基于ZigBee技术的太阳能辐射采暖监控系统设计

刘永涛++吴金顺+杨晓东

摘 要： 现有的太阳能地板辐射采暖控制系统存在智能化程度不高，不能充分利用太阳能集热器热能等诸多问题。因此设计一款基于ZigBee技术的高效、安全、智能化控制系统。装置采用TFT触摸屏为操控终端，采用模块化功能结构设计。白天能够根据外界光照强度自动启动和停止外循环结构，夜间及阴天自动启动内循环及电辅热系统。结果表明，电辅热启动期间可以根据用户需求任意设定供暖房间和供暖时间，达到动态供暖，有效节约电能并且最大程度上保证了室内温度的舒适平稳。

关键词： 高效节能； 无线测控； 动态温控； ZigBee； STM32

中图分类号： TN915?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）22?0171?04

0 引 言

太阳能采暖是利用太阳能集热器收集太阳能并结合辅助能源满足采暖需求的系统，因此常称为太阳能联合系统[1]。太阳能蓄热是一个连续、非稳态的动态换热过程，集热管中的循环水温度变化受太阳辐照度、室外温度、水流速度及蒸发器蒸发温度等多个因素的影响。本文针对太阳能采暖的特点设计了以ZigBee技术为核心的无线监测控制系统[2]。其中采用无线智能双循环控制是该系统的创新应用，解决了常规太阳能采暖系统辅助加热时间长、热利用率低的问题，明显节约了辅助电能。因此该系统特别适合于别墅、新农村住宅及其他低层建筑的采暖应用[3]。

1 系统总体结构

ZigBee 技术具有协议简单、传输可靠性高、功耗低、自动动态组网自动路由、灵活性高、可扩展性强、实现成本低、实现相对简单等特点[4]。因此，为了解决传统监控系统中存在的布线复杂、灵活性不好、成本高等问题，设计了基于ZigBee 技术的太阳能采暖控制系统，改变了传统的有线数据采集的方式，避免了布线的麻烦，降低了功耗和成本，更具灵活性和可扩展性[5]。系统为了增强无线通信能力，设计加入了NRF2401功率放大器配合CC2530使用，有效解决了传输距离和误码率问题，系统经过测试空旷处传输距离150 m以上，数据准确率高于99%。

在本设计中，整体采暖控制系统由四部分组成：显示操作终端、室外采暖监控模块、房间分水控制模块和电辅热供暖模块[6]。四个部分通过ZigBee无线通信网络进行连接，结构如图1所示。

室内终端部分负责显示系统运行参数和状态以及人员交互操作协调系统的运行，这部分由ZigBee模块和迪文触摸屏组成，ZigBee模块负责与显示屏通信以及无线发送接收数据。室外采暖监控部分由STM32控制器和ZigBee单元组成，负责系统环境点温度采集、太阳能采暖循环系统控制、上传和存储系统运行状况、接收用户操作信息等。房间分水控制模块负责接收用户操作信息，控制供暖房间面积和供暖时间。辅助供暖设备采用了高效电加热炉，在太阳能光照不够和夜晚情况下保证正常供暖温度，可以根据用户设定的采暖房间和预设房间面积，整体面积决定电辅热装置的功率。

2 系统硬件设计

系统控制主要采用了CC2530和STM32两款嵌入式处理器，通过单元模块化设计，使各模块通过室内终端协调运行。

2.1 室外控制模块

室外监控采用意法半导体生产的STM32F103芯片，它是一款高效的32位嵌入式处理器，以Cortex?M3为内核，最高主频为72 MHz，128 KB FLASH，20 KB SRAM，同时内部资源丰富、性能高、功耗低，完全可以满足系统需求，并且价格较低，市场应用广泛[7]。

该模块通过采集多个关键点温度值分析比较，控制循环泵的启停及电磁阀的开关。当夜晚或者光照不足的时候太阳能集热量无法满足采暖需求，装置将情况发送至室内终端，协调电辅热系统启动，开启内循环模式，从而维持室内温度。处理器将温度值和开关量值存入SD卡当中，以便于后期通过数据分析优化控制方案和系统设计，可以针对全国不同地区的气候做出不同的自适应控制方案。

传感器采用单总线数字温度传感器DS18B20，其采用单总线技术，硬件连接只需使用电源、地、信号三线结构，并且可以多个传感器连接在一条信号线上，简化了硬件设计和系统连线。数据存储使用了大容量SD卡，软件移植FAT文件系统，以Excel格式存储数据，储存容量大，并且可以方便地取出SD卡进行数据分析[8]。

2.2 触控显示终端模块

该单元模块作为协调器，通过CC2530处理器协调其他三部分工作。TFT触摸屏可以直观地显示出各点的温度值以及设备的运行状态。通过屏幕操作可以手动控制每个被控对象的启停。显示屏采用DGUS屏，其内部自带ARM系统和存储芯片，通过串口采用5条指令就可以与其交互，并且是触摸屏结构，省去按键电路的设计，简化了系统硬件结构。

2.3 分水阀控制模块

分水阀控制以CC2530处理器为核心，负责接收室内终端的控制信息[9]。然后通过控制12路继电器完成对热膨胀分水阀的控制，驱动控制电路如图2所示。

电路中处理器的P0.3端口经过74LS04反向器驱动光电耦合器U2，光耦起到了电气隔离作用。当P0.3为低电平时三极管Q1导通继电器K5吸合，相应指示灯D1点亮，端子P5所接膨胀阀打开。

2.4 电辅热控制模块

系统辅助供暖主要使用电加热方式，采用可变档位的电采暖炉。控制电路加入了水位传感器、水温传感器和电流互感器来保护小型电热炉，防止出现干烧和漏电情况。电热炉分为三档位功率控制，根据用户采暖面积需要可选择1～12 kW容量。通过软件编程实现所选容量的不同档位自动切换，达到节省电能的目的。

3 系统软件设计

装置的软件程序编写主要分为CC2530和STM32F103两部分。CC2530完成了系统无线组网通信，STM32处理器完成了整个室外设备的控制以及系统温度和开关量的数据采集。

3.1 显示操作控软件

这部分由CC2530控制器实现，代码使用了基于IAR软件的C语言开发，软件流程如图3所示。该部分软件主要用来与显示屏的交互，以及无线发送接收数据，协调系统运行。通过与屏进行串口通信，完成向显示屏写数据、读显示屏数据和切换显示界面。向显示屏写数据函数为write_dwen，函数内容如下：

程序按照显示屏82指令向其发送数据，82指令格式包含帧头、帧尾、字节长度（包含命令以及命令之后的字节数）、指令2 B、写入地址2 B、写入的数据。其中帧头和帧尾由配置软件对显示屏直接配置生成。读显示屏数据使用83指令，读函数如下：

83指令格式包含帧头、帧尾、字节长度、指令2 B、写入地址、所读数据长度、显示屏数据。页面切换使用80指令，先向显示屏发出指令随后发出要转到的页面编号即可实现。无线通信需要给其余三部分分别发送该模块需要的数据。程序使用两个数组分别记录采暖监控和房间控制需要的信息，再使用不同的通信格式将信息发出。

3.2 采暖监控软件

这部分由STM32+CC2530两个处理器组成，STM32作为主处理器，CC2530作为辅处理器负责通信，双处理器设计保证了模块的可靠性和实时性。

主处理器实现了温度采集、循环泵控制、电磁阀控制、发送和存储系统运行参数、串口中断接收信息。程序采用了基于Keil 4软件的C语言开发。温度采集通过编写单总线时序，操作12路DS18B20传感器实现。室外采暖控制按照系统控制方案，根据采集到的温度控制内、外循环水泵和内、外循环电磁阀的启停，STM32程序流程如图4所示。

处理器与SD卡通信使用SPI方式， SPI为串行外围设备接口，是一种高速全双工的通信总线，广泛应用在ADC，LCD等设备与MCU间通信的场合[10]。程序使用库函数编程的方式初始化，SPI引脚和SPI相关配置，使用FAT系统的f_open，f_read，f_write等函数来打开、创建、读、写文件，用于温度数据和运行状态的存储。

辅处理器主要实现信息的传递，通过无线接收中断，判断信息是否发送给本部分。如果是则通过串口发送至STM32，同时串口中断接收STM32发来的信息通过无线发送至室内显示终端。

3.3 房间分水供暖控制和电辅热控制软件

为了更有效地提高热利用率，达到更好的节能效果，系统中每个房间的供暖都可以分别控制。当切换至电辅热设备时，可以根据用户选择的供暖房间和供暖时段，通过计算实时采暖面积，选择相应的电辅热功率档位。房间分水控制软件流程如图5所示。软件实现了无线中断、发送、时钟程序和供水阀控制以及CC2530的FLASH读写。

4 运行测试

太阳能地暖热辐射采暖装置于2014年采暖季在北京东燕郊美丽乡村别墅区进行了实际安装测试。

别墅只进行了单层100 m2供暖，太阳能集热器与供暖面积按1∶3配比。整个采暖季系统运行稳定，采暖和节能效果明显。

2014年1月24日运行数据如图6所示。从图6中可以看出，当天室内温度运行平稳，基本维持在20 ℃。上午8∶30左右太阳能集热器温度达到设定值，装置启动外循环系统对水箱进行集热，并供给室内采暖。下午5∶30太阳能光照不够，停止集热器外循环，利用储水箱的热量使系统持续供热至晚上10∶30启动电辅热系统，切换至内循环供暖模式。

5 结 语

本文设计了一种基于ZigBee无线通信技术的太阳能地板热辐射采暖控制系统。该装置以CC2530和STM32嵌入式处理器为控制核心，整体控制结构分为四大功能模块单元，并且通过有效控制算法最大限度地利用了太阳能资源。电辅热期间根据动态面积最小限度地使用电能资源。通过数据分析可以看出控制系统基本上解决了室温波动大及采暖效果不理想等问题，装置的应用可以有效促进太阳能辐射采暖产业的进一步推广。

参考文献

[1] 朱敦智，刘君，芦潮.太阳能采暖技术在新农村建设中应用[J].农业工程学报，2006，22（1）：166?170.

[2] 姜国伟，赵辛.大型太阳能采暖系统在厂房采暖中的应用[J].黑龙江科技信息，2013（10）：303.

[3] 吴振荧，李德英，史永征，等.北方村镇节能住宅设计研究[J].建设科技，2007（1）：60?61.

[4] 胡炳彰，李辉.基于ZigBee的远程数据采集系统[J].电子技术，2013（4）：31?33.

[5] 段锋锐，石军锋.一种基于ZigBee技术的温室数据实时采集系统[J].自动化与仪表，2015（10）：41?44.

[6] 张东丽.针对当前建筑采暖节能技术的认识与分析[J].才智，2014（7）：323.

[7] 梁融凌.计算机专业嵌入式系统教学的探索与思考[J].福建电脑，2012（8）：151?153.

[8] 王微.基于CAN总线的汽车传感器关键技术的研究[D].天津：河北工业大学，2013.

[9] 潘凌锋.基于STM32的恒温混水阀控制器的设计与实现[D].杭州：杭州电子科技大学，2011.

[10] 刘智勇，陈鹏飞，宿磊，等.基于STM32芯片的U盘/SD卡文件传输技术研究[J].现代电子技术，2014，37（18）：107?109.