解野

【摘要】針對東北地區(qū)冬季供熱冷熱不均、相關(guān)負責部門無法根據(jù)溫度開關(guān)閥門等特點，采用了供暖閥門遠程控制方式，設(shè)計了一種供暖閥門遠程控制系統(tǒng)。通過溫度傳感器實時監(jiān)測室內(nèi)的溫度變化，并通過無線通信技術(shù)控制用戶家中的閥門。系統(tǒng)在工作中，不但可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將溫度數(shù)據(jù)傳送到至云端平臺，方便供熱管理部門監(jiān)控用戶家中供暖期溫度數(shù)據(jù)，而且平臺也可以向多個用戶家中的控制器發(fā)送一個溫度閾值，使控制器可以自動地根據(jù)室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)供熱閥門的開度，保持室溫恒定;同時，管理平臺也可以對于未繳費用戶強制關(guān)閉閥門，從而在一定程度上降低能源的消耗，減少污染的排放，方便管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在用戶和控制臺之間的雙向傳輸。該系統(tǒng)已在東北地區(qū)試用。結(jié)果表明，用戶家中溫度可以較好地穩(wěn)定在閾值附近，系統(tǒng)連續(xù)運行可靠，在遠程電子閥的發(fā)展中起到了有力的推動作用。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)?節(jié)能減排?傳感器?遠程監(jiān)控無線通信?無線閥門

供暖一直是導(dǎo)致空氣污染的一個重要因素。尤其是在東北地區(qū)的冬季，由于氣候寒冷，所以需要大量焚燒煤炭進行供暖。由于供暖公司的設(shè)備不一，工作人員技術(shù)能力參差不齊，使得煤炭不充分燃燒，導(dǎo)致了有害氣體及煙塵排放到空氣中，造成空氣污染。除此之外，由于新建樓房與老舊樓房在供暖系統(tǒng)中存在著較大差異，所以在一些地區(qū)的冬天便存在著“新樓開窗放，老樓凍哆嗦”的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因不僅僅設(shè)備不相同，還是供熱公司無法實時監(jiān)測與控制用戶家中的溫度、新樓老樓一套的供暖方案，導(dǎo)致了新樓家中由于溫度過高而造成能源浪費，進而造成環(huán)境污染。

市場上目前已有的供暖閥門控制方式主要有以下兩種。①利用單片機配合SIM卡模塊作為整體供暖閥門的控制端，用戶可以用手機發(fā)送短消息的方式來獲取用戶家中的環(huán)境溫度，從而根據(jù)當前的溫度，以手機短消息的方式控制家中的電子閥門。②控制遠程閥門的方式大都是通過線纜連接上位機與閥門，多數(shù)采用CAN總線、RS-485總線等方式連接小區(qū)中的各個用戶，進而控制多用戶家中的供暖閥門。

以上兩種方式都存在一定的弊端，如果采用短消息方式，那么需要在各個用戶家中安放SIM卡模塊，通信次數(shù)增多也會不斷導(dǎo)致費用的提高，使總控制臺控制的復(fù)雜度較高;采用線纜控制電子閥門，由于小區(qū)中每家每戶的距離不同，布線時的難度也隨之提高，出現(xiàn)故障也較難排查發(fā)現(xiàn)。為解決以上問題，本文設(shè)計了一種遠程閥門控制系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)整體方案設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程閥門控制系統(tǒng)主要由三個部分組成。第一部分是閥門控制端，主要功能是通過無線通信方式來控制用戶家中的電子閥門;第二部分是嵌入式控制器，主要功能是接收物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送的指令、發(fā)送當前本地采集的溫濕度信息;第三部分是物聯(lián)網(wǎng)平臺，在本次設(shè)計中采用了Javaweb技術(shù)，可以在平臺中接收和發(fā)送控制器端發(fā)送來的數(shù)據(jù)，在平臺中進行溫濕度監(jiān)測，對用戶家中電子閥門進行遠程控制。

二、軟件硬件設(shè)計

（一）系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

系統(tǒng)硬件主要包括兩個部分。第一部分是負責與互聯(lián)網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)以及控制電子閥門的主控制端，第二部分是電子閥門的被控制端。主控制端采用主控制單元+ESP8266 Wi Fi模塊+傳感器+NRF24L01無線射頻通信的方案。主控制器MCU通過無線Wi Fi網(wǎng)絡(luò)向總控制臺發(fā)送不同節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)，總控制臺接收到數(shù)據(jù)并進行判斷，同樣經(jīng)過Wi Fi網(wǎng)絡(luò)到ESP8266Wi Fi模塊再到主控制器的主控制單元，經(jīng)過主控制單元將數(shù)據(jù)分析處理后，控制當前用戶所指定電子閥門的開關(guān)狀態(tài)。

（二）主控電路硬件設(shè)計

主控制器采用ATMEGA328P AU處理芯片，芯片集成了SPI、12C、USART等多種通信方式，方便與ESP8266無線WiFi單元和NRF24L0無線射頻單元配合執(zhí)行相應(yīng)的操作，同時可擴展豐富的接口，方便與外圍傳感器的結(jié)合。芯片閃存容量可達32 KB，先進的精簡指令集計算機（reduced instruction set computer，RISC）體系結(jié)構(gòu)，使得內(nèi)部程序運行時可以與外圍電路更流暢、更無縫地銜接。

（三）電子閥門端硬件設(shè)計

在進行點對點的通信方式時，考慮到信息傳輸?shù)木嚯x、外界環(huán)境的干擾，以及整體功耗和成本的因素，通過NRF24L01無線射頻方案進行傳輸是較為合適的選擇。NRF24L01無線射頻單元工作在2.4～2.5GHz之間，可進行同時收發(fā)的操作，工作電流11.3mA，工作溫度40～+80℃，傳輸距離可以達到100m，能滿足多用戶電子閥門的控制指令的傳輸操作。

（四）無線網(wǎng)絡(luò)通信端硬件設(shè)計

目前，憑借穩(wěn)定、可二次開發(fā)和價格低廉的優(yōu)勢，ESP8266無線網(wǎng)絡(luò)模塊應(yīng)用在很多物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。與主控芯片控制器采用串口的通信方式，供電電壓3.3V，可作為服務(wù)器或客戶端。通過設(shè)置好的密碼，系統(tǒng)可自動連接覆蓋在小區(qū)內(nèi)的Wi Fi網(wǎng)絡(luò)，進行數(shù)據(jù)與主控制臺的雙向通信。

（五）溫度采集硬件設(shè)計

本次設(shè)計采用單總線通信方案。一方面，涉及到的引腳較少，僅需要三個引腳;另一方面，這款傳感器價格低廉，比較適合量產(chǎn)開發(fā)。

三、部分軟件設(shè)計

在本次設(shè)計中，軟件設(shè)計主要包括主控制器的軟件編程設(shè)計。主控制器采集用戶家中的環(huán)境信息后，通過WiFi網(wǎng)絡(luò)傳送到總控制臺;由主控制臺通過WiFi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶端控制器的過程中，控制器將數(shù)據(jù)進行解析，并通過串口發(fā)送給控制器后，由控制器與電子閥門端進行指令的發(fā)送控制。

四、整體系統(tǒng)調(diào)試

整體系統(tǒng)調(diào)試主要分為兩個部分。第一部分是控制器與控制臺的通信，第二部分是主控制器與電子閥門端的通信。

五、結(jié)束語

本文設(shè)計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的閥門遠程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的創(chuàng)新點是設(shè)計了從主控制臺到分用戶主控制器再到電子閥門端一體化的流程，既有利于在這三端進行數(shù)據(jù)的通信，又有利于相關(guān)部門對不同用戶進行特定化的方案設(shè)計。系統(tǒng)在保證硬件成本的前提下，達到了節(jié)約能源，減少排放的目的。雖然本文對這一體化設(shè)計進行了研究，但是由于試驗條件、人力物力等多方面的限制，所以本文僅是對于想法的初步設(shè)計和簡單的測試，如果想對本文設(shè)計的方案進行一定的推廣和量產(chǎn)，還需要進一步的優(yōu)化實踐，進行整體系統(tǒng)的完善。