一种供暖阀门远程控制系统设计

马 静，朴金宁，杨 帆

(哈尔滨理工大学自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

0 引言

供暖一直是导致空气污染的一个重要因素。尤其是在东北地区的冬季，由于气候寒冷，所以需要大量焚烧煤炭进行供暖。由于供暖公司的设备不一，工作人员技术能力参差不齐，使得煤炭不充分燃烧，导致了有害气体及烟尘排放到空气中，造成空气污染。除此之外，由于新建楼房与老旧楼房在供暖系统中存在着较大差异，所以在一些地区的冬天便存在着“新楼开窗放，老楼冻哆嗦”的现象。这种现象产生的原因不仅仅设备不相同，还是供热公司无法实时监测与控制用户家中的温度、新楼老楼一套的供暖方案，导致了新楼家中由于温度过高而造成能源浪费，进而造成环境污染[1]。

市场上目前已有的供暖阀门控制方式主要有以下两种。

①利用单片机配合SIM卡模块作为整体供暖阀门的控制端，用户可以用手机发送短消息的方式来获取用户家中的环境温度，从而根据当前的温度，以手机短消息的方式控制家中的电子阀门。

②控制远程阀门的方式大都是通过线缆连接上位机与阀门，多数采用CAN总线、RS-485总线等方式连接小区中的各个用户，进而控制多用户家中的供暖阀门[2-3]。

以上两种方式都存在一定的弊端，如果采用短消息方式，那么需要在各个用户家中安放SIM卡模块，通信次数增多也会不断导致费用的提高，使总控制台控制的复杂度较高；采用线缆控制电子阀门，由于小区中每家每户的距离不同，布线时的难度也随之提高，出现故障也较难排查发现。为解决以上问题，本文设计了一种远程阀门控制系统。

1 系统整体方案设计

基于物联网的远程阀门控制系统主要由三个部分组成。第一部分是阀门控制端，主要功能是通过无线通信方式来控制用户家中的电子阀门；第二部分是嵌入式控制器，主要功能是接收物联网平台发送的指令、发送当前本地采集的温湿度信息；第三部分是物联网平台，在本次设计中采用了Javaweb技术，可以在平台中接收和发送控制器端发送来的数据，在平台中进行温湿度监测，对用户家中电子阀门进行远程控制[4]。整体系统框图如图1所示。

图1 整体系统框图

2 软件硬件设计

2.1 系统硬件设计方案

系统硬件主要包括两个部分。第一部分是负责与互联网收发数据以及控制电子阀门的主控制端，第二部分是电子阀门的被控制端。主控制端采用主控制单元+ESP8266 WiFi模块+传感器+NRF24L01无线射频通信的方案。主控制器MCU通过无线WiFi网络向总控制台发送不同节点的温度数据，总控制台接收到数据并进行判断，同样经过WiFi网络到ESP8266WiFi模块再到主控制器的主控制单元，经过主控制单元将数据分析处理后，控制当前用户所指定电子阀门的开关状态[5]。

硬件设计方案如图2所示。

图2 硬件设计方案

2.2 主控电路硬件设计

主控制器采用ATMEGA328P-AU处理芯片，芯片集成了SPI、I2C、USART等多种通信方式，方便与ESP8266无线WiFi单元和NRF24L0无线射频单元配合执行相应的操作，同时可扩展丰富的接口，方便与外围传感器的结合[6]。芯片闪存容量可达32 KB，先进的精简指令集计算机(reduced instruction set computer,RISC)体系结构，使得内部程序运行时可以与外围电路更流畅、更无缝地衔接。

2.3 电子阀门端硬件设计

在进行点对点的通信方式时，考虑到信息传输的距离、外界环境的干扰，以及整体功耗和成本的因素，通过NRF24L01无线射频方案进行传输是较为合适的选择。NRF24L01无线射频单元工作在2.4～2.5 GHz之间，可进行同时收发的操作，工作电流11.3 mA，工作温度-40～+80 ℃，传输距离可以达到100 m，能满足多用户电子阀门的控制指令的传输操作[7]。NRF24L01电路设计如图3所示。

图3 NRF24L01电路设计图

2.4 无线网络通信端硬件设计

目前，凭借稳定、可二次开发和价格低廉的优势，ESP8266无线网络模块应用在很多物联网产品。与主控芯片控制器采用串口的通信方式，供电电压3.3 V，可作为服务器或客户端。通过设置好的密码，系统可自动连接覆盖在小区内的WiFi网络，进行数据与主控制台的双向通信[8]。ESP8266无线网络单元设计如图4所示。

图4 ESP8266电路设计图

2.5 温度采集硬件设计

本次设计采用单总线通信方案。一方面，涉及到的引脚较少，仅需要三个引脚；另一方面，这款传感器价格低廉，比较适合量产开发。温湿度传感器在工作时，数据在开始信号和响应信号后开始传输，共40位测量数据，分别是8位湿度整数、8位湿度小数，8位温度整数、8位温度小数和8位校验位。当前面的温湿度数据之和不等于最后一位校验位的数据时，单片机就会判断这次的数据有误，同时将这个数据删除；每一次数据都是由50 μs的低电平时间间隔开始。通过单总线被上拉成高电平的时间长短来区分数据0和1并发送，等待数据传输一次后，温湿度传感器模块再次进入空闲状态，等待下一次数据的传输。DHT11电路设计图如图5所示。

图5 DHT11电路设计图

3 部分软件设计

在本次设计中，软件设计主要包括主控制器的软件编程设计。主控制器采集用户家中的环境信息后，通过WiFi网络传送到总控制台；由主控制台通过WiFi网络发送给用户端控制器的过程中，控制器将数据进行解析，并通过串口发送给控制器后，由控制器与电子阀门端进行指令的发送控制。软件设计如图6所示。

图6 软件设计框图

物联网平台搭建时，java目录下所有代码为后端服务代码，resource目录下为前端网页和一些静态资源文件。resource目录下application.properties配置文件是SpringBoot的默认配置文件。该文件中对数据库连接，Tomcat访问端口以及MyBatis的xml文件进行了配置[9]。logback.xml文件对日志功能进行了配置，包括日志存储位置，创建的日志文件的名称以及日志记录级别。mapper文件夹中存放MyBatis的记录SQL语句的xml文件，templates文件夹中存放 HTML文件，static文件夹下是一些静态资源文件，包括css样式，js文件以及img静态图片文件[10]。

4 整体系统调试

整体系统调试主要分为两个部分。第一部分是控制器与控制台的通信，第二部分是主控制器与电子阀门端的通信。

4.1 控制器与控制台通信测试

物联网平台测试包括数据支撑系统和数据可视化系统的测试。通过对系统特征进行分析，制定明确合适的测试计划；通过对测试结果进行分析，对软件系统的实现过程和系统质量进行评估，分析系统存在的隐藏缺陷，为预防和修复漏洞提供建议。

各个用户家中的主控制器在上电之后，ESP8266无线网络通信模块会自动连接到本地覆盖的无线网络，将本次采集的数据通过无线网络传输到物联网平台上。登录物联网平台后，可以查看到各个用户家中主控制器与平台连接的状态，并对各个用户控制器进行温度数据采集和控制指令的发送等。硬件控制端还可以根据当前温度值自动控制电子阀门的开度。

4.2 控制器与电子阀门通信测试

在控制用户家中的电子阀门时，采用一对多方案进行控制，即每一家用户都有一个控制器和多个可控的电子阀门，方便总控制台获取当前用户的环境信息后，进行不同房间电子阀门的定向控制。这样可以保证用户家中达到基本温度后，关闭无用阀门，节约能源。

装置安装图如图7所示。

图7 装置安装图

本次设计的物联网系统可以较为方便地安装在用户家中。只需要在适合的空间放置控制器，连接到WiFi网络上，与物联网平台通信成功后，就可以对用户家中的电子阀门进行开关的控制。总控制台也可以设定用户家中的温度阈值，当温度超过或低于阈值时，控制器会自动与总控制台通信，从而执行关闭和打开阀门的操作；在控制阀门中，会根据当前至与阈值偏差来控制阀门的开度大小，进而保持室内的温度恒定。

5 结束语

本文设计了一套基于物联网的阀门远程控制系统。该系统的创新点是设计了从主控制台到分用户主控制器再到电子阀门端一体化的流程，既有利于在这三端进行数据的通信，又有利于相关部门对不同用户进行特定化的方案设计。系统在保证硬件成本的前提下，达到了节约能源，减少排放的目的。虽然本文对这一体化设计进行了研究，但是由于试验条件、人力物力等多方面的限制，所以本文仅是对于想法的初步设计和简单的测试，如果想对本文设计的方案进行一定的推广和量产，还需要进一步的优化实践，进行整体系统的完善。