貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院 楊朝磊 王民慧

基于Zig Bee的太陽能熱水器電輔助加熱控制系統(tǒng)設(shè)計

貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院 楊朝磊 王民慧

在常年陰雨天氣較多的地區(qū)，太陽能熱水器經(jīng)常供熱不足，且安裝分散，不便于管理，而采用電熱水器來供熱水能耗大，不利于節(jié)能。針對以上問題，本文研究了一種基于ZigBee的太陽能熱水器電輔助加熱控制系統(tǒng)，當(dāng)太陽能供熱不足時，開啟電加熱器對水溫進行調(diào)節(jié)，以滿足用戶需求。傳感器節(jié)點和數(shù)據(jù)收集終端以CC2530為核心處理器，以ZigBee無線傳輸技術(shù)為通信手段，形成了一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)。同時利用LabVIEW軟件設(shè)計了上位機管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)對溫度的遠程監(jiān)控。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有一定的研究價值和實用價值。

太陽能熱水器；控制系統(tǒng)；ZigBee；無線通信

0 引言

太陽能熱水器對天氣有很強的依賴性，在陰天或多雨的季節(jié)，常常會出現(xiàn)對管道的水加熱不足的問題，難以滿足用戶的用水需求[1]。而則采用電熱水器來供熱水雖然具有安裝、使用方便等特點，但是能耗非常大。針對上述問題，本文提出了一種基于ZigBee的太陽能熱水器輔助加熱控制系統(tǒng)，采用太陽能和電輔助加熱的方案來對熱水器的水溫進行控制。傳感器節(jié)點通過溫度傳感器和水位傳感器來獲取當(dāng)前水箱的溫度值和水位值，再通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸給數(shù)據(jù)收集終端，數(shù)據(jù)收集終端進而將數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)缴衔粰C進行顯示和存儲；同時，采用LabVIEW軟件設(shè)計了上位機管理系統(tǒng)，用戶可在PC機上實時監(jiān)控各個不同區(qū)域的熱水器的水箱溫度和水位，當(dāng)太陽能加熱的水溫不能滿足用戶需求時，可將手動或自動加熱指令通過數(shù)據(jù)收集終端下發(fā)各個傳感器節(jié)點，使之控制電加熱器開始加熱；當(dāng)太陽能功能充足時，會自動停止電加熱器，并將相關(guān)信息發(fā)送給用戶，防止電能消耗。此外，當(dāng)水箱水位不在設(shè)定值范圍時，傳感器節(jié)點會進行自動控制，無需用戶干預(yù)。傳感器節(jié)點和數(shù)據(jù)收集終端均增設(shè)了PA功放模塊[2]，通信距離可達2Km，大多數(shù)情況下能夠完全覆蓋需要供熱水額區(qū)域，不需要遠程布線，便于設(shè)備維護和管理。本系統(tǒng)簡化了硬件設(shè)計，操作方便，實用性強。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于ZigBee的太陽能熱水器輔助加熱控制系統(tǒng)具體功能有：(1)實現(xiàn)對水箱溫度和水位的實時監(jiān)測；(2)當(dāng)太陽能熱水器對管道的水加熱溫度不夠時，控制繼電器模塊開啟電輔助加熱，保證水溫滿足用戶要求；(3)在進行電輔助加熱時，自動開啟防干燒檢測，防止水箱干燒導(dǎo)致火災(zāi)等事故發(fā)生；(4)將所采集的信號發(fā)送給控制終端，同時接受終端命令，并執(zhí)行相應(yīng)操作。數(shù)據(jù)收集終端通過串口與PC及機通信。ZigBee控制節(jié)點和終端處理器均采用CC2530作為主控芯片，傳感器節(jié)點和數(shù)據(jù)收集終端組成星形網(wǎng)絡(luò)，從而用戶通過PC機即可實時遠程監(jiān)控各個水箱的溫度和水位情況。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 感器節(jié)點硬件設(shè)計

傳感器節(jié)點采用某公司開發(fā)的無線通信集成模塊ZG-Mx為控制模塊，ZG-Mx以CC2530芯片為核心控制器，利用內(nèi)部ADC采集外部傳感器信號[3]，經(jīng)過處理后通過RF收發(fā)器發(fā)送給數(shù)據(jù)處理終端；同時通過RF收發(fā)器接收數(shù)據(jù)終端命令，通過相應(yīng)的I/O口輸出模擬控制信號，驅(qū)動電加熱模塊或電磁閥控制模塊執(zhí)行相應(yīng)的開/閉動作。該模塊才用K型熱電偶和CYW11液位器分別進行溫度檢測和水位檢測，通過繼電器和電磁閥分別進行溫度控制和水位控制。其電路示意圖如圖2所示。

圖1 總體設(shè)計方案框圖

圖2 控制節(jié)點電路示意圖

2.2 據(jù)終端硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)終端亦采用某公司開發(fā)的無線通信集成模塊ZG-Mx為控制模塊，數(shù)據(jù)收集終端通過USB轉(zhuǎn)串口模塊與PC機通信，將接收到的無線數(shù)據(jù)信息通過串口傳輸?shù)絇C機；同時也可從串口讀取用戶發(fā)出的數(shù)據(jù)指令，再通過RF收發(fā)器發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的對應(yīng)的某個傳感器節(jié)點，從而使控制節(jié)點執(zhí)行相應(yīng)動作。其硬件電路如圖3所示：

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 控制節(jié)點軟件設(shè)計

控制節(jié)點上電后自動掃描加入數(shù)據(jù)終端所建立的無線通信網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)成功后不斷采集傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送給數(shù)據(jù)終端，采集的數(shù)據(jù)包括水溫數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)、電加熱防燒干檢測等；當(dāng)收到數(shù)據(jù)終端傳輸過來的數(shù)據(jù)指令時，根據(jù)指令類型執(zhí)行相應(yīng)的動作，包括水溫保持設(shè)置、自動/手動加熱等。其程序流程圖如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)終端硬件設(shè)計圖

圖4 控制節(jié)點軟件流程圖

圖5 據(jù)終端軟件流程圖

3.2 數(shù)據(jù)終端軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)終端上電后，首先啟動初始化程序，建立一個新的ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)，并允許各個控制子節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)[4]。當(dāng)收到控制節(jié)點發(fā)送過來的無線數(shù)據(jù)后，通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給上位機，由上位機對數(shù)據(jù)進行處理；當(dāng)從串口讀出上位機的數(shù)據(jù)指令后，再轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中的某個控制節(jié)點。其程序流程圖如圖5所示。

3.3 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件采用LabVIEW軟件來設(shè)計。采用LabVIEW編程，可以充分利用計算機的資源，發(fā)揮其強大的數(shù)據(jù)處理功能，用戶可根據(jù)自己的需求定義或設(shè)計出具有特色功能控制或顯示儀器[5]。用戶可登錄上位機系統(tǒng)，對界面進行操作，通過發(fā)出自動/手動加熱、或保溫設(shè)置等指令，實現(xiàn)對熱水器的水溫和水位進行遠程監(jiān)控。測試結(jié)果如圖6所示：

圖6 機測試結(jié)果

4 總結(jié)

與傳統(tǒng)的太陽能熱水器電輔助加熱控制器相比，本文所提出的控制器引入了ZigBee無線通信技術(shù)，管理人員可通過一臺PC機對多個建筑物的太陽能電輔助加熱控制器進行集中管理，解決了遠程布線的困難，同時使得控制工作變得更加智能化，大大減減少管理工作負(fù)擔(dān)。該系統(tǒng)不僅保證了用戶對熱水的需求，同時還降低了電能的不必要消耗，與單一的電加熱控制方式相比具有一定的節(jié)能效果。綜上所訴，該系統(tǒng)具有一定的研究意義和實用價值。

[1]胡豐光.淺析我國太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[J].科技資訊,2015(19): 206-207.

[2]黃玉立.基于CC2591的無線通信前端設(shè)計及實現(xiàn)[D].電子科技大學(xué),2011.

[3]陳克濤,張海輝,張永猛,張杰,吳婷婷.基于CC2530的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的設(shè)計[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014(05): 183-188.

[4]孫彩云.基于ZigBee的無線組網(wǎng)技術(shù)研究[D].中北大學(xué),2011.

[5]陳樹學(xué),劉萱.LabVIEW寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011,3.

楊朝磊（1992—），貴州平塘人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院。