基于太阳能及液体储能的智能岗亭温控系统

梁丽勤,余牧舟,杨俊峰,罗锐捷,王子涵,刘 扬

(东北大学 秦皇岛分校 a.实验教育中心； b.控制工程学院，河北 秦皇岛 066004)

岗亭是指值岗警卫的小屋或亭子，广泛用于门卫安保、武警执勤、交警指挥、道路收费、停车场出入口、体育场馆进出口、收费处、码头、治安哨所和小区门卫等室外场景. 它一般包括支撑柱、框架、圆弧群边、外面板、内面板、岗亭内壁、底座、内吊顶、外顶、活动门、活动窗、配置(日光灯、开关、电器插座、排气扇、地板)，有时也会加配工作台面、空调架等. 一般要求内导式排水结构，无屋檐滴水，雨天方便出入，密封性及隔音性能好，夏天隔热，冬天保温. 但传统岗亭依旧有很多不足之处. 例如大多数岗亭能源消耗都来自外接电源，特别是在冬季供暖方面，多采用空调供暖，这样一方面会增加岗亭维护消耗成本，另一方面也不利于节能环保. 另外传统岗亭在夏季或冬季等温度极端季节需要消耗大量电能，再加上岗亭隔热性能不佳，电能消耗更加明显. 而针对目前问题，解决方法多采用新型的隔热材料，或将集中供暖的暖气管道修到岗亭附近，或在岗亭周围安装加热管. 如在上海迅捷建筑配套工程有限公司其官网发布的一则产品介绍公告显示，其研制的岗亭采取地辐热供暖系统，岗亭底座为铝花纹板长方体，中间设置有加热管线，但这样的设计也有一定弊端，整个供暖系统过于复杂，设计安装维护成本较高，不易实现普及. 在墙壁材料方面，中国建材报2010年报告了天津的岗亭采用硅酸盐绿色工艺水泥，掺加废钢渣、电粉灰及建筑垃圾等为原材料制作为岗亭墙壁，这样的设计提高了岗亭的保温性能，但其功能过于单一，且单纯的材料改进无法实现智能温度控制，因此，将新型的保温材料与智能温控加热系统紧密结合才能起到“1+1>2”的效果.

本文所设计的智能岗亭，利用了单片机、醋酸钠和现代信息技术等，在一定程度上解决了传统岗亭维护成本高、耗电量大和隔热性差等不足.

1 整体研究设计方案

1.1 系统整体设计

智能岗亭的设计方案分为系统硬件设计、系统软件设计和互联网+功能设计,如图1所示. 首先，使用太阳能发电模块，将太阳能转换为电能存储在蓄电池中，为所使用的STM32MINI型号单片机和SWD系列温度传感器和散热芯片持续供电. 温度传感器将所测得的室内温度数据传输给单片机，单片机通过已编入的程序判断并对散热片发出控制信号，实现散热片散热供暖. 除此，利用过饱和醋酸钠溶液为辅助供热装置，其结晶过程释放热量来维持室内温度. 在散热片再次加热时，醋酸钠晶体将重新溶入其溶液中，实现醋酸钠的循环利用. 其次，利用编程语言为单片机设定室内恒定温度，并将其与温度传感器传输的温度进行比较大小，单片机根据比较结果发出相应的控制信号. 最后，利用大数据，设计出能够显示实时温度和耗电量的APP，并通过蓝牙传输技术将单片机中的温度传输到手机上.

图1 系统整体设计与内部联系示意图

1.2 外观造型及使用方式

智能岗亭由3部分构成：供电系统、加热系统和控制系统，其外观如图2所示. 供电系统采用太阳能电池板为岗亭供给能源，利用白天储蓄的电能为加热系统供热，为控制系统供电. 加热系统以散热片为主要供热结构，利用太阳能电池板提供的电能加热岗亭以提高其室内温度. 同时加热系统也将以过饱和醋酸钠溶液为辅助供热装置[1]，利用醋酸钠结晶过程释放热量维持室内温度或减缓其下降速度. 在散热片再次加热时，醋酸钠晶体将重新溶入其溶液中，实现醋酸钠的循环利用. 控制系统采用STC89C52RC单片机控制，设定程序当岗亭室内温度低于某一温度阈值时启动散热片工作，当温度高于某温度阈值时停止散热片，控制室内温度在合适温度间浮动，减少不必要散热片工作而造成的能量损失.

图2 智能岗亭的外观造型图

2 系统硬件设计

整个系统硬件部分由单片机STM32MINI核心控制模块、温度传感器测温模块、散热器模块、太阳能发电系统模块和醋酸钠水溶液循环加热模块构成，如图3所示. 其中，太阳能发电系统模块为整个系统供电；温度传感器用于检测外界温度；单片机作为核心控制系统，可以在其中编写温控函数，同时，其可接受温度传感器发送的信号，并对散热器模块是否工作加以控制；醋酸钠水溶液循环加热模块由饱和醋酸钠水溶液构成，温度降低，醋酸钠晶体析出，放出热量，实现加热；散热器模块由32单片机控制，用于在温度低于阈值时加热醋酸钠溶液，令析出的醋酸钠晶体再次溶解到溶液中. 各模块相互紧密联系，密切配合，以实现智能温度控制.

图3 系统硬件设计总体关系

2.1 单片机模块

单片机是整个控制系统的核心与灵魂. 本系统选择STM32MINI型号单片机，其内核为Cortex-M3 32-bit RISC，其工作电压在2～3.6 V，工作频率在72 MHz，具有51个I/O口，具有启动转换、数据处理和计数等多种功能. 在单片机中写入温度控制函数，将17 ℃设置为是否加热的零界温度，其中2个I/O口用于接收温度传感器输入的所测温度，2个I/O口用于连接散热片输出控制信号. 如果传感器传送的输入温度值小于零界温度，那么将会传出控制信号，使加热片加热；如果传感器传送的输入温度值等于或者大于零界温度，那么单片机不会输出控制信号，散热器停止工作[2].

2.2 温度传感器测温模块

该模块使用SWD系列温度传感器，该传感器是铂金制成的测温度的电阻器，可用来测量各种液体、气体等流体的温度. 具有精度高、分辨度好、安全可靠、使用方便等优点，也可以直接测量生产过程中的液体、蒸汽和气体介质的温度. 在本系统中，SWD温度传感器利用铂金属(PT100)在岗亭室内温度变化时自生电阻也随着变化的特性来测量温度. 受热元件是细铂丝，均匀地双绕在绝缘材料制成的骨架上，工作范围为-200～650 ℃[3]. 因此可以作为本文的测温仪器. 工作原理以及电路设计如下：

整个电路分为2部分,一是传感器前置放大电路,一是单片机 A/D 转换和显示、控制、软件非线性校正等部分.

按照PT100的参量,其在0～500 ℃的区间内,电阻值为100～280.9 Ω，按照其串联分压的启发，使用公式[3]：

可以计算出其在整百℃时的输出电压,V0的单位为mV.

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单片机的10位A/D在满度量程下，最大显示为1 023字，为了得到 PT100 传感器输出电压在显示500字时的单片机A/D转换输入电压，必须对传感器的原始输出电压进行放大，放大倍数β[4]为

当系统供电VCC=5 V时，可以得到放大倍数β=10.466 .

从传感器前置放大电路输出的信号被发送到 HT46R23 的 A/D 转换输入端口(PB0/AN0)，由单片机做必需处理. 首先是进行软件非线性校正，把输入信号按照不同的温度值划分为不同段，再根据其所在的段分别乘以不同的补偿系数，令其与理论值尽量接近，经过非线性校正的数值，作为最终的输出信号，并与所设定的温度控制值进行比较.

2.3 散热器模块

散热芯片功率的大小与室内面积成正比. 由于室内体积不大所以10 W的散热片即可满足加热需求.

散热片的核心是1组加热电阻丝，当控制信号进入时，根据电流的热效应，发热电阻会产生热量，并通过风扇将热量传至整个室内，从而提高室内温度.

2.4 太阳能发电系统模块

实验使用的电池板由晶体硅制成. 其由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池(组)等部分组成. 各部分的作用为[5]：

1)太阳能电池板. 太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，将太阳的辐射能转换为电能，或者送往蓄电池中存储，或者推动负载工作[6].

2)太阳能控制器. 太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用. 在温差较大处，合格的控制器还应具备温度补偿的功能. 其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项[7].

3)蓄电池. 一般为铅酸电池，小微型系统中也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池. 其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存，需要时再释放出来[5].

2.5 醋酸钠水溶液循环加热模块

由于醋酸钠在水中溶解度非常好，利用饱和醋酸钠水溶液结晶原理，当温度一旦降低，醋酸钠就会结晶而放出一部分热量，加热使室内温度. 而当温度由散热片再次加热升温之后，结晶的醋酸钠就会重新溶解. 当温度再次降低时，醋酸钠再次结晶放热而加热. 在整个过程中，由于温度的变化不大，所以醋酸钠的结晶与溶解基本可以实现饱和溶液的结晶放热和生成饱和溶液，进而实现水溶液的循环加热功能[10].

3 系统软件设计

程序主要有温度初始化设定、传感器输入温度模块、温度大小判断模块、输出控制信号模块和蓝牙通信模块. 系统上电后，单片机通过reset按键复位，程序运行到主函数开始处进行各模块初始化，其中包括系统时钟信号初始化，设置单片机波特率为9 600 bit/s，设置初始温度值为18 ℃，单片机数据传输端口1，2和3初始化，工作指示灯初始化等[11]. 在当前温度数据通过端口1传入单片机后，程序是在if判断语句的控制下完成对当前温度和设定初始温度大小的判断，如果当前温度数据小于初始温度，单片机将此时的温度通过端口3传输给电脑，即电脑显示当前温度. 并且单片机通过端口2将控制信号发送给散热片，散热片内部发热电阻开始发热[12]. 如果当前温度数据大于初始温度，单片机再次把数据通过端口3传输给电脑，但不会将控制信号发送给散热片. 单片机通过散热片控制温度以完成提高温度的过程的流程图与相关程序代码如图4～5所示.

图4 系统软件设计流程图

图5 部分程序代码

4 “互联网+”功能实现

本温度控制系统融合了“互联网+”概念，既有相关APP可供保安人员了解当前室内温度信息，也有大数据服务平台进行相关的数据挖掘. 该温度控制系统可以与不同保安人员进行“一对一”的相互交流，实现智能化效果.

4.1 APP主要功能和界面设计

4.1.1 登录界面

在登录界面，使用者需要输入账号和登录密码，供服务端进行登录验证. 使用者在登录后可以按照操作填写相关数据，包括岗亭编号，设定零界温度等信息. 这些信息被储存到云端岗亭温度控制信息数据库，供相关人员使用.

4.1.2 主界面

手机APP系统的实现采用WeX5作为开发工具，WeX5开发的手机应用移植性好，也可以调用本地的硬件资源，用户体验优良[13]. 在APP主界面，安保人员可以看到当前室内温度，升温耗电量等信息. 使用者点击左下方的“温度变化”还可以查看1周至1个月的室内温度变化情况，温度变化情况以曲线图的形式展现. 手机与训练器之间保持蓝牙连接，数据互相同步并被储存到云端，避免相关数据丢失.

5 实验与结果分析

5.1 实验前期准备

为了更好地验证系统的可靠性与灵敏性，制作了整套智能岗亭温控系统的模型，通过等比例缩放来恰当用实验数据反映现实情况. 整套系统中，智能岗亭模型选用12 cm×6 cm×6 cm的玩具警车；核心控制模块选用STM32F103型单片机；温度检测装置选用DS18B20温度传感器；加热装置选用功率为10 W的加热芯片；过饱和醋酸钠水溶液选用溶解度为124 g/100 gH2O的无水乙酸钠500 g配置；供电装置选用功率为25 W的SWM25M125单晶硅太阳能电池板(线度为1 mm2，线缆长度为1 m，尺寸为426 mm×446 mm×28 mm，质量为2.7 kg)[14].

5.2 实验过程

将整个实验装置放置在露天环境中，将温度传感器放入岗亭模型中，将其5 V端口通过USB转TTL线接入太阳能电池板连接的稳压源上；GND引脚用导线与STM32单片的GND引脚相连接，实现共地接法；TX引脚与单片机Pb11引脚连接，RX引脚与单片机Pb10引脚连接,实现与单片机的通信；STM32单片机在岗亭外部，其TX与RX引脚、GND引脚通过USB转TTL接头连接到笔记本电脑上，便于将实验数据传输到电脑的串口上，便于后期数据处理、分析[15]，同时，单片机的3.3 V引脚与太阳能电池板连接的稳压源连接；加热芯片在与单片机连接，其放置进装有醋酸钠过饱和溶液的袋子里，再将袋口密封好；太阳能电池板放在向阳处，设置好角度. 最后，在温控模块编程程序中将最低阈值温度设置为22 ℃，即低于此温度后，单片机控制加热芯片工作，加热醋酸钠溶液，将结晶析出的醋酸钠晶体再次溶进水中.

测试时间为24 h，从2018年3月3日早上7点到3月4日的早上7点，测试地点位东北大学秦皇岛分校基础楼2楼阳台，北纬N39°55′39.23″ 东经E119°38′9.39″.

待24 h电脑采集好数据后进行分析处理. 时间上选取19:00到次日7:00，每隔30 min记录1次温度数据，将整理出的温度与时间数据制成随时间变化的曲线图，如图6所示.

图6 θ-t图像

5.3 数据分析

通过数据分析，醋酸钠饱和溶液可用于散热时间约为1 h，加热芯片加热时间约为10 min，温度在夜晚的12 h中，规律地在22～25 ℃上下波动，证明该系统能够有效、灵敏、较为准确地实现温度测量和温度控制.

6 结束语

设计了基于太阳能及液体储能的智能岗亭为例，具体阐述了其工作原理、软硬件实现过程以及实验结果. 该系统采取了智能控制技术，并且与互联网相结合，十分智能可靠地实现了岗亭的温控取暖，同时，其采取的清洁能源与可循环利用材料也顺应了当下节能减排，低碳生活的大主题.