■ 付存謂李軍孫睿嚀左俊杰毛季靖沈夢(mèng)佳郁棟

（1.浙江比華麗電子科技有限公司；2.中國(guó)計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院）

樓宇太陽(yáng)能熱水工程集中化遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)

■ 付存謂1*李軍1孫睿嚀2左俊杰2毛季靖2沈夢(mèng)佳2郁棟2

（1.浙江比華麗電子科技有限公司；2.中國(guó)計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院）

針對(duì)傳統(tǒng)太陽(yáng)能熱水工程控制系統(tǒng)控制器或控制柜的缺點(diǎn)，研制了運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)視和控制的太陽(yáng)能熱水工程系統(tǒng)，并從項(xiàng)目簡(jiǎn)介、總體框架、所需技術(shù)、項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)和技術(shù)路線(xiàn)幾方面介紹此系統(tǒng)。本項(xiàng)目產(chǎn)品屬于新能源及節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品，克服了傳統(tǒng)控制器或控制柜的一系列缺點(diǎn)，具有很高的普及價(jià)值及未來(lái)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)的潛能，項(xiàng)目的成功開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)化將對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)及物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。

太陽(yáng)能熱水器 ；遠(yuǎn)程監(jiān)控

0　引言

目前，太陽(yáng)能熱水工程已憑借安全可靠、方便實(shí)用、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、有良好適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域。控制柜在太陽(yáng)能熱水控制領(lǐng)域占主導(dǎo)地位［1］，但存在監(jiān)控工作煩瑣、傳感器技術(shù)落后、壽命短、無(wú)太陽(yáng)能能量計(jì)算及統(tǒng)計(jì)模型、無(wú)法為行業(yè)內(nèi)及國(guó)家提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)等缺點(diǎn)［2，3］。為了解決這些問(wèn)題，我們研發(fā)了一種新型的樓宇太陽(yáng)能熱水工程集中化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，在解決以上問(wèn)題的同時(shí)，還具備遠(yuǎn)程監(jiān)控能力，可更加方便地控制太陽(yáng)能熱水工程，并推動(dòng)了新興能源產(chǎn)業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1　系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)在嵌入式Internet技術(shù)的基礎(chǔ)上，以ARM微處理器為中心來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，同時(shí)在太陽(yáng)能熱水工程檢測(cè)與控制系統(tǒng)中加入一個(gè)以以太網(wǎng)接口芯片為基礎(chǔ)構(gòu)建的嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可在有網(wǎng)絡(luò)的情況下利用賬號(hào)和密碼登錄與系統(tǒng)建立連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能熱水工程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，便于遠(yuǎn)程操作人員對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行改正，隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和維護(hù)。

項(xiàng)目及系統(tǒng)框架如圖1、圖2所示。

圖1　項(xiàng)目框架圖

2　項(xiàng)目技術(shù)

本項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)基于多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，基于水壓原理的水位傳感器技術(shù)，采用水壓0～0.05 Mpa，0～5000 mm水柱，溫度范圍為-40～150 ℃［4］。

在硬件方面，本項(xiàng)目為了解決以微控制器為核心的嵌入式系統(tǒng)接入Internet的問(wèn)題，采用了嵌入式ARM微處理器結(jié)合通用的網(wǎng)絡(luò)接口芯片這一方法。系統(tǒng)內(nèi)部采用防雷電路，相比以往由防雷管單一保護(hù)的產(chǎn)品，有更大的耐壓能力和更穩(wěn)定的性能。本項(xiàng)目還應(yīng)用了供水循環(huán)流量控制技術(shù)，換熱器以“熱水出水量=冷水補(bǔ)水量+回水泵循環(huán)流量”為基準(zhǔn)，合理控制供水壓力及流量。

圖2　系統(tǒng)框圖

在軟件方面，本項(xiàng)目中系統(tǒng)選擇采用嵌入式Linux作為嵌入式的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支持不同廠(chǎng)家太陽(yáng)能熱水工程設(shè)備的異構(gòu)數(shù)據(jù)采集，并采用數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。本系統(tǒng)結(jié)合B/S結(jié)構(gòu)模型和嵌入式Web服務(wù)器于一體，最底層為B/S結(jié)構(gòu)，采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)；中間層為信息處理系統(tǒng)，將采集得到的實(shí)時(shí)參數(shù)寫(xiě)入相應(yīng)層的Web服務(wù)器中并進(jìn)行參數(shù)處理，包括統(tǒng)計(jì)、分析等；第三層為客戶(hù)端，經(jīng)中間層信息處理系統(tǒng)處理過(guò)的數(shù)據(jù)，會(huì)以網(wǎng)頁(yè)形式向第三層客戶(hù)端進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)送，客戶(hù)端可直接通過(guò)瀏覽器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，對(duì)其產(chǎn)生的問(wèn)題進(jìn)行快速的判斷與解決。同時(shí)，處理過(guò)的數(shù)據(jù)會(huì)進(jìn)入數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，系統(tǒng)對(duì)收到的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)完成統(tǒng)計(jì)、分析和處理。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)對(duì)熱量表和流量計(jì)等積分時(shí)間間隔采樣周期應(yīng)≤5 s［2］，因?yàn)樘?yáng)輻照在天氣多云時(shí)的變化比天氣晴朗時(shí)要快很多，設(shè)定小的采樣周期可減小誤差，提高精確度［5］。本系統(tǒng)還采用了Flash的方法，在Linux系統(tǒng)中利用網(wǎng)頁(yè)的實(shí)時(shí)刷新法使客戶(hù)端與系統(tǒng)之間進(jìn)行信息交互。

本系統(tǒng)所使用的水溫水位傳感器為新型工藝制作，可有效防止結(jié)垢，且不易滲水，可承受較高溫度，有抗腐蝕性。

通過(guò)流量傳感器、溫度傳感器、水位傳感器和ARM微處理器，能夠計(jì)量所吸收太陽(yáng)能的能量，并可換算成碳減排量，在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了公司正在參與起草的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)熱能計(jì)量與監(jiān)測(cè)規(guī)范》的規(guī)定要求。

本項(xiàng)目能實(shí)現(xiàn)雙熱水工程同時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，并采用電力載波模式，可在用戶(hù)家里86盒開(kāi)關(guān)的地方接上電力載波模塊，能通過(guò)電力線(xiàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，大幅節(jié)約了系統(tǒng)的布線(xiàn)成本。

3　項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

3.1創(chuàng)新點(diǎn)一

針對(duì)傳統(tǒng)電極式水位傳感器易損壞、壽命短的問(wèn)題［6］，自主研發(fā)了一種耐高溫、耐腐蝕的二氧化硅多晶硅水位傳感器，可把水壓轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。采用耐溫200 ℃硅膠管將太陽(yáng)能熱水器的水壓傳遞出來(lái)，將不耐高溫的電路部分放置在遠(yuǎn)離高溫水箱處，利用硅膠管將空氣壓力信號(hào)傳輸?shù)剿渫獠康膫鞲衅髦黧w，通過(guò)檢測(cè)壓力信號(hào)變化精確判定水位。此設(shè)計(jì)改變了傳統(tǒng)傳感器浸泡在高溫?zé)崴胁杉恍盘?hào)的方式，大幅增加傳感器的使用壽命（10年），在降低傳感器更換頻率的同時(shí)，也提高了檢測(cè)的靈敏度和檢測(cè)精度。

圖3　本項(xiàng)目水位傳感器示意圖

當(dāng)熱水水位達(dá)到太陽(yáng)能控制儀內(nèi)置的預(yù)制水位高度時(shí)，太陽(yáng)能熱水器水箱內(nèi)連接的硅膠管將太陽(yáng)能水箱內(nèi)進(jìn)水壓力通過(guò)硅膠管傳至壓力傳感器。由于硅膠管與壓力傳感器的連接是準(zhǔn)密封狀態(tài)，開(kāi)口端與太陽(yáng)能熱水器內(nèi)部連接，當(dāng)太陽(yáng)能熱水器進(jìn)水時(shí)，硅膠管內(nèi)平時(shí)常態(tài)的空氣隨著進(jìn)水的增多、水位的增高而被壓縮，傳至壓力傳感器的壓力腔，使腔內(nèi)的空氣壓力增高，控制電路將檢測(cè)到與其對(duì)應(yīng)的電信號(hào)傳遞到太陽(yáng)能控制儀上，感知太陽(yáng)能熱水器內(nèi)進(jìn)水已經(jīng)到達(dá)預(yù)置選定水位后，切斷進(jìn)水電磁閥的電源。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：延長(zhǎng)使用壽命，提高檢測(cè)精度、靈敏度及產(chǎn)品壽命，解決了導(dǎo)電性差及山區(qū)水質(zhì)不能使用智能化儀表的難題。

3.2創(chuàng)新點(diǎn)二

自主設(shè)計(jì)了以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的太陽(yáng)能熱水工程遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，使采集到的水位、水壓、水溫、流量等重要指標(biāo)能夠?qū)崟r(shí)顯示在智能移動(dòng)設(shè)備終端上，實(shí)現(xiàn)雙熱水工程遠(yuǎn)程監(jiān)控、主動(dòng)預(yù)警功能。

本系統(tǒng)將嵌入式系統(tǒng)與Internet結(jié)合，以ARM微處理器為中心來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，同時(shí)在太陽(yáng)能熱水工程檢測(cè)與控制系統(tǒng)中加入一個(gè)以以太網(wǎng)接口芯片為基礎(chǔ)構(gòu)建的嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。此外，自主設(shè)計(jì)了可在智能移動(dòng)設(shè)備上運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，一旦遇到太陽(yáng)能熱水工程系統(tǒng)故障，軟件會(huì)主動(dòng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)讓管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并通過(guò)軟件做緊急處理，然后安排工作人員按事故原因進(jìn)行維修。具體解決方案如下：

1）系統(tǒng)硬件平臺(tái)。硬件平臺(tái)（見(jiàn)圖4）將傳統(tǒng)的CPU換成了功能更強(qiáng)大的ARM，并在外圍接入溫度流量水位監(jiān)測(cè)、電壓電流功率因數(shù)監(jiān)測(cè)、鍵盤(pán)輸入、網(wǎng)絡(luò)通信等模塊及輸出控制交流接觸器［4］。網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60。

圖4　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2）嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的核心為嵌入式操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)的精確性強(qiáng)、可靠性高、響應(yīng)速度快，對(duì)系統(tǒng)的控制更精準(zhǔn)、快速。本系統(tǒng)采用嵌入式Linux作為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，由Linux 2.0/2.4內(nèi)核派生，并以標(biāo)準(zhǔn)的Linux為基礎(chǔ)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)牟眉艉蛢?yōu)化，在體積變小的同時(shí)保留了Linux穩(wěn)定、移植性好、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)［7，8］，其內(nèi)部還嵌有TCP/IP協(xié)議，便于在各類(lèi)處理器中使用，性能穩(wěn)定、使用方便［9］。

3）遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在太陽(yáng)能熱水工程監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程控制軟件有效提高了系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的主動(dòng)性，提高了系統(tǒng)管理水平。本系統(tǒng)結(jié)合B/S結(jié)構(gòu)模型和嵌入式Web服務(wù)器于一體。

圖5　系統(tǒng)操作頁(yè)面圖

4）系統(tǒng)使用流程。通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)樓宇太陽(yáng)能熱水工程集中化遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)功能，在客戶(hù)端中可通過(guò)用戶(hù)名和密碼進(jìn)入系統(tǒng)操作頁(yè)面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，便于在系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)做出及時(shí)修改和調(diào)整［7］。

本系統(tǒng)使用方式簡(jiǎn)便易學(xué)且有較為完善的智能性，改進(jìn)后使系統(tǒng)的使用更加安全，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制使系統(tǒng)更加精準(zhǔn)。

3.3創(chuàng)新點(diǎn)三

為響應(yīng)國(guó)家“建立一個(gè)全國(guó)性的太陽(yáng)能節(jié)能信息數(shù)據(jù)庫(kù)”的號(hào)召，基于本公司正在參與起草的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《太陽(yáng)能熱水工程熱能計(jì)量與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)》，本項(xiàng)目建立了熱能計(jì)量采集、計(jì)算模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)。首先通過(guò)水位、溫度等傳感器采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)；然后通過(guò)熱能計(jì)量模塊換算出節(jié)能信息，架構(gòu)出節(jié)能信息數(shù)據(jù)庫(kù)；通過(guò)數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘，對(duì)熱水器工程系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，為國(guó)家太陽(yáng)能節(jié)能信息數(shù)據(jù)中心提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。其中，熱能計(jì)量方法是至關(guān)重要的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)。

太陽(yáng)能熱水工程系統(tǒng)熱能輸入由太陽(yáng)能集熱器回路、輔助熱源和耗電量組成［2］。為了準(zhǔn)確地對(duì)三者進(jìn)行區(qū)分和測(cè)量，應(yīng)對(duì)不同部分的熱量分別進(jìn)行熱能測(cè)量，使計(jì)算研究所需的各項(xiàng)指標(biāo)在使用時(shí)更為方便，也使計(jì)算結(jié)果更為精確。分別測(cè)量用戶(hù)得熱量（Quse）、太陽(yáng)能集熱器（Qs）、用戶(hù)管路循環(huán)損失熱量（Qtc）、輔助熱源（Qaux）和耗電量（Qp），以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體熱能計(jì)量［2］。

圖6　太陽(yáng)能熱水工程系統(tǒng)能量輸入輸出轉(zhuǎn)換圖

當(dāng)系統(tǒng)的集熱回路和水箱之間以水為傳熱介質(zhì)時(shí)，有兩種方法可以測(cè)量太陽(yáng)能供熱量。

方法一：用熱量表對(duì)太陽(yáng)能供熱量進(jìn)行測(cè)量。應(yīng)在集熱器陣列主管道上安裝熱量表溫度傳感器和熱量表流量傳感器。

方法二：對(duì)集熱器高溫點(diǎn)和低溫點(diǎn)分別進(jìn)行流量測(cè)量，應(yīng)注意，選擇的高溫點(diǎn)t1測(cè)量點(diǎn)應(yīng)位于集熱器出水管道上，低溫點(diǎn)t2測(cè)量點(diǎn)應(yīng)位于集熱器進(jìn)水管道上；然后根據(jù)式（1）計(jì)算得出太陽(yáng)能供熱量Qs：

式中，cf為對(duì)應(yīng)于平均溫度的比熱容，J/ （kg·℃）；τ為積分采集時(shí)間間隔，s；mf為質(zhì)量流量，t/h。

4　項(xiàng)目主要技術(shù)指標(biāo)（含檢測(cè)依據(jù)）及產(chǎn)品技術(shù)路線(xiàn)

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 14536.1-2008《家用和類(lèi)似用途電自動(dòng)控制器 第1部分：通用要求》，本項(xiàng)目完成時(shí)應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。產(chǎn)品技術(shù)路線(xiàn)如圖7所示。

表1　技術(shù)指標(biāo)

圖7　工作路線(xiàn)

5　結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了一種新型的樓宇太陽(yáng)能熱水工程集中化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，并提出其優(yōu)點(diǎn)、創(chuàng)新點(diǎn)及技術(shù)路線(xiàn)。該系統(tǒng)可克服傳統(tǒng)控制柜控制系統(tǒng)監(jiān)控工作煩瑣、傳感器技術(shù)落后、壽命短、無(wú)太陽(yáng)能能量計(jì)算及統(tǒng)計(jì)模型、無(wú)法為

行業(yè)內(nèi)及國(guó)家提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)等缺點(diǎn)，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇太陽(yáng)能工程的遠(yuǎn)程監(jiān)控，使工作人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的問(wèn)題并快速解決，提高了系統(tǒng)的安全性和工作效率，適用于各個(gè)公共場(chǎng)所，普及可能性較改進(jìn)前有較大提高，對(duì)我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)及物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有很大地推動(dòng)作用。

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2015-12-23

付存謂（1972—），男，碩士，主要從事新能源利用與智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方面的研究。122132098@qq.com