基于温度面积法的热计量分配系统采集计算器设计

王志伟，许江淳，史鹏坤，张 云

（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500）

基于温度面积法的热计量分配系统采集计算器设计

王志伟，许江淳*，史鹏坤，张 云

（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500）

基于温度面积法热计量分配系统中的核心装置是采集计算器，其作用是接收热量结算表及室温传感器的数据并完成热量分配计算，其设计合理与否直接影响到系统的整体运行。本设计经过现场测试，并通过上位机收集到的数据对系统的可行性进行了验证。数据分析结果表明采集计算器设计合理，热量分配结果可靠，系统运行稳定。

温度面积法；采集计算器；热量分配

0 引言

节能和环保是我国经济可持续发展战略的基本国策。供暖的能源消耗量很大，如果在供热系统中的计量方式不准确或者收费方法做不到公平合理则会造成热量的不合理利用。在供暖方面，如果可以做到公平合理的收费将有助于进一步提高人们的节能环保意识，如何解决这个问题成为供热企业生存和发展的一大难题。

本文根据温度面积法热计量分配方法，给出了一种基于STM32控制芯片的采集计算器的设计，可以完成接收用户终端温度数据和热量表数据进行热量分配结算，并将数据上传至上位机，同时接收上位机指令并下发温度控制指令到用户终端。

1 系统总体方案介绍

本文所设计的采集计算器选用Cortex-M3系列的STM32F103控制芯片为控制核心，搭配接收温度数据的Zigbee通信模块、接收热量表数据的RS485串行通信模块以及与上位机进行通信的GPRS模块和片上数据处理和控制模块。当系统初始化后，采集计算器将读取用户终端上传的温度数据以及热量表的数据，并根据所存储的用户建筑面积数据对住户消耗的热量进行计算并进行缴费核算，接着将数据通过GPRS模块上传到上位机进行存储，方便热力公司对住户耗热量进行结算和监控。

2 系统硬件设计

系统硬件设计总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图Fig.1 System overall block diagram

2.1 控制器

该设计采用的主控芯片为高性能的STM32F103VE。这款该芯片的工作电压为3.3，且具有512KFlash存储器和64K SRAM存储器同时支持可变静态存储控制技术。该芯片上集成了普通16位的定时器4个，两个基本定时器和两个高级定时器，以及两个watchdog和1个Systick定时器。总通信接口数量多达13个。

2.2 电源电路设计

由于系统各部分对工作电压的要求不同，因此系统采用模块供电的方式。为整个系统提供5 V、4 V、3.3 V的电压各一路。在这三种电压中5 V电压通过一块固定输出的LM2596提供，主要用来为ZigBee模块等芯片供电。由于STM32芯片对文博要求高等特点，因此在LM2596基础上串联一个固定输出3.3 V的LM1117为芯片供电。除此之外，GSM芯片MC37I需要单独提供4 V的电源。因为芯片要求电源电压要恒定大于 3.3 V对因此采用一片可调输出的LM2596，通过反馈引脚的连接两个电阻配合分压提供。电源模块电路图如图2所示。

在电源电路的设计中由于芯片MC37I对供电电电路的输出电压值为：

式（1）中U取4 V时，68R 为10 KΩ，可得65R为4.44 KΩ。此处选用4.3KΩ电阻。

2.3 热量表数据接收模块

在该系统中热量表需要实时的获取冷量值、热量值、瞬时流量以及入口的供水温度和供热系统的回水温度等各方面信息。这部分通信采用了工作模式为半双工的 Max485集成芯片。该模块可以通过硬件的控制进行数据的接收和发送过程进行切换。因此485通信模块原理图如图3所示。

2.4 Zigbee模块

根据我国目前居民住宅普遍具有单个住宅区内住户相对比较密集，住宅区密度较高等特点。在多传感器之间的自组网采用ZigBee模块，ZigBee是一种短距离、低速率的传输标准。ZigBee通过接力的方式对所需信息进行传递并且在公寓式的楼栋中安装ZigBee模块也相对较为简单，可达到很高的通信效率。同时能够满足对信息传输的要求。因此本系统采用Zigbee模块用于与用户终端进行通信。

3 系统软件设计及数学模型建立

3.1 软件设计

采集计算器是整个供热系统的最主要的核心控制装置，该装置是温度法的实现装置。在正常工作的情况下该装置能够自动读取用户的地址以及用户名等信息，并与路由节点进行通信测试和时间统一，每隔十五分钟获取一次本地热量表上的数据信息，同时接收来自路由节点的各项实时数据。然后根据热量、温度和用户采暖面积等信息由热量分配原理计算用户的热量分配情况。并将数据上传送到服务器进行综合显示和对数据进行存储；节点在完成以上工作的同时还需要接收来自服务器的温度控制信息，并将这些信息发送到路由节点。采集计算器的软件设计流程图如图5所示。

3.2 流量测量分析

在采集计算器工作的同时需要从热量表中读取热量信息。系统在工作过程中通过对流量和供水温度以及回水温度的测量以及水流经过的时间可以计算系统释放或者吸收的热量，其基本计算公式如式（2）：

式（2）中Q为系统吸收或者释放的热量，单位为J；mq为流体的质量流量，单位为 /kgh；vq为流体的体积流量，单位为3/mh；hΔ为热交换系统进口和出口温度流体的焓值差，单位为 /Jkg；τ为时间，单位为h。

图2 电源电路Fig.2 Power supply circuit

图3 485模块原理图Fig.3 485 module schematic

图4 ZigBee模块原理图Fig.4 Schematic diagram of the ZigBee module

图5 采集计算器软件设计流程图Fig.5 Acquisition calculator software design flow chart

根据电磁传感器的工作原理可以测得流过系统的流量体积，根据法拉第电磁定律可知：

式（3）中B为磁感应强度，L为导体在垂直磁场方向的长度，V为导体作垂直切割磁感线运动的速度。

根据式（4）可以将电动势的表达式等效为式（4）：

式（3-3）中D为电磁流量传感器的内径，V被测流体的平均流速。

由于在系统中流体总是处于满管的状态下进行测量，在这种状态下的测量可以通过测量管横截面积的流体瞬时流量sq，表达式如式（5）：

根据式（4）和式（5）可以得出流量q的测量公式：

由图4和表3可知，① 弹性阶段各曲线变化明显，随着钢管厚度增大初始刚度逐渐增大，斜率增大，承载力明显提高，承载力与挠度成线性关系。在此阶段，圆钢管的壁厚变化对柱子性能影响较小；② 弹塑性阶段中曲线上升斜率随钢管厚度增加而提高，当壁厚大于8 mm时出现明显的平缓段，出现一定的上升坡度。增加壁厚极限承载力也越来越大，体现了钢管的环箍作用；③ 塑性阶段，壁厚越小，在到达极限承载力之后的下降段越明显，坡度越大，易发生脆性破坏，下降段越长，变形能力越好；壁厚越大，下降段越平缓，延性越好，柱子的抗变形能力越好。

3.3 温度面积法热量分配

温度面积法的温度分配模型如下：

式中，Q1——住户所消耗的能量，kw·h；——建筑物的供暖体积热指标，F——整栋建筑物的总体面积，m2；f——散热器散热面积，

nw度，室外温度，℃。

将式（7）代入式（8）可得用户热量分配：

当室外的参考温度为0℃时，式（9）可以化简为式（10）：

取独立的居民楼为热费结算点，可以得出建筑物的结算热费和每个热用户的采暖费用如式（11）式（12）给出：

S0——建筑物的热结算费； S1——建筑物的基础热费； S2——建筑物的计量热费； f1——热力销售部门基本热价； f2——热力销售部门计量热价；Fi——热用户的用热收费面积； Q0——热力入口处总传输热量； Si——热用户采暖费用； Qi——热用户室内用热量。

由式（11）式（12）可得，

将式（10）代入到（13）则可以得出热用户采暖费用的表达式，

3.5 热量分配验证

系统安装调试结束后，通过对系统的监控从上位机获取相关参数，并对参数进行一定的数据分析。表1和表2是从上位机中获取的相关数据，图6、7是对数据进行分析后得出的结果。从结果来看供热面积与热量的分摊基本呈现线性关系，证明采集计算器工作效果良好。

表1 室内平均温度与分摊热量关系Tab.1 The relationship between the average indoor temperature and the shared heat

图6 温度、热量曲线Fig.6 Temperature, heat curve

为更直观分析表中数据，使用数据分析软件绘制出相应曲线图如图7所示。

室内平均温度大致一定，供热面积与分摊热量关系。

表2 室内平均温度大致一定，供热面积与分摊热量Tab.2 The average indoor temperature is roughly constant, the heating area and share the heat

图7 面积和热量曲线Fig.7 Area and heat curve

4 结语

本文对基于温度面积法的热分配采集计算器进行研究和设计。详细分析了供热面积与分摊热量之间的关系，并且通过合理的算法对用户收取费用。相对于其他类似的收费或者热计量方式该设计中的采集计算器实现了更加精准的收集数据，更加可靠的通信方式，以及更加合理的收费计量。并且在实际运行中系统工作状态稳定，数据分析结果良好。

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Design of Calculator for Heat Metering System Based on Temperature Area Method

WANG Zhi-wei, XU Jiang-chun, SHI Peng-kun, Zhang Yun
(Kunming University of Science and Technology, Faculty of Information Engineering and Automation, Kunming 650500, China)

The core device in the heat metering system based on the temperature area is a collection calculator,which takes the data of the heat balance table and the room temperature sensor and completes the heat distribution calculation. The design of the core device directly affects the whole operation of the system. The design of the design through field testing, and through the host computer to collect the data on the feasibility of the system were verified. The data analysis results show that the calculation result of the acquisition calculator is reasonable, the heat distribution result is reliable and the system is running stable.

: Temperature area method; Acquisition calculator; Heat distribution

TP368

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.10.026

本文著录格式：王志伟，许江淳，史鹏坤，等. 基于温度面积法的热计量分配系统采集计算器设计[J]. 软件，2017，38（10）：135-139

王志伟(1991-)，男，硕士研究生，研究方向嵌入式技术及应用，智能控制。

许江淳(1963-)，男，副教授，嵌入式技术及应用，智能控制。