張啟來

(佳木斯大學(xué)，黑龍江佳木斯154007)

0 引言

目前三北地區(qū)的高校多采用自我管理、集中供熱的方式進(jìn)行冬季供暖，集中供熱網(wǎng)是一個復(fù)雜的輸送和分配熱量的分布式大系統(tǒng).由于資金、歷史等諸多原因，高校供熱系統(tǒng)都暴露出運(yùn)行管理缺乏整體性控制，自動化水平較低.主要表現(xiàn)為供暖質(zhì)量差，冷熱不均;供熱管網(wǎng)的設(shè)計、管理與運(yùn)行方式不科學(xué)，造成能源浪費(fèi);設(shè)備陳舊、管道老化，在缺少監(jiān)測系統(tǒng)的情況下運(yùn)行存在較大的安全隱患.

利用物聯(lián)網(wǎng)的供熱系統(tǒng)監(jiān)控管理方式，可以時時監(jiān)測、控制，科學(xué)合理地分配熱量，讓熱能高效發(fā)揮作用，為供熱系統(tǒng)提供一個安全、環(huán)保、節(jié)能的運(yùn)行環(huán)境.本文主要介紹系統(tǒng)的組成以及主要模塊實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù).集中供暖控制系統(tǒng)的建設(shè)，通過校園網(wǎng)的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用低成本、低功耗、全雙工的無線通訊協(xié)議的Zigbee節(jié)點(diǎn)組建無線個人局域網(wǎng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、定位、監(jiān)測與控制，實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)的管理全面自動化.為使自動控制系統(tǒng)的相對穩(wěn)定，避免熱平衡處于頻繁動作狀態(tài)，采用“溫度補(bǔ)償”控制策略，即允許被控室內(nèi)溫度在－定時間內(nèi)存在一定幅度的波動，當(dāng)室溫變化幅度超過設(shè)定值時，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)啟動調(diào)節(jié)熱平衡閥，從而跳出供暖系統(tǒng)微觀變化，從宏觀上調(diào)節(jié)控制供暖系統(tǒng)的熱平衡.

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)由無線監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸和控制中心三部分構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

每個小區(qū)內(nèi)的RFID傳感器節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)，通過網(wǎng)關(guān)連接到校園網(wǎng)上，把數(shù)據(jù)傳給控制中心，控制中心根據(jù)得到的數(shù)據(jù)適時控制相關(guān)設(shè)備，達(dá)到智能化、自動控制的目的.系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)實(shí)施充分利用完備的校園網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢測、控制信息傳輸，可以合理利用校園，減少項(xiàng)目投資，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、安全、低投入的多贏局面，監(jiān)控中心的服務(wù)器上將采集現(xiàn)場傳感器的數(shù)據(jù)，監(jiān)測現(xiàn)場控制器的運(yùn)行情況并指導(dǎo)操作員進(jìn)行操作.服務(wù)器實(shí)時地從現(xiàn)場控制器采集數(shù)據(jù)以保證其數(shù)據(jù)庫不斷更新.服務(wù)器還向現(xiàn)場控制器發(fā)送控制和參數(shù)設(shè)置指令.操作員從控制中心通過該系統(tǒng)能夠方便地得到監(jiān)測節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，利用校園網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，既降低了系統(tǒng)建設(shè)的費(fèi)用，又保證系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，本文將詳細(xì)探討無線監(jiān)控系統(tǒng)和控制中心的組成結(jié)構(gòu)與工作原理.

2 無線監(jiān)控子系統(tǒng)

無線監(jiān)控子系統(tǒng)主要功能是對熱網(wǎng)的溫度、壓力等模擬量參數(shù)進(jìn)行檢測，根據(jù)熱網(wǎng)運(yùn)行大惰性的特點(diǎn)，現(xiàn)場傳感器能按指定的時間間隔進(jìn)行參數(shù)采集，定期傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的服務(wù)器上，并能自動響應(yīng)控制中心，接收上位通訊調(diào)度軟件的各種控制指令，能夠靈活的完成室外溫度補(bǔ)償，設(shè)定溫度、管網(wǎng)壓力與流量控制參數(shù)，達(dá)到控制臨界點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)可自動進(jìn)行流量控制和主動報警信息發(fā)送等功能，實(shí)現(xiàn)檢測、控制的全面自動化.

每個無線監(jiān)控子系統(tǒng)由一個星形結(jié)構(gòu)的無線個人局域網(wǎng)(wireless personal area network communication technologies，WPAN)構(gòu)成，覆蓋區(qū)域?yàn)橐粋€建筑物.鑒于zigbee節(jié)點(diǎn)具有自組網(wǎng)，低成本、低功耗，支持全雙工無線通訊協(xié)議，高可擴(kuò)充性(一個星形網(wǎng)路中可包括255個zigbee節(jié)點(diǎn))和工作在2.4GHz的免費(fèi)頻段上的特點(diǎn)，WPAN采用符合IEEE802.15.4/ZIGBEE 標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)［1］，傳感器節(jié)點(diǎn)采用嵌入式工業(yè)控制器zigbee節(jié)點(diǎn)，為保證數(shù)據(jù)采集的精確性，模擬量數(shù)據(jù)采集前置放大器采用儀表放大器，增加陷波電路，降低工頻干擾.為降低系統(tǒng)的功耗和數(shù)據(jù)傳輸量，系統(tǒng)采用非信標(biāo)工作模式(終端節(jié)點(diǎn)可以休眠，協(xié)調(diào)器與路由器始終工作，休眠的終端節(jié)點(diǎn)會周期醒來與父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行握手操作，確認(rèn)自己在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的存在性)［2］，用定時中斷的方式保證其采集時間間隔的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存采用雙緩沖區(qū)方式，待第一緩沖區(qū)存滿時，將第一緩沖區(qū)數(shù)據(jù)移至第二緩沖區(qū)，并將第二緩沖區(qū)數(shù)據(jù)加上報頭發(fā)往上位機(jī)［3］，與ARM通信采用全雙工方式，節(jié)點(diǎn)流量控制閥門的接口采用工業(yè)總線CAN總線接口.

嵌入式網(wǎng)關(guān)采用TI公司的高性能、低成本的基于ARMv7指令架構(gòu)的嵌入式微處理器Cortex－A8，運(yùn)行功耗僅300mW，具有先進(jìn)的動態(tài)分支預(yù)測，專用的L2緩存，它可運(yùn)行多種嵌入式操作系統(tǒng)，接口資源豐富，是32位嵌入式微處理器的主流產(chǎn)品.系統(tǒng)軟件采用WINCE，應(yīng)用程序采用Visual C++編程，Visual C++提供了大量的庫函數(shù)及軟件接口，編程減少和硬件打交道.降低系統(tǒng)開發(fā)難度和時間，Zigbee節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)關(guān)組成的無線監(jiān)控子網(wǎng)，Zigbee節(jié)點(diǎn)是加入網(wǎng)絡(luò)的流程如圖二所示，嵌入式網(wǎng)關(guān)通過RJ45接口與校園網(wǎng)連接，進(jìn)行監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸.

圖2 Zigbee節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)流程圖

3 控制中心

控制中心是整個系統(tǒng)的中樞部分，其作用是存儲實(shí)時檢測的數(shù)據(jù)，掌握整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，按功能需求設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行的時間、溫度、壓力、流量等參數(shù)，使供熱調(diào)節(jié)不處于盲目狀態(tài).

控制中心的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采用技術(shù)成熟的C/S結(jié)構(gòu)，硬件部分主要由服務(wù)器、管理工作站組成.為保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行，應(yīng)采用專用的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和通訊服務(wù)器，并設(shè)置異地備份功能和備用系統(tǒng)，系統(tǒng)管理人員通過工作站完成各自的工作［4］.

軟件設(shè)計充分考慮熱網(wǎng)運(yùn)行的功能性需求，側(cè)重于以下幾個方面.

1)方便的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制與操作，傳感節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，降低管理人員的勞動量.

2)熱力系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時數(shù)據(jù)存儲異地備份功能，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行.

3)適時的報警、提示管理功能.

4)具有人性化的操作界面，方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索與瀏覽.

5)可輸出各種需求報表、運(yùn)行趨勢曲線，能對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，進(jìn)行分析、統(tǒng)計、比較功能，方便專家制定系統(tǒng)運(yùn)行策略.

6)完善的數(shù)據(jù)庫接口，方便二次開發(fā).

7)運(yùn)行方式的合理設(shè)計，如辦公區(qū)和生活區(qū)對供熱時間段的要求恰好相反.

8)具有完整的報警記錄和權(quán)限管理功能.

4 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的高校集中供熱管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了流量、壓力、溫度、故障的時時監(jiān)測，又具有遠(yuǎn)程通信、大容量歷史數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)分析等功能，系統(tǒng)分析了高校校園供暖系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律，提出系統(tǒng)運(yùn)行管理方案.實(shí)現(xiàn)熱量按需分配，不僅可以提高熱能的利用率，節(jié)約大量能源，而且可以減少廢氣排放，改善環(huán)境.同時系統(tǒng)建設(shè)充分利用現(xiàn)有資源、接入快速、維護(hù)簡單.實(shí)現(xiàn)環(huán)保、節(jié)能、低投資的系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo).這對推動新技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)生產(chǎn)力的發(fā)展，加快國家的發(fā)展都有著較深的影響［5］.

［1］徐偉，鄒瑜.供暖系統(tǒng)溫控與熱計量技術(shù)［M］.北京:中國計劃出版社，2000.

［2］唐衛(wèi).熱力站自動監(jiān)控系統(tǒng)基本思路與控制模式分析［J］.區(qū)域供暖，2001.5.

［3］胡維儉.熱力交換站溫度的控制［J］.煤氣與熱力，1996.16.

［4］宿元斌.智能溫度控制器AOT746O及其應(yīng)用［J］.國外電子測量技術(shù)，2006.25.

［5］石久勝，王浩，潘洪偉.院校供暖與節(jié)能［J］.節(jié)能技術(shù)，2005.23.