基于HLink的智能供暖控制系统

鲁柳婷

（江南大学物联网工程学院，江苏 无锡 214122）

我国计划2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。北方地区冬季集中供暖产生大量碳排放，为实现“双碳”目标，需要落实北方地区供暖的节能减排工作。传统集中供暖方式存在供热不均、无法按照需求或环境因素调节供热量、缺少人机互动功能等问题。提高供暖系统的智能化程度、实现供热计量是节能减排的有效措施。多数发达国家采用变流量动态控制系统，一次热网所提供的蒸汽在换热站通过热交换变成民用生活热水和二次采暖热水，二次供水系统中带有变频调速电机水泵、电动调节阀、压差控制器等多种仪器设备，结合成熟的供暖系统运行模式。

国内供暖控制可以分为控制阀门调节和二级管网调节。传统二级管网调节存在水力失调问题。罗晶等[1]提出智能化二级管网平衡控制系统，利用室内温度感知、温度控制设备、云平台智能化软件和基于热网大数据的智能建模技术，实现热源、热力站、热网的协同控制。但系统不能够自主调节，设备分布广、类型多、检查维修不便。控制阀调节分楼栋热力入口调节阀调节和入户调节阀调节。前者以热力入口供回水温差为指标调节流量，存在垂直水力失调问题；后者可以消除水力失调问题，但改造工程量大，调节和维修困难，调节过程缓慢。徐宝萍等[2]分析温控阀控制与房间热动态过程，建立包括温控阀、房间动态特性等内容的模型，通过温控阀波纹管内的压力变化实现温度调节。调节阀调节设备简单，调节隔离；但智能化程度低，不能实现远程操作和管理；需要大量人力成本管控和维修，应设置数据反馈和管控平台。

1 系统设计与实现

1.1 系统框架

基于HLink的智能供暖系统分为物联网平台、边缘网关和端设备三部分。Web界面用于实现信息反馈，人机交互；IoTDA作为物联网平台，可以进行接收数据、下发控制命令、制定控制策略等操作；物联网关AR502H配置HLink Gateway容器，与物联网平台配对，可以进行数据、命令的处理和交互；以STM32F103 RCT6为核心的控制面板是主要端设备，开发板移植LiteOS操作系统并部署HLink Device，可以控制阀门的开闭，具有温度、湿度传感器模块，收集环境数据。

基于HLink的智能供暖系统框架如图1所示。

图1 基于HLink的智能供暖系统框架

1.2 控制策略设计

（1）控制分水器下的单个阀门。通过控制阀门开启个数实现对热水流量的调节，实现热量控制、分档功能。电动阀门只设定开、闭两种状态，对比开启阀门个数与场景内总阀门个数得出总开度。对不同开度下的供热状态进行试验，将温度控制过程分成五档，对应五个供热状态。

（2）考虑不同场景、不同用户的需要，系统首次供热时，需要用户自主设定温度，再结合天气状况，将此时的调控信息作为该场景内的最佳调整状态。每次开启时，根据记录的最佳调整状态与当时的天气状况，计算合适的挡位进行调节。用户手动改变挡位时，自动更新最佳调整状态。

（3）场景内进行分区控制。部署系统时，需要区分长期供热区、预约供热区。在办公楼中，公共使用空间和个人办公室即为长期供热区，以最早上班的员工为标准，提前30 min开启；单独隔离的会议室、无人办公室等空间为预约供热区，需要提前在系统上预约，全部员工下班后统一关闭供热。

（4）场景的整体供热需要根据法定假期、调休安排等内容进行控制。节假日期间自动关闭供热，有需求时需要提前预约。

1.3 软件设计

软件设计的整个流程以HLink协议为核心。HLink是华为物联网平台的一个重要部件，用于实现IoT终端的智能连接智能联动，可以不需要烦琐的现场配置，实现设备的自动接入。

IoTDA为物联网接入平台，支持多网络、多协议接入，提供多场景多语言的IoT Device SDK，屏蔽物联网碎片化。利用物联网平台的HLink组件提供的MQTT消息接口接入边缘计算物联网关，进行数据、命令的收发；在云平台中提供web网页开发者API接口调用数据，接收web页面的控制语句，下发相应的控制命令。云平台可以通过弹性伸缩服务、云硬盘备份服务、统一身份认证等功能优化平台的资源调度、数据存储、安全保障，面向其他服务对象开发云上APP。

AR502H为边缘计算物联网关。在物联网关内安装配置HLink Gateway容器配对HLink。HLink Gateway容器对外提供MQTT消息接口，实现与云平台的交互。向上提供云平台端设备上传的数据信息或接收云平台控制命令；向下提供端设备业务命令，接收端设备数据；通过MessageFlow可以开发边侧APP，在物联网关处即可开展业务联动，减少上传的数据量，便于云平台的信息管理。

控制面板由液晶屏和STM32F103RTC6开发板组成。STM32接收命令后，经过程序处理，通过433射频通信控制分水器的各个分支阀门开闭，433通信穿透性强、通信简单；传感器得到的环境信息和阀门开闭状态、运行状态通过WiFi模块上发。STM32F103RCT6芯片内移植LiteOS操作系统，用于部署HLink SDK。LiteOS支持MMU、内核和APP空间隔离、APP之间空间隔离；支持POSIX接口，方便开源软件的使用。

网页后端开发者利用云平台提供的API接口调用数据，呈现在界面中。用户可以通过菜单栏检索各个场地信息，包括温度、湿度、热量等内容；提供预警系统、管理调控、系统维护、远程监管等功能。

1.4 硬件设计

硬件包括以STM32F13RCT6芯片为核心的控制面板和电动阀门。

控制面板设计中包括温湿度传感器、WiFi通信、433通信、液晶屏等模块。单片机以5 s为间隔采集温湿度信息，每5 min计算一次平均温湿度，通过WiFi模块上传数据，显示在液晶屏上；接受控制命令时，通过433通信协议与电动阀门通信，控制其开闭状态。

控制面板安装在墙壁上，通过液晶屏显示温湿度、时间等信息。温湿度传感器采用AHT21，响应迅速、抗干扰能力强、性价比高。WiFi模块采用BW16，支持2.4GHz或5GHz的WLAN和低功耗蓝牙5.0。433通信模块采用的是CMT2300A，具有超低功耗、高性能，适用于140～1 020 MHz无线应用的OOK，（G）FSK射频收发器，选择433 MHz作为射频通信频段。

在每个单元的分水器的支管上安装电动阀门。电动阀门采用开、闭两种运行模式，简化调节过程和控制算法；单个场景内具有多个此类型的电动阀门，可以调整阀门开启个数，控制供热挡位。供暖过程具有较大的滞后性、惯性。电动阀门不需要考虑开度等问题，控制简单、安装维修方便，单个阀门故障不会影响整体的控制效果，具有应用价值。

2 系统展示

2.1 软件界面展示

系统软件界面如图2所示。

图2 系统软件界面

2.2 硬件设计展示

各结构硬件设计如图3所示。

图3 各结构硬件设计

3 结语

采用简化的电动阀门降低对阀门控制的难度，可以实现不同挡位的水流量的调节；入户调节阀实现单元与单元之间隔离，调节过程不会互相影响，避免联动问题；加入物联网关、物联网平台等内容实远程监控、预警；结合场景人流量、工作作息、法定假日、外界环境等内容制定相应的控制策略，实现智能、人性化控制调节；采用HLink协议，简化部署过程和部署方式，缩短工程周期，达到节能减排的目的。