，加熱醋酸鈉溶液，將結(jié)晶析出的醋酸鈉晶體再次溶進(jìn)水中.

測試時間為24 h，從2018年3月3日早上7點(diǎn)到3月4日的早上7點(diǎn)，測試地點(diǎn)位東北大學(xué)秦皇島分?；A(chǔ)樓2樓陽臺，北緯N39°55′39.23″ 東經(jīng)E119°38′9.39″.

待24 h電腦采集好數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析處理. 時間上選取19:00到次日7:00，每隔30 min記錄1次溫度數(shù)據(jù)，將整理出的溫度與時間數(shù)據(jù)制成隨時間變化的曲線圖，如圖6所示.

圖6 θ-t圖像

5.3 數(shù)據(jù)分析

通過數(shù)據(jù)分析，醋酸鈉飽和溶液可用于散熱時間約為1 h，加熱芯片加熱時間約為10 min，溫度在夜晚的12 h中，規(guī)律地在22～25 ℃上下波動，證明該系統(tǒng)能夠有效、靈敏、較為準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)溫度測量和溫度控制.

6 結(jié)束語

設(shè)計了基于太陽能及液體儲能的智能崗?fù)槔唧w闡述了其工作原理、軟硬件實(shí)現(xiàn)過程以及實(shí)驗結(jié)果. 該系統(tǒng)采取了智能控制技術(shù)，并且與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，十分智能可靠地實(shí)現(xiàn)了崗?fù)さ臏乜厝∨?，同時，其采取的清潔能源與可循環(huán)利用材料也順應(yīng)了當(dāng)下節(jié)能減排，低碳生活的大主題.