陈俊峰，何 瑶，李笑宇，仲芳枢，黄腾达，刘 燕，陈兴文

(大连民族大学信息与通信工程学院，辽宁 大连 116600)

目前我国北方城市一般都采用直接燃煤和热电联网的集中供暖方式，用户终端大多采用分户控制，计量收费根据用户建筑面积收取，这种方式属于粗放的运行管理模式，存在较多弊端。主要表现：一是用户对自己家庭供暖温度调节不能根据所需自主调节，缺少用户按需收费和舒适体验感，经常出现用户房间“热时靠开窗、冷时靠投诉”的现象；二是造成了能源的大量浪费，也进一步加重了城市的冬季供暖带来的环境污染。随着国家节能减排和减少大气碳排放等措施的实施力度不断加大，人们越来越关注目前智能供暖这一技术的推广和应用。也就是对现有一户一阀供暖系统引入自动控制策略，通过对用户室内温度进行采集和预设，自动调节热源流量电磁阀，使其达到预定温度和用户期望的舒适感，实现了按需调节和使用的目的。

1 智能家庭供暖控制系统原理

目前家庭供暖系统的基本原理是以热力公司提供的热源(热水)引入家庭端供暖循环系统中，在保证提供合适的入户热水温度的前提下，通过改变流经暖气片热水的流量来改变房间温度。一般供暖系统家庭端(入户后)主要包括：机械调节阀、暖气片、入水管、和出水管等。在目前系统配置的基础上，增加温度自动调节器和控制算法，就可以实现智能家庭供暖温度的自动调节[1]。具体改造后的原理框图如图1所示，可以看出它是利用获取的温度控制差值来调节入户流量阀开合程度(改变流量)来实现温度调节。

图1 智能家庭供暖控制系统原理框图

2 智能家庭供暖控制系统设计需求分析

根据用户对智能家庭供暖系统的现实需求，结合智能温度控制的工作原理，系统设计应满足如下的功能需求及分析。

1) 系统有自动运行和手动运行两种工作模式。其中，自动运行按照三种工作运行模式设计：常规模式、周末模式和出差模式，常规模式就是按照用户白天外出工作，晚上回家休息的模式，可进一步划分外出时间段、外出回家时间段、休息睡觉时间段、睡觉起床时间段，这样可以满足用户更好的舒适体验；周末模式可划分为睡觉和起床两个时间段：出差模式因为不在家中就设定一个时间段。用户可对每种模式下的各时间段的温度进行预先设置，系统就可以根据设置的参数，在不同时间段实现房间不同温度控制的目的。手动运行就是用户自行设置温度控制参数，增加系统灵活性[2]。

2) 由于系统自动运行模式是按照划分的时间段进行温度设置的，故需要时钟管理功能。当系统上电运行后，首先用户进入模式选择，根据不同模式进行时钟和温度参数设置；然后进入到运行工作模式后，系统会根据当前模式及设定的参数与实际温度测量值进行比较，用以进行目标量的执行控制。其次，用户对每种运行模式的参数设定可采取本地监控终端和远程用户手机端设置进行信息输入。为避免断电后信息丢失，需要设计自行保存系统运行参数功能。

3) 由于现在大多数用户采用的是总阀下的分路地热供暖，为了实现更加精准控制调节，要求对每一条回路供暖的区域进行温度采集，也就是要求户内温度采集实现分布式采集，从而控制各回路流量调节阀。这样就需要组建室内温度分布式采集数据传输网络结构。

4) 由于采用调节流量阀开闭程度实现温度控制，在控制方法设计方面应考虑实现容易和调节方便的问题，避免由于频繁调节，影响阀体使用寿命。

从上面设计需求分析可以得出系统整体及单回路温度采集结构如图2所示，其中室内单回路温度采集及数据传输节点、回路流量调节阀控制模块及系统控制算法是设计的重点。

图2 系统整体及单回路温度采集结构

3 硬件电路设计

根据智能供暖系统用户端设计要求，系统采用STM32单片机作为控制器核心；为了便于调试和日后维护，采用模块化结构设计思想；模块化硬件部分由无线通信模块、显示模块、时钟模块、外接数据存储模块、温度传感器模块、流量调节阀控制模块等部分组成。现对核心功能模块设计做如下介绍。

3.1 流量调节阀控制模块设计

在综合考虑精度、价格、控制性能等各方面因素后，系统选用ZQDF-DN25型比例电磁阀，其等效电气模型为电阻与电感串联。当比例电磁阀通电后，随着电流逐渐增大，电磁线圈产生的磁场逐渐增强，衔铁在电磁力的作用下，将推动阀芯移动。因此其控制原理就是通过微控制器改变 PWM 波的频率和占空比，使得衔铁所受电磁力发生变化[3]。根据电流、阀芯位移之间的对应关系，不断调整电流大小，控制阀芯位移，进而控制电磁阀开关以及打开程度，控制电路如图3所示。实验表明，PWM 输出频率越高，等效输出的平均电流线性度越好，流量控制效果也越好。

图3 流量调节阀控制电路

3.2 从节点无线通信模块设计

从图2可以看出，系统的温度采集按照接收主机和从节点模式设计，从节点包括微处理器STM32F103C8T6、温度传感器 DS18B20 和 NRF2401 无线模块。从节点集采集的各回路温度数据发送给接收主机。NRF24L01内置126 频道，可满足系统多点通信需求；具有硬件CRC 检错和点对多点通信地址控制；可软件设置地址，只有收到本机地址时才会输出数据(提供中断指示)；内置可选的包应答机制，极大的降低丢包率。这些特性可以很好地满足系统的主从分布式通信模式的功能，其无线通信接口电路如图4所示。

图4 从节点无线通信模块的接口电路

4 软件设计

智能家庭供暖系统温度控制系统软件设计根据功能需求，采用C语言和模块化程序设计思想实现。程序模块包括：主程序初始化、键盘设置程序、显示程序、通信程序、存储程序和定时中断程序等。系统主程序及温度调节算法流程如图5所示。工作模式按照人工设置和自动运行两种进行编程设定。用户首先根据自身的供暖需求通过用户设置系统初始工作状态(达标温度、系统时间、工作时段等运行参数)，然后系统根据设定参数的情况自动选择并进入常规模式、周末模式和出差模式中的一种，并进入相应的程序控制流程。

图5 系统主程序及控制算法流程图

5 结语

智能家庭供暖系统为落实节能减排措施，减少我国北方集中供暖带来的空气污染和能源浪费提供了一条有效解决方案。系统设计框架、功能实现、通信模式以及控制方法符合终端居家用户对智能供暖的现实需求，具有工作模式选择人性化和便捷性，具有一定的市场应用价值。