无线式智能热能表的设计

周 旭，郭 栋，王 浩，刘吉行，刘炳初

（辽宁工业大学 电气工程学院，辽宁 锦州 121001）

无线式智能热能表的设计

周 旭，郭 栋，王 浩，刘吉行，刘炳初

（辽宁工业大学 电气工程学院，辽宁 锦州 121001）

在充分考虑功能及性能的基础上，给出了无线式智能热能表的实现方案，以ARM处理器为核心，采用PT1000实现进、回水管的温度采集，采用流量计CD02TAR-20实现进水管的流量采集，利用SI4432无线模块实现参数的无线传输，并进行了电动调节阀驱动电路、WIFI接口电路、实时时钟电路、显示电路等硬件模块的设计。在搭建的实验平台上，编写了相应的软件程序，经过测试，实现了无线式智能热能表的热能计量、无线远程抄表、温度监测、温度调节的功能，同时可用手机APP软件进行遥测、遥控，根据需要调控，实现了节能环保的目的。

温度；无线；手机APP；热能表

长期以来，我国供热收费的基本情况是按建筑面积结算收费，既浪费又不科学，用户也不能根据自己的需要进行室内温度调节。随着社会的不断进步，按面积收费的不合理供暖制度亟需得到改变，为此在一些城市中进行了供暖制度改革试点，实行按热能消耗计量进行收费，但所用的热能表存在着功能简单、计量不准确的缺点，因此研制出符合需求的热能表，对实现按热能消耗计费改革的成功将起到至关重要的作用[1-2]。本文研究的无线式智能热能表，解决了传统按面积收取暖费的问题，同时在实现无线远程抄表的基础上，通过无线与室内温度监测器互联，监控室内各房间温度，并可根据用户需要调控温度，使本系统更加智能化，控制更加人性化，为提高人们的生活质量奠定了基础。

1 设计原理方案

无线式智能热能表以ARM处理器为核心，通过检测进水管与回水管的温度差以及进水流量，完成热能计量，同时通过人机接口、室内温度检测单元、通信接口、电动调节阀实现房间温度设定和自动调控，设计达到的参数指标如下。

(1)温度测量精度0.1 ℃，测量范围0～120 ℃。

(2)流量测量精度1%，热能计量精度为5%。

基于对所要实现的指标及功能的理解，选用STM32F103ZET6为核心处理器，设计的热能表的总体结构框图如图1所示，包括STM32F103ZET6最小系统、进回水温度采集电路、流量采集电路、人机接口电路、无线通信接口电路、电动调节阀及驱动电路、实时时钟电路、电源电路、室内温度采集系统、手机监控APP等组成。

STM32F103ZET6最小系统是热能表的核心，包括JTAG接口、晶振电路和复位电路；进回水温度采集电路测量供暖设备进水、回水的温度；流量采集电路测量流过供暖设备的热水流量，进而由核心处理器STM32F103ZET6计算出供水量，并结合进回水温度差计算出热能值；人机接口电路用于设定参数和显示数据；无线通信接口模块采用无线通信完成数据传输，包括WIFI和Si4432接口；电动调节阀及驱动电路根据设定温度参数控制进水流量，从而实现温度调控的功能；室内温度采集系统测量各房间的温度，并通过无线传送至热能表；实时时钟电路提供当前的时间；电源电路完成系统各模块供电的功能；手机监控APP实现显示热能值及各房间温度、设定调控温度的功能。

图1 系统总体结构框图

2 硬件设计

2.1 进回水管温度采集电路设计

本设计利用由PT1000构成的不平衡电桥在不同温度时输出不同的电压，并经两级放大后送入STM32F103ZET6内部集成的12位AD，采集、处理后根据PT1000的分度表[3]得到对应的温度值。设计的进水管温度采集电路如图2所示，回水管温度采集电路原理一致。

图2 进水管温度采集电路

2.2 流量采集电路设计

CD02TAR-20流量计根据液体流速与叶轮转速呈正比的关系来测量流速[2]，输出为脉冲信号，5 V供电时输出的脉冲信号幅值约为 2 V，不能被STM32F103ZET6所稳定识别，因此通过由LM393构成的比较电路将2 V调理至3.3 V以解决该问题。设计中LM393采用3.3 V供电，当LM393引脚5电压大于引脚4电压时输出为高电平(3.3 V)，小于引脚4电压时输出为低电平，如图3所示，调理后的信号接至STM32F103ZET6外中断引脚PA0，并通过中断计数的方式实现流量信号采集。

2.3 电动调节阀及驱动电路设计

电动调节阀的控制信号为0～5 V的电压信号，设计中通过STM32F103ZET6内部集成的D/A模块实现模拟电压信号输出。由于集成的D/A输出电压幅值为3 V，不满足要求，故设计了0～3 V电压放大到0～5 V的信号调理电路，如图4所示。

图3 流量采集电路

图4 DA输出信号调理电路

2.4 无线通信接口电路设计

设计选用的Si4432无线芯片主要针对工业、科研和医疗(ISM)以及短距离无线通信设备(SRD)。Si4432输出功率可达+20 dBm，接收灵敏度达到-121 dBm，具有较强的墙体穿透能力以及较远的通信距离。设计中 Si4432与 STM32F103ZET6通过SPI接口互连，如图5所示，用来实时传输温度数据及实现远程抄表的功能。

图5 Si4432通信接口电路

WiFi接口电路采用专用SimpleWIFI模块，通过UART与核心处理器相连，实现热能表与手机监控APP间数据通信的功能。

2.5 其他功能模块电路

其他功能模块包括ARM单片机最小系统、人机接口电路、实时时钟电路、电源电路、室内温度采集系统。ARM单片机最小系统主要包括JTAG接口、晶振电路和复位电路；人机接口电路设计了液晶显示电路和独立按键电路；室内温度采集系统包括单片机最小系统、DS18B20温度检测电路、人机接口电路、Si4432通信电路等。设计的无线式智能热能表的硬件实物如图6所示。

图6 无线式智能热能表硬件实物图

3 软件设计

3.1 热能表的热能计算原理

热能是由于温差的存在进而导致在热交换过程中所释放的能量，根据热力学第一定律、第二定律可知，任何过程中都存在能量的转化、转移，但总能量保持不变，即能量守恒。基于此理论，在供暖系统中当水流经热交换系统(即供暖设备）后释放热能推导如下所述。

水流经热交换系统的前后能量是相等的，即能量变化为零，因此有：

式中：dE为系统内部总能量随时间的变化量；Q为系统与外界的热交换量；ΔEK为流体在系统进水口处动能的变化量；ΔEP为系统进出口处势能的变化量；WS为系统与外界交换的轴功；m为流体的流量；Δh为流体在系统进出口处的焓值差。

在供暖系统中，由于流经热交换器时水的流速较低、与环境没有功的交换以及热交换器的进出口高度差较小，故。

有一天，他醒过来，神智清楚地仰卧在一块岩石上。太阳明朗暖和。他听到远处有一群小驯鹿尖叫的声音。他只隐隐约约地记得下过雨，刮过风，落过雪，至于他究竟被暴风雨吹打了两天或者两个星期，那他就不知道了。

因此，水流经热交换器时与周围环境的热交换能量表达式简化为：

式中：h1为热交换器进口处水的焓值；h2为热交换器出口处水的焓值。

即水流经热交换器时与周围环境的热交换量等于此时水的质量流量与水的焓差的乘积。当系统运行一段t时间后的热交换总量为：

式中：Q为释放的热能，kJ；qm为水的质量流量，kg/s；Δh为热能表进、出口水的焓值差，kJ/kg；t为时间，s。

对于供暖系统，若水没有损失，则该系统可看作为定压过程，T温度时水的焓值为：

式中：hT为水在T温度下的焓值，kJ/kg；CP为水的平均比热，kJ/(kg·℃)；T为水的温度值，℃。

水的质量qm等于水的体积qv乘水的密度ρ(T)，公式如下：

将式(4)和式(5)代入式(3)得：

式中：K为热能系数，kWh/(m3·℃)；ΔT为热交换器回路中载热液体进出口处的温差，℃；qv为载热液体流过的体积，m3；Q为释放的热能，J或 kWh[4]。

当式中Δt选取恰当时，则在Δt的时间内流量参数变化、水温参数变化可以忽略不计，式(7)简化为[5]：

3.2 热能表程序设计

热能表软件的功能是根据采集的温度、流量数据计算出消耗的热能值，并根据设定温度及反馈的室内温度通过调节进水流量从而实现调控温度的目的。热能表程序设计包括系统初始化模块、温度流量采集模块、热能值计算模块、通信模块(接收室内温度、远程抄表、与手机监控APP数据交换)、显示模块、流量调控模块，主程序流程图如图7所示。系统初始化模块包括I/O端口及时钟初始化、WIFI模块初始化、SI4432初始化、定时器、串口初始化、AD初始化、DA初始化；通信模块程序在中断程序中实现；热能值计算根据式(8)实现。

图7 热能表主程序流程图

3.3 室内温度采集系统程序设计

室内温度采集系统以STC89C52作为核心处理器，通过SI4432无线模块将DS18B20检测的室内温度发送给热能表，从而实现热能表根据室内温度设定值和反馈温度进行调控的功能。室内温度采集系统主程序流程图如图8所示。系统在上电后首先完成功能模块初始化，包括显示初始化、实时时钟初始化、SI4432初始化、DS18B20初始化；初始化结束后完成功能程序循环，包括读取并显示当前时间、读取温度、显示温度、通过无线发送温度值至热能表。

图8 室内温度检测主程序流程图

3.4 手机监控APP

目前，手机已经成为人人必备的电子产品，手机应用软件以其便利性好、实用性强的特点成为互联网时代应用研究热点之一。故此本设计引入手机监控APP，为用户实时了解与调控房间温度提供有效的实现手段。设计的手机监控APP包括各房间温度显示、热能值显示、设定温度、温度调控开关等功能，如图9所示。为保护用户的权益，设计中通过采用加密算法、手机号绑定等技术手段实现数据的安全使用。

4 误差分析

根据误差理论，热能表的误差等于各个组成单元的误差之和，即热能表整体误差等于温度采集电路、流量采集电路和热能计算单元3部分误差的累加。经查资料及分析电路知采用PT1000构成的温度采集电路测量精度约为 0.05 ℃，设计中所采用的流量计的精度为 1%，根据分析知热能计算单元误差小于3%，因此热能表的整体误差小于5%，满足设计要求。在设计中，通过软件校正后，在实验室条件下测试结果如表1所示。

表1 热能表检测结果

5 结论

实验结果表明，本文所设计的无线式智能热能表实现了热能计量、无线抄表以及手机遥测遥控等功能，满足了技术指标及功能的要求，解决了因供暖按面积计费方式而导致的费用不直观、供暖设备不可控以及能源浪费等问题，实现了按需调控温度，为推动热能表的发展提供了很好的参考设计方案。

[1]王树铎.关于认真实施热能表检定装置技术规范提高我国热能表产品质量的几个问题[J].工业计量,2007(2):29-32.

[2]温宗周,钱佳佳,豆朋达,等.基于嵌入式的智能热能表系统设计[J].自动化仪表,2016(12): 45-49,53.

[3]金志军.热能表配对温度传感器的使用与检定[J].现代测量与实验室管理,2005(6): 18-20.

[4]王晓俊,徐凯,周杏鹏.超低功耗无线超声波热能表设计[J].自动化仪表,2012(3): 76-79.

[5]李玉峰.基于MSP430的预付费智能热量表研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学,2010.

Design of Wireless Intelligent Heat Meter

ZHOU Xu,GUO Dong,WANG Hao,LIU Ji-hang,LIU Bing-chu
（School of Electrical Engineering,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China）

On the basis of fully considering the function and performance,the realization scheme of wireless intelligent heat meter which use ARM as the core processor is given.The temperature of the inlet and outlet pipes’ measurement is realized by PT1000,and the flow meter CD02TAR-20 is used to realize the collection of the inlet pipe flow.SI4432 wireless module is used to realize the wireless transmission of the parameters,so the design of the electric control valve drive circuit,WIFI interface circuit,real-time clock circuit,display circuit and other hardware modules is also conducted.In the prepared hardware platform,the corresponding software program has been compiled.Through the test,the function of heat metering,wireless remote meter reading,temperature monitoring and temperature adjustment is realized.At the same time,the mobile phone APP software can be used for remote measurement,remote control,and controlling based on the need to achieve the purpose of energy saving and environmental protection.

temperature; wireless; mobile phone APP; heat meter

TN92

A

1674-3261(2017)05-0291-05

10.15916/j.issn1674-3261.2017.05.004

2017-05-07

辽宁省自然科学基金指导计划项目(201602370)；辽宁省教育厅科学研究项目(L2015229)

周旭(1993-)，男，辽宁辽阳人，本科生。

郭栋(1976-)，男，辽宁大连人，副教授，博士。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/21.1314.T.20170711.1122.003.html

责任编校：孙 林