基于ZigBee的公寓電供暖溫控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

寧蒙

摘要：出于節(jié)能減排的需要，一些學(xué)校的公寓供暖采用了電供暖方式，在供暖管理系統(tǒng)中，溫度檢測和電源控制和信號傳輸是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為便于后期管理和維護升級，可采用滿足短距離、低功耗的無線通信技術(shù)來收集和傳送數(shù)據(jù)。本文介紹一個基于Zigbee的學(xué)校公寓電供暖溫控系統(tǒng)的具體實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：Zigbee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；多點溫度采集

中圖分類號：TP273.5 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）01-0164-01

某校為一所寄宿制學(xué)校，學(xué)校共有三棟公寓樓，均為相同結(jié)構(gòu)的六層建筑，供暖采用電供暖。原有的電供暖系統(tǒng)的溫控方式是在每個房間布設(shè)基于有線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)溫度檢測與電源控制模塊，數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳到集中控制器，并根據(jù)用戶設(shè)置給出的溫度控制信息進行比較，對各房間的供暖設(shè)備控制啟動與關(guān)閉，進而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。在實際運行中，這種模式一旦網(wǎng)絡(luò)終端與控制模塊接觸不良或損壞，將直接導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，系統(tǒng)復(fù)雜并且可擴展性、可管理性比較差。經(jīng)過幾年運行，需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上對溫控系統(tǒng)進行升級改造。經(jīng)過多方論證，決定采用基于Zigbee模式的公寓電供暖溫控系統(tǒng)。

1 電供暖溫控系統(tǒng)設(shè)計思路和框架

因為是舊系統(tǒng)改造，結(jié)合以往使用中的經(jīng)驗，經(jīng)過廣泛征詢總務(wù)部門及公寓管理部門和學(xué)生管理部門的建議，對公寓溫控管理系統(tǒng)提出以下需求。

（1）各溫度傳感測量節(jié)點模塊應(yīng)便于布設(shè)和管理，并可以實時進行數(shù)據(jù)采集和傳輸，數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)采用無線自組網(wǎng)方式。

（2）電暖氣的電源啟?？梢栽诿總€樓層的專用電源箱中設(shè)置智能電控模塊進行管理。

（3）考慮實際應(yīng)用，可以使用數(shù)據(jù)分析處理機進行數(shù)據(jù)集中匯總和溫度集中控制。同時，也應(yīng)支持管理員通過手機APP獲取樓層各個房間狀態(tài)信息并臨時進行遠(yuǎn)程控制。

（4）除了集中溫控功能以外，可以由管理員設(shè)置人工強制方式、定時方式，并將管理策略下達(dá)到智能電控機存儲。

（5）網(wǎng)絡(luò)信號中斷或主控部分異常情況下，智能電控模塊可以自動判斷，并可根據(jù)預(yù)設(shè)值自動進入時間段供暖方式進行，設(shè)置為在線模式和離線模式運行，增強整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性。

（6）系統(tǒng)應(yīng)該能夠提供數(shù)據(jù)分析與報表功能，對供暖連續(xù)不達(dá)標(biāo)及過熱現(xiàn)象自動預(yù)警。

從溫控系統(tǒng)整體設(shè)計來說并不復(fù)雜，其工作流程是獲取實時房間溫度信息，上傳服務(wù)器，并根據(jù)預(yù)設(shè)值下達(dá)電暖氣電源啟停指令，從而實現(xiàn)溫控。根據(jù)上述用戶需求，考慮到目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)相對成熟，可以采用Zigbee技術(shù)來實現(xiàn)上述功能。

ZigBee最大的特點就是低功耗、低成本、可組網(wǎng)、穩(wěn)定可靠，各個節(jié)點可以相互協(xié)作建立它們之間的雙向連接，自主實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)初始化、監(jiān)測任務(wù)啟動和網(wǎng)絡(luò)故障自我修復(fù)等一系列工作。特別是其帶有路由的可組網(wǎng)功能，Zigbee覆蓋的通訊面積最大限度的擴展，比較適合溫度控制這樣的數(shù)據(jù)流量小的業(yè)務(wù)。因此本系統(tǒng)決定采用基于Zigbee的無線自組網(wǎng)模式來設(shè)計公寓電供暖溫控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用全IP技術(shù)，末端設(shè)備基于Zigbee技術(shù)，并借助“云”技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程移動控制。

2 電供暖溫控系統(tǒng)設(shè)計與實施

系統(tǒng)采用基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的無線方式通過溫度測量節(jié)點收集公寓各個房間的溫度實時數(shù)據(jù)，并傳輸至樓層Zigbee數(shù)據(jù)匯聚器，經(jīng)過匯聚后通過網(wǎng)絡(luò)連接到數(shù)據(jù)分析處理機，并保存到數(shù)據(jù)庫以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。根據(jù)管理策略由數(shù)據(jù)分析處理機或手機APP向各樓層數(shù)據(jù)匯集器下達(dá)控制指令，并向樓層電暖氣電氣控制箱中的智能電源控制模塊下達(dá)啟停命令實現(xiàn)電供暖溫度控制。

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

公寓電暖氣控制系統(tǒng)主要由溫度采集、數(shù)據(jù)分析處理和供暖設(shè)備電源控制幾大部分組成。具體由以下幾部分組成：

（1）溫度采集模塊：采用基于Zigbee的無線溫度采集模塊，溫度傳感器模塊實現(xiàn)加入網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)上傳、通信等功能。通過各個溫度采集終端采集實時數(shù)據(jù)，無線傳輸至樓層數(shù)據(jù)匯聚器。

（2）樓層數(shù)據(jù)匯聚器。Zigbee終端的傳輸距離一般在10～75m的范圍內(nèi)，依據(jù)發(fā)射功率的大小和應(yīng)用模式仍可以繼續(xù)增加其傳輸距離。在每個樓層設(shè)置一臺Zigbee數(shù)據(jù)匯聚器，負(fù)責(zé)組建Zigbee網(wǎng)絡(luò)分配網(wǎng)絡(luò)地址的功能，完成溫度傳感器模塊與上位機數(shù)據(jù)的透明傳輸。同時該匯集模塊兼Zigbee網(wǎng)關(guān)，將對應(yīng)信息同時上傳“云”，管理員可以通過其利用手機APP獲取樓層房間狀態(tài)信息并進行遠(yuǎn)程控制。

（3）數(shù)據(jù)分析處理機：該機負(fù)責(zé)由樓層數(shù)據(jù)匯聚器轉(zhuǎn)發(fā)的各公寓樓每個房間的溫度狀態(tài)信息，將溫度采集終端反饋的數(shù)據(jù)匯總到數(shù)據(jù)庫，根據(jù)用戶預(yù)先的溫度控制方案下達(dá)控制信息。控制參數(shù)可以通過web 模式或手機APP方式設(shè)置并提供數(shù)據(jù)報表等服務(wù)。

（4）供暖設(shè)備控制（智能電控機），服務(wù)臺根據(jù)分析處理結(jié)果通過電控機控制供暖設(shè)備，將控制指令信號發(fā)送到樓層數(shù)據(jù)匯聚器，向每個樓層電暖氣控制箱中基于Zigbee的智能電控機發(fā)出啟停指令。智能電控機應(yīng)能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，并可根據(jù)模式設(shè)置及網(wǎng)絡(luò)傳輸信號情況進行自動控制，可實現(xiàn)按預(yù)先設(shè)置模式脫機運行。應(yīng)采用高穩(wěn)定性和高質(zhì)量、高功率交流接觸器滿足電暖氣系統(tǒng)啟停需要。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件部分主要是數(shù)據(jù)分析處理模塊（管理平臺）設(shè)計、修改數(shù)據(jù)匯聚器后臺接口數(shù)據(jù)、手機端APP設(shè)計以及智能電控機工作模式設(shè)置。

數(shù)據(jù)分析處理模塊主要用VS2005進行設(shè)計，主要是接收溫度數(shù)據(jù)并在監(jiān)控界面顯示，并可設(shè)置管理策略，下達(dá)管理指令。同時管理平臺支持采用B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)，采用SQL SERVER 2005，利用ADO.NET技術(shù)將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。遠(yuǎn)程WEB服務(wù)器使用微軟的ASP.NET技術(shù)開發(fā)了基于B/S架構(gòu)的數(shù)據(jù)管理服務(wù)軟件，方便用戶隨時查看、統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)匯聚模塊的軟件設(shè)計主要基于Z-Stack完成，主要完成組建網(wǎng)絡(luò)，收集溫度采集模塊上傳數(shù)據(jù)和將溫度數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)傳給上位機，并可具有小范圍管理功能，將數(shù)據(jù)通過“云”傳輸，并支持手機APP端進行監(jiān)控和控制。溫度采集模塊主要負(fù)責(zé)通信協(xié)議定制、尋網(wǎng)、采集和存儲溫度數(shù)據(jù)、上傳給數(shù)據(jù)匯聚模塊。電控機模塊接受控制信號并作出相應(yīng)啟停操作，還可以通過嵌入軟件將程序和配置文件自動下載至芯片中，包括后臺參數(shù)和工作模式修改及存儲保存。

本公寓電供暖溫控系統(tǒng)采用了Zigbee技術(shù)，系統(tǒng)運行可靠，管理便捷，提供了靈活的控制模式，達(dá)到了預(yù)期的目的。這也體現(xiàn)出zigbee技術(shù)在智能控制領(lǐng)域應(yīng)用的廣泛前景。

Abstract：For the need of energy conservation and emission reduction， some school apartments heating is adopting electric heating method.In the heating management system， temperature detection and power control and signal transmission are the key links.For facilitate late-stage Management and Maintenance upgrade， wireless communication with low power consumption and short distance technology to collect and Transmit data.This paper introduces how to design and the realization of Electric Heating Temperature Control System in school apartment Based on Zigbee.

Key words：Zigbee；wireless sensor network；multi-point temperature acquisition