智能家庭供暖控制系統(tǒng)設計*

陳俊峰，何 瑤，李笑宇，仲芳樞，黃騰達，劉 燕，陳興文

(大連民族大學信息與通信工程學院，遼寧 大連 116600)

目前我國北方城市一般都采用直接燃煤和熱電聯(lián)網(wǎng)的集中供暖方式，用戶終端大多采用分戶控制，計量收費根據(jù)用戶建筑面積收取，這種方式屬于粗放的運行管理模式，存在較多弊端。主要表現(xiàn)：一是用戶對自己家庭供暖溫度調(diào)節(jié)不能根據(jù)所需自主調(diào)節(jié)，缺少用戶按需收費和舒適體驗感，經(jīng)常出現(xiàn)用戶房間“熱時靠開窗、冷時靠投訴”的現(xiàn)象；二是造成了能源的大量浪費，也進一步加重了城市的冬季供暖帶來的環(huán)境污染。隨著國家節(jié)能減排和減少大氣碳排放等措施的實施力度不斷加大，人們越來越關注目前智能供暖這一技術(shù)的推廣和應用。也就是對現(xiàn)有一戶一閥供暖系統(tǒng)引入自動控制策略，通過對用戶室內(nèi)溫度進行采集和預設，自動調(diào)節(jié)熱源流量電磁閥，使其達到預定溫度和用戶期望的舒適感，實現(xiàn)了按需調(diào)節(jié)和使用的目的。

1 智能家庭供暖控制系統(tǒng)原理

目前家庭供暖系統(tǒng)的基本原理是以熱力公司提供的熱源(熱水)引入家庭端供暖循環(huán)系統(tǒng)中，在保證提供合適的入戶熱水溫度的前提下，通過改變流經(jīng)暖氣片熱水的流量來改變房間溫度。一般供暖系統(tǒng)家庭端(入戶后)主要包括：機械調(diào)節(jié)閥、暖氣片、入水管、和出水管等。在目前系統(tǒng)配置的基礎上，增加溫度自動調(diào)節(jié)器和控制算法，就可以實現(xiàn)智能家庭供暖溫度的自動調(diào)節(jié)[1]。具體改造后的原理框圖如圖1所示，可以看出它是利用獲取的溫度控制差值來調(diào)節(jié)入戶流量閥開合程度(改變流量)來實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。

圖1 智能家庭供暖控制系統(tǒng)原理框圖

2 智能家庭供暖控制系統(tǒng)設計需求分析

根據(jù)用戶對智能家庭供暖系統(tǒng)的現(xiàn)實需求，結(jié)合智能溫度控制的工作原理，系統(tǒng)設計應滿足如下的功能需求及分析。

1) 系統(tǒng)有自動運行和手動運行兩種工作模式。其中，自動運行按照三種工作運行模式設計：常規(guī)模式、周末模式和出差模式，常規(guī)模式就是按照用戶白天外出工作，晚上回家休息的模式，可進一步劃分外出時間段、外出回家時間段、休息睡覺時間段、睡覺起床時間段，這樣可以滿足用戶更好的舒適體驗；周末模式可劃分為睡覺和起床兩個時間段：出差模式因為不在家中就設定一個時間段。用戶可對每種模式下的各時間段的溫度進行預先設置，系統(tǒng)就可以根據(jù)設置的參數(shù)，在不同時間段實現(xiàn)房間不同溫度控制的目的。手動運行就是用戶自行設置溫度控制參數(shù)，增加系統(tǒng)靈活性[2]。

2) 由于系統(tǒng)自動運行模式是按照劃分的時間段進行溫度設置的，故需要時鐘管理功能。當系統(tǒng)上電運行后，首先用戶進入模式選擇，根據(jù)不同模式進行時鐘和溫度參數(shù)設置；然后進入到運行工作模式后，系統(tǒng)會根據(jù)當前模式及設定的參數(shù)與實際溫度測量值進行比較，用以進行目標量的執(zhí)行控制。其次，用戶對每種運行模式的參數(shù)設定可采取本地監(jiān)控終端和遠程用戶手機端設置進行信息輸入。為避免斷電后信息丟失，需要設計自行保存系統(tǒng)運行參數(shù)功能。

3) 由于現(xiàn)在大多數(shù)用戶采用的是總閥下的分路地熱供暖，為了實現(xiàn)更加精準控制調(diào)節(jié)，要求對每一條回路供暖的區(qū)域進行溫度采集，也就是要求戶內(nèi)溫度采集實現(xiàn)分布式采集，從而控制各回路流量調(diào)節(jié)閥。這樣就需要組建室內(nèi)溫度分布式采集數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

4) 由于采用調(diào)節(jié)流量閥開閉程度實現(xiàn)溫度控制，在控制方法設計方面應考慮實現(xiàn)容易和調(diào)節(jié)方便的問題，避免由于頻繁調(diào)節(jié)，影響閥體使用壽命。

從上面設計需求分析可以得出系統(tǒng)整體及單回路溫度采集結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中室內(nèi)單回路溫度采集及數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點、回路流量調(diào)節(jié)閥控制模塊及系統(tǒng)控制算法是設計的重點。

圖2 系統(tǒng)整體及單回路溫度采集結(jié)構(gòu)

3 硬件電路設計

根據(jù)智能供暖系統(tǒng)用戶端設計要求，系統(tǒng)采用STM32單片機作為控制器核心；為了便于調(diào)試和日后維護，采用模塊化結(jié)構(gòu)設計思想；模塊化硬件部分由無線通信模塊、顯示模塊、時鐘模塊、外接數(shù)據(jù)存儲模塊、溫度傳感器模塊、流量調(diào)節(jié)閥控制模塊等部分組成?，F(xiàn)對核心功能模塊設計做如下介紹。

3.1 流量調(diào)節(jié)閥控制模塊設計

在綜合考慮精度、價格、控制性能等各方面因素后，系統(tǒng)選用ZQDF-DN25型比例電磁閥，其等效電氣模型為電阻與電感串聯(lián)。當比例電磁閥通電后，隨著電流逐漸增大，電磁線圈產(chǎn)生的磁場逐漸增強，銜鐵在電磁力的作用下，將推動閥芯移動。因此其控制原理就是通過微控制器改變 PWM 波的頻率和占空比，使得銜鐵所受電磁力發(fā)生變化[3]。根據(jù)電流、閥芯位移之間的對應關系，不斷調(diào)整電流大小，控制閥芯位移，進而控制電磁閥開關以及打開程度，控制電路如圖3所示。實驗表明，PWM 輸出頻率越高，等效輸出的平均電流線性度越好，流量控制效果也越好。

圖3 流量調(diào)節(jié)閥控制電路

3.2 從節(jié)點無線通信模塊設計

從圖2可以看出，系統(tǒng)的溫度采集按照接收主機和從節(jié)點模式設計，從節(jié)點包括微處理器STM32F103C8T6、溫度傳感器 DS18B20 和 NRF2401 無線模塊。從節(jié)點集采集的各回路溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給接收主機。NRF24L01內(nèi)置126 頻道，可滿足系統(tǒng)多點通信需求；具有硬件CRC 檢錯和點對多點通信地址控制；可軟件設置地址，只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)(提供中斷指示)；內(nèi)置可選的包應答機制，極大的降低丟包率。這些特性可以很好地滿足系統(tǒng)的主從分布式通信模式的功能，其無線通信接口電路如圖4所示。

圖4 從節(jié)點無線通信模塊的接口電路

4 軟件設計

智能家庭供暖系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)軟件設計根據(jù)功能需求，采用C語言和模塊化程序設計思想實現(xiàn)。程序模塊包括：主程序初始化、鍵盤設置程序、顯示程序、通信程序、存儲程序和定時中斷程序等。系統(tǒng)主程序及溫度調(diào)節(jié)算法流程如圖5所示。工作模式按照人工設置和自動運行兩種進行編程設定。用戶首先根據(jù)自身的供暖需求通過用戶設置系統(tǒng)初始工作狀態(tài)(達標溫度、系統(tǒng)時間、工作時段等運行參數(shù))，然后系統(tǒng)根據(jù)設定參數(shù)的情況自動選擇并進入常規(guī)模式、周末模式和出差模式中的一種，并進入相應的程序控制流程。

圖5 系統(tǒng)主程序及控制算法流程圖

5 結(jié)語

智能家庭供暖系統(tǒng)為落實節(jié)能減排措施，減少我國北方集中供暖帶來的空氣污染和能源浪費提供了一條有效解決方案。系統(tǒng)設計框架、功能實現(xiàn)、通信模式以及控制方法符合終端居家用戶對智能供暖的現(xiàn)實需求，具有工作模式選擇人性化和便捷性，具有一定的市場應用價值。