智能建筑电采暖温控系统的设计

吴敏

摘要：系统采用DS18B20作为温度传感器来采集现场温度，以ZigBee为无线传输模块，用C8051F020单片机做为处理器，由温度控制模块发出指令来实现对室内温度的实时控制，以便将温度控制在设定的范围内。该系统可以有效地降低能耗，达到节能的目的。

关键词：电采暖；温控系统；ZigBee；温度控制模块现如今，随着人民生活水平的提高，人们对居住環境智能化和节能化的要求越来越高。相对于传统的占地面积大、能源浪费严重的供暖方式，地热电缆辐射供暖(电采暖)方式因具有舒适、卫生、环保、节能的优点，加之从下往上升温的方式更符合人体生理学特点的优势使其受到越来越多现代人的青睐。其中，温度控制作为影响其效果的主要因素，已成为暖通行业及控制领域的研究重点。室内温度为22~27℃被普遍认为是舒适区[1]。冬天，当人们离开室内或对室温要求不高时仍保持温度过高的现象，将造成大量没必要的能耗。因此，电采暖方式具有的“按需供暖，按表计量”的特点，可以做到有人时启动，无人时调低温度或关闭系统，以达到节能的目的。

1系统总体方案

本系统通过监控模块控制所有温控单元，每个温控单元处都有一个ZigBee节点。当温控单元监测到数据后需要传送给监控模块，监控模块收到所有温控单元的信息后，会统一发送到监控主机数据中心。主机主要是通过调节计算机的串行口的收发数据以实现对通信的控制，信号通过全双工、高抗干扰的RS422接口总线进行传输，总线结构为分时巡检式[2]。控制系统结构如图1-1所示。

2系统硬件部分

系统硬件部分主要由主机、监控模块和温控单元组成。在温控系统运行过程中，主机通过RS-232通信接口将接收到的信号发送给各区域的监控模块，实现对各监控模块的控制并进行逻辑组网。监控模块负责将信号传给周围的全功能设备FFD，再由FFD向下查找其范围内的精减设备RFD。位于各区域监控模块的温控单元负责接收监控模块发来的命令，并根据命令调整其工作方式，实时对房间内的温度进行测量控制及信息反馈。

2.1 监控模块设计

监控模块是系统的主要组成部分，负责各个子系统现场实时状态数据的收集、缓存和转发，并根据来自主机的指令进行相应的通信处理和控制。其中根据系统要求选用符合ZigBee标准的2.4GHz的CC2530作为射频收发芯片，采用具有高速读写、超低功耗、无限次写入、随机存储和非易失性存储等特性的铁电存储器FRAM，实时时钟芯片选用美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电功能的，低功耗实时时钟芯片—DS1302。

2.2 温控单元设计

内含美国Dallas公司生产的DS18B20数字温度传感器的温控单元以C8051F020单片机作为主控器，它是整个温控系统的终端，通过控制地热电缆工作实现控温，可以由主机将它设置为温控、手动、关闭3种工作模式，LED数字显示屏可以对温度数据及工作状态进行显示。由于本系统所控制的加热器件往往是大功率的加热电缆，所以不能用C8051F020直接控制，需要用继电器的方式。所选的继电器规格为直流12V控制交流220V。温控单元主要负责接收主机的操作命令，根据这些命令设定温控单元的参数、采集各区域温度值、显示温控单元当前状态、当线路出现故障时切换到手动方式并报警、通过按键设定工作时间和加热的温度等。

2.3 ZigBee节点设计

符合IEEE802.15.4协议且具有低功耗、低成本、低传输速率、时延短及优秀的自组网功能等特点的ZigBee技术，采用的无基础构架无线局域网对网络内部的设备数量不加限制，可随时建起无线通信链路[3]。本系统中ZigBee节点是智能建筑电采暖温控系统控制中心与温控模块的通信桥梁，主要负责主机与系统控制中心之间信息的无线传输和根据通信协议进行数据转换。

3系统软件部分

系统的控制软件安装于主机中，主要通过控制主机串行口实现对地热电采暖温控系统硬件设备的控制，串行口信号线通过集线器向下级联至温控单元使主机与其通信，从而完成对智能建筑供暖情况的整体控制。

3.1 系统运行流程图设计

系统的控制软件是通过Visual Studio 2010中的C语言创建设计的，它可以使管理员方便地控制整个建筑的采暖情况。使用时，首先进入主界面，通过主界面的菜单栏和信息栏调用所需的系统功能，通过索引栏查看硬件网络连接情况，状态栏可显示系统的运行信息。具体系统运行流程图如图3-1所示。

3.2 主界面设计

主界面是软件运行后显示的第一个界面，该界面包括菜单栏、索引栏、信息栏、状态栏4个栏目，这些栏目中包含调用系统功能所需的子菜单、按钮、网络索引及系统运行状态信息等。

4系统测试及性能分析

经过对系统参数设置功能模块和工作状态功能模块的测试表明，系统现有的功能均能成功实现，可以对目前有限数目的温控器进行精确控制，具有较高实时性、可靠性和稳定性，基本满足楼宇智能化的要求。

5结束语

在经过充分的考察了解和对大量资料的研究基础上，分析了现阶段我国建筑能耗的实际情况，依据人们日常生活的需求，给出了智能建筑电采暖温控系统的设计方案。本系统不仅具有地热电采暖系统本身的节能环保、经济舒适等优点，也具有智能化操作、性价比高及维护方便等特点，符合当前建筑智能化的发展趋势。

[参考文献]

[1]张秀国,黄慧,张帅.智能控制电采暖系统的应用[J].华北科技学院学报，2007,4(1):75-77.

[2]刘成林.低温热水地板辐射采暖系统的节能性分析及系统的优化设计[D].湖南:湖南大学，2003.

[3]Shah R C,Ranbaxy J M.Energy aware routing for low energy and hocsensor networks[A].Proc IEEE Wireless Communications and NetworkingConference(WCNC,02)[C]，IEEE,Volume 1，2010.3:17-21.