崔羊威（通訊作者），楊洋

（漯河職業(yè)技術(shù)學院，河南漯河，462002）

0 引言

目前，農(nóng)村或城市供暖受到能源、供暖距離等多方面的限制，農(nóng)村采用集中供暖成本太高，用戶只能采用暖爐或空調(diào)供暖，暖爐燃燒煤炭污染環(huán)境，且可能造成CO 中毒；空調(diào)制熱供暖效率低，制熱效果差，電量消耗大，且沒有自動換風系統(tǒng)，室內(nèi)空氣質(zhì)量變差，容易引發(fā)呼吸道疾病。城市采用集中供暖的方式，但多數(shù)住戶沒有換風系統(tǒng)和報警系統(tǒng)，長時間未開窗通風導致細菌滋生引發(fā)疾病等，多功能供暖控制系統(tǒng)采用電熱水器和天然氣兩種加熱方式提供熱源，對于個體供暖和集中供暖都適用，系統(tǒng)排出的水經(jīng)過循環(huán)之后再次進入系統(tǒng)進行加熱，整個系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保，還能實時監(jiān)測室內(nèi)的空氣質(zhì)量，且能連入物聯(lián)網(wǎng)。

1 系統(tǒng)總體方案

多功能自動供暖控制系統(tǒng)由遠程終端、控制中心和供暖控制子系統(tǒng)三個部分組成。遠程終端完成指令的發(fā)送和接收，控制中心完成指令的解析、轉(zhuǎn)發(fā)以及整個系統(tǒng)參數(shù)的顯示等功能。供暖控制子系統(tǒng)完成冬天家用供暖功能以及室內(nèi)空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)、溫濕度自動調(diào)節(jié)以及參數(shù)設(shè)置等功能，可被控制中心和遠程終端控制。整個供暖控制子系統(tǒng)可采用電熱水器、天然氣這兩種方式提供熱源，也可采用兩種加熱方式混合供暖，三種供暖形式通過MCU 控制兩個電磁閥[1]完成切換。系統(tǒng)可在TFT 彩屏上顯示對應供暖方式、當前室溫、當前水溫、室內(nèi)CO2含量、溫濕度等相關(guān)參數(shù)，多功能自動供暖控制系統(tǒng)的總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

控制中心采用低功耗單片機MSP430F149作為控制器，供暖控制子系統(tǒng)采用32 位的STM32F103C8T6 作為控制器。整個系統(tǒng)有兩種控制方式，第一種是遠程終端給控制中心發(fā)信息，控制中心的GPRS 模塊接收到指令后通過串口發(fā)給控制中心，控制中心解析后通過LoRa 無線射頻模塊發(fā)送給供暖控制子系統(tǒng)，供暖控制子系統(tǒng)接收后進行解析，根據(jù)遠程終端指令選擇供暖方式，實現(xiàn)供暖方式切換、以及對加濕器、自動窗的控制。第二種方式是供暖控制子系統(tǒng)自動實現(xiàn)控制，溫濕度傳感器檢測到室溫達到設(shè)定值后，關(guān)斷電磁閥，溫度下降到設(shè)定下限后，自動開啟電磁閥供熱水提高室溫；溫濕度傳感器檢測到室內(nèi)濕度過低后自動開啟加濕器并聲光報警，濕度達到設(shè)定值后自動關(guān)閉加濕器；CO2傳感器檢測到CO2含量過高時，自動開窗進行換風，CO2含量降低到下限后，自動關(guān)窗。下面逐一分析遠程終端、控制中心、供暖控制子系統(tǒng)的執(zhí)行流程和原理。

2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

■2.1 控制中心硬件設(shè)計

控制中心由單片機最小系統(tǒng)[2]、LoRa 無線通信模塊、GPRS 模塊[3]、對碼鍵、功能鍵以及TFT 彩屏顯示模塊組成。GPRS 模塊和MCU 采用串口協(xié)議進行通信，采用全透傳的模式接收手機發(fā)來的命令；LoRa 無線射頻模塊和單片機采用SPI 協(xié)議進行通信，LoRa 無線射頻模塊和單片機通信的硬件電路如圖2 所示。

圖2 LoRa 無線射頻模塊電路

LoRa[4]無線射頻模塊的核心是SX1276/8 系列的擴頻調(diào)制射頻芯片，采用擴頻調(diào)制技術(shù)，功耗低，休眠電流0.2uA，接收電流12mA，發(fā)射電流29mA@13dBm，和常見的GFSK 芯片Si4438 和CC1125 接近，但是通信距離是GFSK芯片的3 倍。

對碼鍵是控制中心和多個子系統(tǒng)組網(wǎng)時的配對按鍵，只有和控制中心配對成功的子系統(tǒng)才能和控制中心進行通信，配對的原理是配對雙方都按下對碼鍵，控制中心向子系統(tǒng)發(fā)送子系統(tǒng)的地址，子系統(tǒng)接收到地址后將地址保存到flash內(nèi)部，以后啟動時首先讀取地址，子系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)后首先對比地址是否和自己相同，相同的話對數(shù)據(jù)進行處理，否則不做任何處理，控制中心和下一個子系統(tǒng)配對時，發(fā)送的地址自動增加，以此來區(qū)分是給誰的數(shù)據(jù)。功能鍵是為了設(shè)置溫濕度上下限以及供暖形式。

■2.2 供暖控制子系統(tǒng)硬件設(shè)計

供暖控制子系統(tǒng)的硬件電路主要包括供暖方式切換電路、濕度調(diào)節(jié)電路、溫度調(diào)節(jié)電路、空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)電路、管道壓力調(diào)節(jié)電路、功能鍵電路。

2.2.1 供暖方式切換電路設(shè)計

供暖方式切換分為手動模式和自動模式，手動模式使用功能鍵用來選擇供暖方式；自動模式主要根據(jù)水溫調(diào)節(jié)三種供暖方式，溫濕度傳感器檢測到室溫達到設(shè)定值后，關(guān)斷進水電磁閥，溫度下降到設(shè)定下限后，自動開啟進水電磁閥供熱水提高室溫，換水時先打開放水電磁閥，再打開進水電磁閥將熱水注入到暖氣片或地暖中。系統(tǒng)排出的水經(jīng)過循環(huán)之后再次進入系統(tǒng)進行加熱，更加的節(jié)能環(huán)保，并可在TFT 彩屏上顯示對應供暖方式，當前室溫、當前水溫、室內(nèi)CO2含量、溫濕度等相關(guān)參數(shù)，溫度的上下限設(shè)置由功能鍵完成，供暖方式切換電路如圖3 所示。

圖3 供暖方式切換電路

2.2.2 濕度調(diào)節(jié)電路設(shè)計

對于自動調(diào)節(jié)模式，當空氣濕度小于設(shè)定下限的時候，控制繼電器吸合，讓加濕器開始工作，當濕度達到設(shè)定上限時，三極管驅(qū)動繼電器斷開，加濕器停止工作。溫濕度的上下限設(shè)置由功能鍵完成。

2.2.3 空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)電路設(shè)計

室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測采用TVOC 型氣體空氣質(zhì)量傳感器[5]，采用IIC 協(xié)議和單片機進行通信，對于自動調(diào)節(jié)模式，當CO2含量超過設(shè)定上限時，電機驅(qū)動模塊驅(qū)動步進電機正轉(zhuǎn)，推動窗戶打開，當CO2含量低于設(shè)定下限時，電機驅(qū)動模塊驅(qū)動步進電機反轉(zhuǎn)，關(guān)閉窗戶。CO2含量的上下限設(shè)置是由功能鍵完成，步進電機驅(qū)動電路如圖4 所示。

圖4 步進電機驅(qū)動電路

3 軟件實現(xiàn)

■3.1 程序流程圖

多功能自動供暖控制系統(tǒng)由3 部分組成，遠程終端完成指令的發(fā)送和接收，控制中心完成指令的解析和轉(zhuǎn)發(fā)，以及整個系統(tǒng)參數(shù)的顯示，供暖控制子系統(tǒng)完成冬天家用供暖功能以及室內(nèi)空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)、溫濕度自動調(diào)節(jié)以及參數(shù)設(shè)置等功能，室內(nèi)空氣質(zhì)量不達標系統(tǒng)自動調(diào)整門窗、加濕器，并進行聲光報警。供暖控制子系統(tǒng)初始化后，判斷溫度是否在設(shè)定范圍內(nèi)，如果超出范圍進行溫度調(diào)節(jié)，如果不超標判斷濕度是否在設(shè)定范圍內(nèi)，超出設(shè)定范圍進行濕度調(diào)節(jié)，如果沒有超出設(shè)定范圍，判斷CO2含量是否超出設(shè)定范圍，超出設(shè)定范圍調(diào)用空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)，供暖控制子系統(tǒng)的流程圖如圖5 所示。

圖5 供暖控制子系統(tǒng)流程圖

■3.2 通信協(xié)議

遠程終端給控制中心發(fā)指令，控制中心上的GPRS 接收到指令后，經(jīng)控制中心解析后轉(zhuǎn)發(fā)給各個子系統(tǒng)，因有多個子系統(tǒng)和控制中心通信，所以要制定相應的通信協(xié)議，供暖控制子系統(tǒng)接收到指令后，可進行相應的控制，子系統(tǒng)和控制中心的通信協(xié)議如表1 所示。

表1 子系統(tǒng)和控制中心的通信協(xié)議

4 結(jié)語

多功能自動供暖控制系統(tǒng)解決了冬天沒有暖氣的問題，系統(tǒng)根據(jù)遠程終端指令、手動按鍵或根據(jù)室溫自動調(diào)節(jié)三種供暖方式。系統(tǒng)可根據(jù)空氣質(zhì)量進行聲光報警、自動啟動加濕器或打開門窗進行通風，可在TFT 彩屏上顯示對應供暖方式、當前室溫、當前水溫、室內(nèi)CO2含量、溫濕度等參數(shù)。且系統(tǒng)可進行遠程控制，并能組網(wǎng)控制，擴展方便，系統(tǒng)排出的水經(jīng)過循環(huán)之后再次進入系統(tǒng)進行加熱，更加的節(jié)能環(huán)保。該系統(tǒng)采用多種傳感器進行室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測，能有效避免呼吸道疾病的發(fā)生。