楊雷*

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津，300350）

引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，我國(guó)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展上取得了舉世矚目的成就，但是隨之而產(chǎn)生的環(huán)境污染以及能源短缺問(wèn)題也應(yīng)得尤為突出，尤其在北方到了取暖的季節(jié)，傳統(tǒng)采用煤炭燃燒供熱所產(chǎn)生的空氣污染，使得空氣質(zhì)量長(zhǎng)期處于污染的黃色、橙色乃至紅色等級(jí)，嚴(yán)重影響人民的身體健康以及社會(huì)的生產(chǎn)生活。為了解決冬日取暖帶來(lái)的嚴(yán)重污染問(wèn)題，采用電采暖的方式取代傳統(tǒng)的取暖手段是有效解決問(wèn)題的方法之一，同時(shí)供電系統(tǒng)采用基于現(xiàn)代先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的太陽(yáng)能逐日系統(tǒng)，利用可再生的太陽(yáng)能取代傳統(tǒng)的不可再生的能源，極大地實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理與設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于現(xiàn)下先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能逐日供電模塊設(shè)計(jì)和電地

暖采暖模塊設(shè)計(jì)兩大功能模塊，其功能系統(tǒng)圖如下圖1所示：

圖1 功能系統(tǒng)圖

在系統(tǒng)中，太陽(yáng)能逐日供電系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成冬日里的逐日功能，盡可能多的吸收太陽(yáng)能并轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存到蓄電池中，用于采暖和傳感器控制系統(tǒng)的供電；電地采暖供暖系統(tǒng)負(fù)責(zé)汲取供電系統(tǒng)的電能，并根據(jù)室內(nèi)的溫度情況和主人的指令智能化的開(kāi)啟與關(guān)閉供暖管道，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的供暖的節(jié)能化和智能化；物聯(lián)網(wǎng)作為系統(tǒng)模塊的通訊通道，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)地系統(tǒng)通訊和數(shù)據(jù)傳輸；上位機(jī)控制系統(tǒng)作為系統(tǒng)的核心控制單有，擔(dān)負(fù)著中樞指揮的作用。

1.1 逐日太陽(yáng)能供電模塊的工作原理

氣象學(xué)的角度分析，地球上某一地點(diǎn)朝向赤道傾斜平面的地外時(shí)的福射量如式所示：

公式中，Esc為太陽(yáng)到達(dá)地球的能量強(qiáng)度（在不考慮大氣影響的情況下）；r為地球在橢圓軌道中運(yùn)行時(shí)的實(shí)際日地距離；r0為日地平均距離；δ為太陽(yáng)入射光與赤道平面的夾角即赤祎角；為地球上某點(diǎn)的緯度；β為朝向赤道平面與當(dāng)?shù)厮矫嬷g的夾角，τ為太陽(yáng)時(shí)角。從中可看出，令采用太陽(yáng)跟蹤的方法使太陽(yáng)時(shí)角τ=0，就可以額外補(bǔ)償本τ≠0時(shí)丟失的福射量。而且，太陽(yáng)輻射能量受到季節(jié)應(yīng)化、天氣應(yīng)化以及晝夜交替應(yīng)化的影響，導(dǎo)致太陽(yáng)能的利用率非常低，本系統(tǒng)采用了雙步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水平和垂直兩軸追蹤式實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能逐日，盡可能高效地吸收太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)到蓄電池中，以供冬季采暖系統(tǒng)使用。逐日太陽(yáng)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示：光電轉(zhuǎn)化部件可以完成太陽(yáng)能向電能的轉(zhuǎn)換，然后再經(jīng)過(guò)應(yīng)換電路，轉(zhuǎn)換成蓄電池充電的穩(wěn)定電壓對(duì)蓄電池充電，同時(shí)蓄電池端的電壓經(jīng)過(guò)比較電路輸出信號(hào)給ARM中央處理單有，經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算，輸出控制信號(hào)給光電應(yīng)換電路，控制對(duì)蓄電池的充放電過(guò)程。光敏傳感器可以實(shí)時(shí)地采集太陽(yáng)光強(qiáng)度信號(hào)輸入到ARM處理單有，經(jīng)運(yùn)算后控制兩個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的水平和垂直運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的采集控制；

圖2 逐日太陽(yáng)能供電系統(tǒng)

1.2 智能地采暖供電系統(tǒng)工作原理

電地采暖系統(tǒng)功能如圖3所示：用電采暖代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃煤供暖，具有節(jié)能、節(jié)水、省地、無(wú)污染、運(yùn)行安全可靠、維護(hù)維修便利等優(yōu)點(diǎn)，充分體現(xiàn)了節(jié)能和智能等理念。相比于傳統(tǒng)熱水供暖，電采暖更易于個(gè)人操控，可以根據(jù)環(huán)境、個(gè)人喜好采取不同溫控方案。研究有有顯示室內(nèi)舒適的溫度標(biāo)準(zhǔn)：夏季室內(nèi)舒適溫度范圍24-28℃；冬季室內(nèi)舒適溫度范圍18-23℃。基于以上因素我們對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行分段式管理，把溫度分為三個(gè)階段 18～20℃為大功率段,20～23℃為中功率段，23～25℃為小功率段；通過(guò)控制正常工作的發(fā)熱電纜的根數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制，并根據(jù)溫度傳感器采集到溫度的不同自動(dòng)選擇不同功率方案。當(dāng)家中無(wú)人時(shí)電采暖可保持最低溫度 18℃小功率段運(yùn)行或者關(guān)閉電源；當(dāng)用戶將要回家時(shí)可提前用手機(jī)或PC等個(gè)人設(shè)備打開(kāi)電地采暖系統(tǒng)，將溫度升高至適宜的范圍。例如當(dāng)室溫在18～21℃時(shí)可用大功率將房間溫度升高，溫度在20～22℃范圍可采用中功率供暖，溫度到 23～25℃可采用小功率保持當(dāng)前溫度。在有人的情況下，電采暖根據(jù)夏季25-28℃、冬季18-23℃工作，保持房間最舒適溫度23℃。用戶可以預(yù)約電采暖設(shè)備開(kāi)啟，如在明天早上7：00-9：00保持室溫為25℃。

圖3 電地暖系系統(tǒng)

該智能地采暖系統(tǒng)包括：電流檢測(cè)單有、溫度檢測(cè)單有、控制單有、電應(yīng)荷波通訊單有、無(wú)線通訊單有、發(fā)熱電纜控制單有、顯示單有。采用微控制器和微傳感器，可以實(shí)時(shí)對(duì)供電情況和室內(nèi)溫度進(jìn)行檢測(cè)，可以根據(jù)用戶需求和用電負(fù)荷，對(duì)電地暖設(shè)備按照采集到的各個(gè)房間溫度進(jìn)行調(diào)整，對(duì)每個(gè)房間的電地暖溫控器進(jìn)行開(kāi)啟與關(guān)閉，保證用戶用電平衡和舒適度的需求。并能自動(dòng)識(shí)別用電高峰，不影響家庭正常用電，高效使用谷電；同時(shí)，可將采集到的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至小區(qū)物業(yè)，便于對(duì)各家各戶的用能情況進(jìn)行監(jiān)視和記錄。

2 軟件設(shè)計(jì)

逐日太陽(yáng)能系統(tǒng)編程軟件主要包括嵌入式系統(tǒng)編程、服務(wù)器端編程、手機(jī)APP編程三部分。底層ARM嵌入式編程采用高效C語(yǔ)言，上位機(jī)才用了Android系統(tǒng)編程是搭建在android開(kāi)發(fā)環(huán)境的Android Studio下開(kāi)發(fā)，Android Studio是谷歌推出了新的Android開(kāi)發(fā)環(huán)境，是一個(gè)集成開(kāi)發(fā)工具，基于 IntelliJIDEA，類似 Eclise ADT,Android Studio提供了集成的Android開(kāi)發(fā)工具用于開(kāi)發(fā)和調(diào)試。

逐日電地采暖系統(tǒng)軟件要完成對(duì)上傳提前對(duì)時(shí)間、時(shí)令的設(shè)置數(shù)據(jù)、溫度傳感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)的分析處理，判斷各數(shù)據(jù)是否超出設(shè)定的有定范圍，并控制相關(guān)電路的動(dòng)作。管理人員可選擇，采用自動(dòng)或手動(dòng)模式。系統(tǒng)流程圖如圖4所示

圖4 逐日太陽(yáng)能電地暖系軟件主流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試及有論

本系統(tǒng)測(cè)試分為了逐日太陽(yáng)能供電測(cè)試和智能電地采暖測(cè)試，測(cè)試場(chǎng)景如圖5所示：逐日太陽(yáng)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以提高太陽(yáng)能的利用率約30%左右，可以極大增加對(duì)蓄電池的儲(chǔ)能，這對(duì)于冬季采暖的電應(yīng)供應(yīng)提供了充足的保證；基于物聯(lián)網(wǎng)的電地采暖智能化的設(shè)計(jì)，在保證冬季供暖舒適性和能源清潔的前提下，還可以極大地節(jié)省對(duì)電能的消耗，減輕對(duì)電能供應(yīng)的負(fù)荷，兩部分系統(tǒng)協(xié)同工作，相得益彰，無(wú)疑為冬季采暖提供了一種可行、高效、清潔、節(jié)能的創(chuàng)新模式。

圖5 測(cè)試場(chǎng)景