城市分户供暖系统的研究

麻少轩 岳巨恒 曹凤才

摘  要：城市分户供暖系统的研究提出了一种基于物联网的集中供暖分户热计量系统，在温度面积法的热量分摊方案的基础上，引入无线通信技术，建立了一种无线集中供暖分户计量系统。系统选择了无线传感器网络进行热量数据采集，建立了基于RSSI的机会路由的数据采集方法，同时还引入管理服务器进行远程终端和控制，實现了远程数据采集和管理目的，从而实现了这种集中供热分户计量方案。

关键词：集中供暖;机会路由;数据采集;控制系统

中图分类号：TU832.1      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）20-0169-03

Research on Urban Household Heating System

MA Shaoxuan1，YUE Juheng2，CAO Fengcai3

（1.Inner Mongolia Mengdong Energy Co.，Ltd.，Hulunbuir  021099，China;2.Shanxi Luneng Hequ Power Generation Co.，Ltd.，Xinzhou  036599，China;3.School of Electrical and Control Engineering North University of China，Taiyuan  030051，China）

Abstract：The research on urban household heating system puts forward a central heating household heat metering system based on the internet of things. On the basis of the heat apportion scheme of the temperature area method，wireless communication technology is introduced to establish a wireless central heating household metering system. The system selected a wireless sensor network for thermal data collection，established an RSSI-based opportunistic routing data collection method，and also introduced a management server for remote terminals and control to achieve the purpose of remote data collection and management，and finally achieved this central heating household heat metering plan.

Keywords：central heating;opportunistic routing;data collection;control system

0  引  言

目前北方的供暖方式大都采用的是集中供暖，尤其是地市级城市和县城，这种供暖方式的优点是管路简单，但在进行供暖计费时，采用的方法大都是根据加热面积来进行计费，这种方法很难满足节能减排的要求，存在很大的资源浪费，并且导致环境和空气的污染较为严重，同时用户的热舒适性也难以满足。基于以上问题，本文研究了一种城市分户供暖系统，利用无线传感器组网，根据供热站对各用户所提供的热量来进行计费，这样能很好地满足家庭温度测量要求。也就是基于温度面积法的分户计量方法，设计并建立相应的供暖分户热计量系统。为满足数据传输安全性要求，用管理服务器对远程终端和秘钥的管理模式，更好地进行监管。

1  系统整体设计

这种系统的组成单元主要有收集终端用户组，管理、网络、程序服务器，而其中的终端用户组包含的单元主要有获取终端和协调中心节点;在系统运行过程中程序服务器可采集和存储远程控制指令，且进行一定的数据处理操作;网络服务器则进行一定接口配置操作;而相应的管理服务器则可起到主要控制功能，在运行中管理服务器可对其他单元进行适当的协调。用户的密码功能在移动设备和Web终端上操作，且能监控设备是否正常运行及故障提示。

2  系统设计分析

2.1  热量分配处理

本系统主要通过温度面积法进行热量分配处理。温度面积法的操作难度小，在实际的应用中，主要是将室内温度控制器安装在用户室内，从而可满足相应的温度测量要求。温度检测阀安装在建筑物的热量入口处，就可确定出单个建筑物的热量，在热量分配时基于用户区域和舒适度处理，也可以有效地避免邻居之间负荷分配不均引起的热分布不均的问题。

温度面积法在应用中需要基于热用户的热损失进行相应耗热量计算，对应的表达式如下：

Q0=qv∫（tin-tout）dt

其中，Q0为热用户在供暖条件下对应消耗热量，v为不热用户房间体积，t为温度。在实tin为热用户输入温度，tout为输出温度。际的计算过程中对一个单栋建筑，结构保持一致情况下，q基本上不变，同样的室外温度情况下，对比分析可知耗热量只与室内温度有关。

当满足同一建筑物中不同位置用户的中等热量要求时，根据适当的关系分配热量，以满足相同的舒适性要求需要，在此建立了相应的温度采集机制。

2.2  供暖分户计量系统体系结构

针对温度面积法进行热量分配时，温度检测设备容易安装，且对应的数据传输可靠性也明显的提高，可更好地满足舒适度要求，这些是设置热量计量系统的主要考虑因素。本文对此进行具体分析而选择了基于物联网的集中供热和家庭供热计量系统。

2.3  用户采集终端

温控器节点在安装过程中一般都部署在热用户房间内部，可用于对室内温度进行检测，也可以根据用户设定的温度，而對球形阀门的开度进行调节，从而调节室内温度舒适性要求。

本文在研究过程中综合各方面因素进行分析，选择了电子式温控器进行温度信号的采集[2]。这种温控器测量温度时应用了电阻感温模式，其特征表现为稳定性高、体积小，有极高的适用性，在分户计量系统中的应用比例较高[3]。

温控器的组成单元包括无线通信模块，LCD断码显示屏、按钮按键、控制单元和传感器等。其硬件原理框图如图1所示。

3  数据采集方法的实现

协调中心节点简称协调器节点。终端用户组中的协调器运行期间，数据主要基于无线网络与服务器交换，而内部节点则依靠无线传感器网络进行数据通信[4]。无线网络通信优势为：

（1）安装和布线简单，在安装过程中不需要大量的改造住户房间，相应的布线成本较低，有较高的适用性。

（2）适应性较好。对不同类型的建筑都可满足应用要求。

（3）扩展性高。

不过这种传输模式也有一定的缺陷，具体表现为数据传输的可靠性无法保障。本文在研究过程中具体分析了这种问题，设计了基于RSSI的无线机会路由的数据采集模式，且根据先前划分的节点优先级结果，建立协调器节点到目的节点的传输路径。在回传数据期间，转发节点的环境数据，这样可大幅度减少采集时间。

协调器节点采集相关的程序伪代码为：

for i=1 to ThermostatNum do    // Thermost atNum表示温控器节点个数

if ！Is Collected. （i） then        //温控器节点i是否已经被采集过

SenC ol lect D ata Frame （i）         //构造数据采集命令帧，并通过si4432芯片发送

OpenTimer （i）         //开启定时器等待备选节点回复ACK

end if               //处理定时器中断

function Timer IRQHandler （message） do

If ReceiveAck then    //判断是否接受到来自备选节点的ACK确认

Retransmission （message）  //对该数据进行重传

Else

Broadcast （message）      //广播ACK数据包，收到该数据包备选节点清空发送缓存

end if

end f unction

备选节点在实际的运行过程中收到来自发送节点信息情况下，应该根据接收到的RSSI信号强度进行分析，确定出优先级，基于此优先级结果而适当地进行时间退避和回传ACK操作，满足对应的通信功能要求。在实际的应用过程中，通过上述操作就可以满足温度数据的远程采集要求，且对节点进行远程控制，同时传输采集的温度信息到服务器[5-7]。对比分析可知这种方式的数据传输可靠性明显的提高，可更好地满足应用要求，此外节点拓展性增强，因而总体上看表现出较高的应用价值。

数据采集和传输的可靠性对这种系统的功能实现有重要的意义，可有效地保证数据的实时性，且可满足相应的精确性要求。而温度精度是测量温度面积主要影响因素，因而应该对其精度进行高效的控制。基于温度面积法的热测量系统在实际的应用过程中由于缺少监视手段，若同一建筑物中某一热用户长时间打开窗户或干扰温度传感器等异常行为，导致大量的热损失造成室温较低。这些流失的热量使同一建筑物中的其他热用户的热量就会被造成热损失的用户共享，这是不均衡且不合理的。

在进行计费分摊时，为保证用户热量分摊的公平性，对这种异常行为引发的热量损失，一般当作为住户热费的可调部分，在此基础上进行计算和分摊，更好地满足分摊要求。

4  系统测试

系统实现了基于RSSI机会路由的数据采集算法，接着实现了基于物联网的集中供暖分户热计量系统，且对其进行运行分析。在过程中根据实时的运行结果，带入相关的参数而对供热数据进行监测，根据设定的判断依据进行分析，确定出是否存在异常用热，在发现异常情况下进行报警提示，在计算分析过程中，可基于相应实际的室内外温度、阀门开度相关的参数进行计算，从而确定出其中各用户用热情况，且根据历史数据进行分析，确定出是否符合用热规律，然后根据分析所得结果对用户是否存在异常用热进行判断分析。测试结果如表1所示。

由表1中8点到12点的用户热量消耗数据中，室外温度上升了4.1℃，阀门开度基本不变情况下，而室内温度下降了2℃，从可以判定，该用户存在异常用热情况。由此，管理服务器即可进行热量协调，同时也是计费参考依据。

5  结  论

传统的供热系统在应用中没有进行终端用户的监督，不能满足用户舒适度需求，且可能导致盗热问题，因而有明显的应用局限性，偏离国家节能减排发展方向。本文对这些问题进行具体分析，并参考此方面的大量文献而设计了一套基于物联网的分户热计量系统，且实现了其功能。对用户异常用热行为可进行监控，进行合理的用热管理。这样可更好地满足热用户舒适度要求，有利于形成良好的节能意识。

参考文献：

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[2] 仲伟堂.阜新热电厂供热站温控系统的研究 [D].阜新：辽宁工程技术大学，2006.

[3] 吴桂才.燃油锅炉全自动优化燃烧智能系统 [J].舰船电子对抗，2001（3）：28-30.

[4] 王建平，徐其林，张茂林.基于EPA标准的ZigBee网络构建方法的研究 [J].计算机测量与控制，2008（1）：121-123.

[5] 吴伟.热网监控系统在集中供热系统的应用 [J].煤气与热力，2008（1）：21-24.

[6] 汤莉莉，黄伟.基于STM32的FSMC接口驱动TFT彩屏设计 [J].现代电子技术，2013，36（20）：139-141+144.

[7] 刘新辉，何长铃.基于无线传感网的变压器实时监测数据采集系统设计 [J].自动化与仪器仪表，2013（2）：89-91.

作者简介：麻少轩（1986.03—），男，回族，山东德州人，主控机组长，助理工程师，本科，研究方向：火电厂热控自动化技术。-