高秀艳+李涛

摘 要 针对我国北方集中供暖安面积收费的现状，提出了基于STM32处理器为核心的预付费型智能家庭供热系统，实现按需供热。通过高精度数据采集電路对水温、流量进行采集，计算消耗的热量，实现按照热量收费。通过增量PID算法控制供热阀门调节室内温度，同时有定时开关的功能来实现按需供热，降低能耗。计费采用预付费方式，通过RFID技术实现。

关键词 STM32；智能供热；RFID；增量PID

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）05-0050-03

我国北方大部分地区需要集中供暖以应对严寒的冬天。目前，供暖主要采用按面积收费。造成供暖设备长期处于打开状态，工作时间家庭住房的供热也不会自动停止，造成资源浪费。而热力公司以煤炭供热为主，在资源浪费的背后还有更严重的环境污染。在北方雾霾日益严重的今天，供暖是PM2.5的重要来源之一。针对这一现状，提出一种能够调节和控制的供热系统，住户可以根据自己的情况来选择温度或者是关闭供暖系统，做到按需供热。本文提出一种基于STM32的家庭智能供热的解决方案，可以实时显示当前消耗热量，室内温度，进水和回水温度，供热的开关状态。设计充分利用了STM32的片上资源，不需要额外增加存储芯片和AD转换芯片，节省设计成本。通过增量PID式算法调整控制量[ 1 ]。同时增加了时钟芯片，能实现供热的定时开关，为广大的上班族节省开支，为治理雾霾做出贡献。

1 方案设计

1.1 室温智能控制系统

智能控制系统的安装和结构如图1所示。用户供水管道包括进水管和回水管，分别在进水管和回水管安装温度传感器，在进水管安装流量传感器和电动阀门。处理器通过采集的流量计算流经供热系统的水流体积，通过采集的进出水温度信号计算供热系统的温度差，根据热量系数和体积，温度差来计算用户所使用的热能值。可以实现安装消耗的热量来计费，改变安装面积收费的现状。进水温度，回水温度，室温和已经消费的热量值通过LCD模块实时显示给用户。用户可以根据需要设计要求室温，通过增量PID算法来计算调整量，调整阀门控制水流来实现温度的调节。用户还可以设置供热系统的开关时间，支持安装星期设置，实现周一到周五的工作时间关闭供热系统 ，实现选择性供热。

1.2 热量计算方法

热量的计算有两种方法：焓差法和热系数法。热系数是由焓差计算得来的，所以说焓差法和热系数法在本质上是相同的，但热系数法的数据量比较大，所以我们选择焓差法。焓差法计算热量的公式为：

t：供水时间，单位s；

2 硬件电路设计

2.1 芯片选择

本设计选用的是由德意法半导体推出的基于ARM Cortex-M3内核的32位处理器STM32F103C8T6。其工作频率为72MHz，并且有丰富的片上资源。内置K字节的Flash和K字节的SDRAM，有丰富的I/O接口和APB总线外设。有2个12位的A/D转换器，能满足数据采集电路的模数转换[2]。包含IIC和SPI接口，方便与RFID电路进行通信。

2.2 数据采集电路

数据采集电路包括温度采集和流量采集两部分。为了达到国家热能表的国家标准，温度采集电路采用铂电阻PT1000作为温度传感器，PT1000精度高，稳定性好，一致性好。温度采集电路采用桥式测量电路，信号经过调理放到后输入至STM32的ADC引脚。STM32内部集成12位的A/D转换模块，完全能满足系统的精度要求[3]。

流量采集电路采用涡轮流量计，将涡轮流量计的脉冲信号输入到STM32，通过对脉冲的计数来计算流量。

2.3 RFID电路

本系统设计借鉴了电力电表和燃气表的预付费方式选择预付费系统，只需要在附近有供热预付费的终端，用户就可以很方便的购买供暖热量。综合考虑方便应用和节省成本，系统采用PHILIPS公司的MFRC522，其电路图如图4所示。RC522工作电压低，功耗小，支持ISO14443A协议[4]。RC522提供3种接口模式：SPI接口、USART接口和I2C接口。每次上电或硬件重启后都会复位其接口，通过检查控制引脚的电平来判断与处理器的接口模式。

STM32和RC522之间采用SPI接口，RC522控制接口模式的引脚IIC接低电平，EA接高电平。STM32通过读写RC522的 寄存器来实现系统的初始化，寻卡、停卡和射频卡的读写操作。

2.4 定时设计

现在绝大部分家庭都是双职工，工作期间可以关闭供热系统。由于供热需要一定时间，此系统设计了定时功能，用户可以设定系统的开启时间和关闭时间。这样能保证工作时间家庭的供热系统停止供热，而回到家后室温又达到预期温度。为了让定时更加准确，采用了外部时钟芯片DS1302。DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能。采用三线接口与处理器进行通信，可采用突发方式一次传输多个字节的时钟信号和RAM数据。

4 软件设计

家庭智能供热的软件主要包括系统初始化、数据采集处理和控制、射频卡的读写等部分。系统的主流程图如图4所示，其中不包括射频卡的读写部分。

4.1 系统初始化

系统初始化包括STM32的初始化、时钟芯片的初始化和RC522的初始化。STM32初始化包括系统时钟、定时器和GPIO等功能模块初始化。时钟芯片的初始化主要完成对DS1302的设置，将准确时间写入时钟芯片，在每个周期的显示程序中读取时钟并实时显示。

4.2 数據采集

温度的采集通过STM32F103C8T6内部的12位ADC来实现，流量的采集通过定时器的捕获功能来计算流量传感器的脉冲数量，从而得到流量。

4.3 RFID处理流程

STM32通过对RC522片内寄存器的读写来控制RC522读卡器芯片，RC522收到STM32发来的命令后，按照非接触式射频卡协议格式，通过匹配电路和天线发出13.56MHz信号进行寻卡。若卡在读卡器的有效范围内时，STM32向卡发出寻卡命令，卡片将恢复卡片类型，建立卡和读卡器的联系，若有多张卡在天线有效范围内，读卡器启动防冲突检测，根据防冲突规则选定其中一张卡，然后进行密码校验，对卡的相应模块进行读写和增减值操作。未被选中的卡处于闲置状态，等待下一次寻卡。具体的工作流程如图5所示。

5 结论

STM32处理器片上资源丰富，内置A/D转换器、SPI接口等，大大简化了硬件电路设计。系统的各种数据能通过LCD实时显示，方便用户查看和操作。该系统具有功耗低、操作简单、精度高等特点，设计精度符合热能的国家标准，适合家庭和单元住户的供热控制。实现了有按照面积收费向按消耗热量收费的转变，使供热收费更加合理化，同时节省了热量的消耗，减轻供热公司的负担，为节约能源和环境保护做出贡献。

参考文献

[1]严晓照，张兴国.增量式PID控制在温控系统中的应用[J].南通大学学报：自然科学版，2006，5（4）：48-51.

[2]王铁流，李宗方，陈东升.基于STM32的USB数据采集模块的设计与实现[J].测控技术，2009，28（8）：37-40.

[3]郭智源.基于STM32的PID和PWM温度控制系统研究[J].科学技术与工程，2011，11（16）：3805-3807.

[4]王文涛.非接触式IC卡智能热能表的研制[J].传感器与仪器仪表，2008，24（16）：149-151.

[5]张勇强.基于ARM的供热计量和智能温控的应用研究[J].工业仪表与自动化装置，2010（1）：68-70.