多功能自動(dòng)供暖控制系統(tǒng)

崔羊威（通訊作者），楊洋

（漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南漯河，462002）

0 引言

目前，農(nóng)村或城市供暖受到能源、供暖距離等多方面的限制，農(nóng)村采用集中供暖成本太高，用戶只能采用暖爐或空調(diào)供暖，暖爐燃燒煤炭污染環(huán)境，且可能造成CO 中毒；空調(diào)制熱供暖效率低，制熱效果差，電量消耗大，且沒有自動(dòng)換風(fēng)系統(tǒng)，室內(nèi)空氣質(zhì)量變差，容易引發(fā)呼吸道疾病。城市采用集中供暖的方式，但多數(shù)住戶沒有換風(fēng)系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)，長時(shí)間未開窗通風(fēng)導(dǎo)致細(xì)菌滋生引發(fā)疾病等，多功能供暖控制系統(tǒng)采用電熱水器和天然氣兩種加熱方式提供熱源，對(duì)于個(gè)體供暖和集中供暖都適用，系統(tǒng)排出的水經(jīng)過循環(huán)之后再次進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行加熱，整個(gè)系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保，還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)的空氣質(zhì)量，且能連入物聯(lián)網(wǎng)。

1 系統(tǒng)總體方案

多功能自動(dòng)供暖控制系統(tǒng)由遠(yuǎn)程終端、控制中心和供暖控制子系統(tǒng)三個(gè)部分組成。遠(yuǎn)程終端完成指令的發(fā)送和接收，控制中心完成指令的解析、轉(zhuǎn)發(fā)以及整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)的顯示等功能。供暖控制子系統(tǒng)完成冬天家用供暖功能以及室內(nèi)空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)、溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)以及參數(shù)設(shè)置等功能，可被控制中心和遠(yuǎn)程終端控制。整個(gè)供暖控制子系統(tǒng)可采用電熱水器、天然氣這兩種方式提供熱源，也可采用兩種加熱方式混合供暖，三種供暖形式通過MCU 控制兩個(gè)電磁閥[1]完成切換。系統(tǒng)可在TFT 彩屏上顯示對(duì)應(yīng)供暖方式、當(dāng)前室溫、當(dāng)前水溫、室內(nèi)CO2含量、溫濕度等相關(guān)參數(shù)，多功能自動(dòng)供暖控制系統(tǒng)的總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

控制中心采用低功耗單片機(jī)MSP430F149作為控制器，供暖控制子系統(tǒng)采用32 位的STM32F103C8T6 作為控制器。整個(gè)系統(tǒng)有兩種控制方式，第一種是遠(yuǎn)程終端給控制中心發(fā)信息，控制中心的GPRS 模塊接收到指令后通過串口發(fā)給控制中心，控制中心解析后通過LoRa 無線射頻模塊發(fā)送給供暖控制子系統(tǒng)，供暖控制子系統(tǒng)接收后進(jìn)行解析，根據(jù)遠(yuǎn)程終端指令選擇供暖方式，實(shí)現(xiàn)供暖方式切換、以及對(duì)加濕器、自動(dòng)窗的控制。第二種方式是供暖控制子系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)控制，溫濕度傳感器檢測(cè)到室溫達(dá)到設(shè)定值后，關(guān)斷電磁閥，溫度下降到設(shè)定下限后，自動(dòng)開啟電磁閥供熱水提高室溫；溫濕度傳感器檢測(cè)到室內(nèi)濕度過低后自動(dòng)開啟加濕器并聲光報(bào)警，濕度達(dá)到設(shè)定值后自動(dòng)關(guān)閉加濕器；CO2傳感器檢測(cè)到CO2含量過高時(shí)，自動(dòng)開窗進(jìn)行換風(fēng)，CO2含量降低到下限后，自動(dòng)關(guān)窗。下面逐一分析遠(yuǎn)程終端、控制中心、供暖控制子系統(tǒng)的執(zhí)行流程和原理。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

■2.1 控制中心硬件設(shè)計(jì)

控制中心由單片機(jī)最小系統(tǒng)[2]、LoRa 無線通信模塊、GPRS 模塊[3]、對(duì)碼鍵、功能鍵以及TFT 彩屏顯示模塊組成。GPRS 模塊和MCU 采用串口協(xié)議進(jìn)行通信，采用全透?jìng)鞯哪Ｊ浇邮帐謾C(jī)發(fā)來的命令；LoRa 無線射頻模塊和單片機(jī)采用SPI 協(xié)議進(jìn)行通信，LoRa 無線射頻模塊和單片機(jī)通信的硬件電路如圖2 所示。

圖2 LoRa 無線射頻模塊電路

LoRa[4]無線射頻模塊的核心是SX1276/8 系列的擴(kuò)頻調(diào)制射頻芯片，采用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，功耗低，休眠電流0.2uA，接收電流12mA，發(fā)射電流29mA@13dBm，和常見的GFSK 芯片Si4438 和CC1125 接近，但是通信距離是GFSK芯片的3 倍。

對(duì)碼鍵是控制中心和多個(gè)子系統(tǒng)組網(wǎng)時(shí)的配對(duì)按鍵，只有和控制中心配對(duì)成功的子系統(tǒng)才能和控制中心進(jìn)行通信，配對(duì)的原理是配對(duì)雙方都按下對(duì)碼鍵，控制中心向子系統(tǒng)發(fā)送子系統(tǒng)的地址，子系統(tǒng)接收到地址后將地址保存到flash內(nèi)部，以后啟動(dòng)時(shí)首先讀取地址，子系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)后首先對(duì)比地址是否和自己相同，相同的話對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，否則不做任何處理，控制中心和下一個(gè)子系統(tǒng)配對(duì)時(shí)，發(fā)送的地址自動(dòng)增加，以此來區(qū)分是給誰的數(shù)據(jù)。功能鍵是為了設(shè)置溫濕度上下限以及供暖形式。

■2.2 供暖控制子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

供暖控制子系統(tǒng)的硬件電路主要包括供暖方式切換電路、濕度調(diào)節(jié)電路、溫度調(diào)節(jié)電路、空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)電路、管道壓力調(diào)節(jié)電路、功能鍵電路。

2.2.1 供暖方式切換電路設(shè)計(jì)

供暖方式切換分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，手動(dòng)模式使用功能鍵用來選擇供暖方式；自動(dòng)模式主要根據(jù)水溫調(diào)節(jié)三種供暖方式，溫濕度傳感器檢測(cè)到室溫達(dá)到設(shè)定值后，關(guān)斷進(jìn)水電磁閥，溫度下降到設(shè)定下限后，自動(dòng)開啟進(jìn)水電磁閥供熱水提高室溫，換水時(shí)先打開放水電磁閥，再打開進(jìn)水電磁閥將熱水注入到暖氣片或地暖中。系統(tǒng)排出的水經(jīng)過循環(huán)之后再次進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行加熱，更加的節(jié)能環(huán)保，并可在TFT 彩屏上顯示對(duì)應(yīng)供暖方式，當(dāng)前室溫、當(dāng)前水溫、室內(nèi)CO2含量、溫濕度等相關(guān)參數(shù)，溫度的上下限設(shè)置由功能鍵完成，供暖方式切換電路如圖3 所示。

圖3 供暖方式切換電路

2.2.2 濕度調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)

對(duì)于自動(dòng)調(diào)節(jié)模式，當(dāng)空氣濕度小于設(shè)定下限的時(shí)候，控制繼電器吸合，讓加濕器開始工作，當(dāng)濕度達(dá)到設(shè)定上限時(shí)，三極管驅(qū)動(dòng)繼電器斷開，加濕器停止工作。溫濕度的上下限設(shè)置由功能鍵完成。

2.2.3 空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)

室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)采用TVOC 型氣體空氣質(zhì)量傳感器[5]，采用IIC 協(xié)議和單片機(jī)進(jìn)行通信，對(duì)于自動(dòng)調(diào)節(jié)模式，當(dāng)CO2含量超過設(shè)定上限時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，推動(dòng)窗戶打開，當(dāng)CO2含量低于設(shè)定下限時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，關(guān)閉窗戶。CO2含量的上下限設(shè)置是由功能鍵完成，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4 所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3 軟件實(shí)現(xiàn)

■3.1 程序流程圖

多功能自動(dòng)供暖控制系統(tǒng)由3 部分組成，遠(yuǎn)程終端完成指令的發(fā)送和接收，控制中心完成指令的解析和轉(zhuǎn)發(fā)，以及整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)的顯示，供暖控制子系統(tǒng)完成冬天家用供暖功能以及室內(nèi)空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)、溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)以及參數(shù)設(shè)置等功能，室內(nèi)空氣質(zhì)量不達(dá)標(biāo)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整門窗、加濕器，并進(jìn)行聲光報(bào)警。供暖控制子系統(tǒng)初始化后，判斷溫度是否在設(shè)定范圍內(nèi)，如果超出范圍進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，如果不超標(biāo)判斷濕度是否在設(shè)定范圍內(nèi)，超出設(shè)定范圍進(jìn)行濕度調(diào)節(jié)，如果沒有超出設(shè)定范圍，判斷CO2含量是否超出設(shè)定范圍，超出設(shè)定范圍調(diào)用空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)，供暖控制子系統(tǒng)的流程圖如圖5 所示。

圖5 供暖控制子系統(tǒng)流程圖

■3.2 通信協(xié)議

遠(yuǎn)程終端給控制中心發(fā)指令，控制中心上的GPRS 接收到指令后，經(jīng)控制中心解析后轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)子系統(tǒng)，因有多個(gè)子系統(tǒng)和控制中心通信，所以要制定相應(yīng)的通信協(xié)議，供暖控制子系統(tǒng)接收到指令后，可進(jìn)行相應(yīng)的控制，子系統(tǒng)和控制中心的通信協(xié)議如表1 所示。

表1 子系統(tǒng)和控制中心的通信協(xié)議

4 結(jié)語

多功能自動(dòng)供暖控制系統(tǒng)解決了冬天沒有暖氣的問題，系統(tǒng)根據(jù)遠(yuǎn)程終端指令、手動(dòng)按鍵或根據(jù)室溫自動(dòng)調(diào)節(jié)三種供暖方式。系統(tǒng)可根據(jù)空氣質(zhì)量進(jìn)行聲光報(bào)警、自動(dòng)啟動(dòng)加濕器或打開門窗進(jìn)行通風(fēng)，可在TFT 彩屏上顯示對(duì)應(yīng)供暖方式、當(dāng)前室溫、當(dāng)前水溫、室內(nèi)CO2含量、溫濕度等參數(shù)。且系統(tǒng)可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并能組網(wǎng)控制，擴(kuò)展方便，系統(tǒng)排出的水經(jīng)過循環(huán)之后再次進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行加熱，更加的節(jié)能環(huán)保。該系統(tǒng)采用多種傳感器進(jìn)行室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)，能有效避免呼吸道疾病的發(fā)生。