基于ZigBee的公寓电供暖温控系统设计与实现

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　　摘要：出于节能减排的需要，一些学校的公寓供暖采用了电供暖方式，在供暖管理系统中，温度检测和电源控制和信号传输是关键环节，为便于后期管理和维护升级，可采用满足短距离、低功耗的无线通信技术来收集和传送数据。本文介绍一个基于Zigbee的学校公寓电供暖温控系统的具体实现。
　　关键词：Zigbee；无线传感器网络；多点温度采集
　　中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）01-0164-01
　　某校为一所寄宿制学校，学校共有三栋公寓楼，均为相同结构的六层建筑，供暖采用电供暖。原有的电供暖系统的温控方式是在每个房间布设基于有线网络的网络温度检测与电源控制模块，数据统一上传到集中控制器，并根据用户设置给出的温度控制信息进行比较，对各房间的供暖设备控制启动与关闭，进而达到调节温度的目的。在实际运行中，这种模式一旦网络终端与控制模块接触不良或损坏，将直接导致系统崩溃，系统复杂并且可扩展性、可管理性比较差。经过几年运行，需要在现有基础上对温控系统进行升级改造。经过多方论证，决定采用基于Zigbee模式的公寓电供暖温控系统。
　　1 电供暖温控系统设计思路和框架
　　因为是旧系统改造，结合以往使用中的经验，经过广泛征询总务部门及公寓管理部门和学生管理部门的建议，对公寓温控管理系统提出以下需求。
　　（1）各温度传感测量节点模块应便于布设和管理，并可以实时进行数据采集和传输，数据传输应采用无线自组网方式。
　　（2）电暖气的电源启停可以在每个楼层的专用电源箱中设置智能电控模块进行管理。
　　（3）考虑实际应用，可以使用数据分析处理机进行数据集中汇总和温度集中控制。同时，也应支持管理员通过手机APP获取楼层各个房间状态信息并临时进行远程控制。
　　（4）除了集中温控功能以外，可以由管理员设置人工强制方式、定时方式，并将管理策略下达到智能电控机存储。
　　（5）网络信号中断或主控部分异常情况下，智能电控模块可以自动判断，并可根据预设值自动进入时间段供暖方式进行，设置为在线模式和离线模式运行，增强整个系统的稳定性和可控性。
　　（6）系统应该能够提供数据分析与报表功能，对供暖连续不达标及过热现象自动预警。
　　从温控系统整体设计来说并不复杂，其工作流程是获取实时房间温度信息，上传服务器，并根据预设值下达电暖气电源启停指令，从而实现温控。根据上述用户需求，考虑到目前物联网技术已经相对成熟，可以采用Zigbee技术来实现上述功能。
　　ZigBee最大的特点就是低功耗、低成本、可组网、稳定可靠，各个节点可以相互协作建立它们之间的双向连接，自主实现网络初始化、监测任务启动和网络故障自我修复等一系列工作。特别是其带有路由的可组网功能，Zigbee覆盖的通讯面积最大限度的扩展，比较适合温度控制这样的数据流量小的业务。因此本系统决定采用基于Zigbee的无线自组网模式来设计公寓电供暖温控系统。系统采用全IP技术，末端设备基于Zigbee技术，并借助“云”技术实现远程移动控制。
　　2 电供暖温控系统设计与实施
　　系统采用基于Zigbee网络的无线方式通过温度测量节点收集公寓各个房间的温度实时数据，并传输至楼层Zigbee数据汇聚器，经过汇聚后通过网络连接到数据分析处理机，并保存到数据库以实现数据的统一管理。根据管理策略由数据分析处理机或手机APP向各楼层数据汇集器下达控制指令，并向楼层电暖气电气控制箱中的智能电源控制模块下达启停命令实现电供暖温度控制。
　　2.1 系统整体设计
　　公寓电暖气控制系统主要由温度采集、数据分析处理和供暖设备电源控制几大部分组成。具体由以下几部分组成：
　　（1）温度采集模块：采用基于Zigbee的无线温度采集模块，温度传感器模块实现加入网络、数据采集、数据存储、数据上传、通信等功能。通过各个温度采集终端采集实时数据，无线传输至楼层数据汇聚器。
　　（2）楼层数据汇聚器。Zigbee终端的传输距离一般在10～75m的范围内，依据发射功率的大小和应用模式仍可以继续增加其传输距离。在每个楼层设置一台Zigbee数据汇聚器，负责组建Zigbee网络分配网络地址的功能，完成温度传感器模块与上位机数据的透明传输。同时该汇集模块兼Zigbee网关，将对应信息同时上传“云”，管理员可以通过其利用手机APP获取楼层房间状态信息并进行远程控制。
　　（3）数据分析处理机：该机负责由楼层数据汇聚器转发的各公寓楼每个房间的温度状态信息，将温度采集终端反馈的数据汇总到数据库，根据用户预先的温度控制方案下达控制信息。控制参数可以通过web 模式或手机APP方式设置并提供数据报表等服务。
　　（4）供暖设备控制（智能电控机），服务台根据分析处理结果通过电控机控制供暖设备，将控制指令信号发送到楼层数据汇聚器，向每个楼层电暖气控制箱中基于Zigbee的智能电控机发出启停指令。智能电控机应能实现网络数据传输，并可根据模式设置及网络传输信号情况进行自动控制，可实现按预先设置模式脱机运行。应采用高稳定性和高质量、高功率交流接触器满足电暖气系统启停需要。
　　2.2 系统软件设计
　　本系统的软件部分主要是数据分析处理模块（管理平台）设计、修改数据汇聚器后台接口数据、手机端APP设计以及智能电控机工作模式设置。
　　数据分析处理模块主要用VS2005进行设计，主要是接收温度数据并在监控界面显示，并可设置管理策略，下达管理指令。同时管理平台支持采用B/S（Browser/Server）结构，采用SQL SERVER 2005，利用ADO.NET技术将数据存储到数据库中。远程WEB服务器使用微软的ASP.NET技術开发了基于B/S架构的数据管理服务软件，方便用户随时查看、统计数据。
　　数据汇聚模块的软件设计主要基于Z-Stack完成，主要完成组建网络，收集温度采集模块上传数据和将温度数据信息通过网络传给上位机，并可具有小范围管理功能，将数据通过“云”传输，并支持手机APP端进行监控和控制。温度采集模块主要负责通信协议定制、寻网、采集和存储温度数据、上传给数据汇聚模块。电控机模块接受控制信号并作出相应启停操作，还可以通过嵌入软件将程序和配置文件自动下载至芯片中，包括后台参数和工作模式修改及存储保存。
　　本公寓电供暖温控系统采用了Zigbee技术，系统运行可靠，管理便捷，提供了灵活的控制模式，达到了预期的目的。这也体现出zigbee技术在智能控制领域应用的广泛前景。
　　Abstract：For the need of energy conservation and emission reduction， some school apartments heating is adopting electric heating method.In the heating management system， temperature detection and power control and signal transmission are the key links.For facilitate late-stage Management and Maintenance upgrade， wireless communication with low power consumption and short distance technology to collect and Transmit data.This paper introduces how to design and the realization of Electric Heating Temperature Control System in school apartment Based on Zigbee.
　　Key words：Zigbee；wireless sensor network；multi-point temperature acquisition
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