■ 付存謂李軍孫睿嚀左俊杰毛季靖沈夢佳郁棟

（1.浙江比華麗電子科技有限公司；2.中國計量學(xué)院機電工程學(xué)院）

樓宇太陽能熱水工程集中化遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)

■ 付存謂1*李軍1孫睿嚀2左俊杰2毛季靖2沈夢佳2郁棟2

（1.浙江比華麗電子科技有限公司；2.中國計量學(xué)院機電工程學(xué)院）

針對傳統(tǒng)太陽能熱水工程控制系統(tǒng)控制器或控制柜的缺點，研制了運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行監(jiān)視和控制的太陽能熱水工程系統(tǒng)，并從項目簡介、總體框架、所需技術(shù)、項目創(chuàng)新點和技術(shù)路線幾方面介紹此系統(tǒng)。本項目產(chǎn)品屬于新能源及節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品，克服了傳統(tǒng)控制器或控制柜的一系列缺點，具有很高的普及價值及未來進行技術(shù)升級的潛能，項目的成功開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化將對新能源產(chǎn)業(yè)及物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到巨大的推動作用。

太陽能熱水器 ；遠(yuǎn)程監(jiān)控

0　引言

目前，太陽能熱水工程已憑借安全可靠、方便實用、節(jié)約能源、保護環(huán)境、有良好適應(yīng)性等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于我國各個領(lǐng)域?？刂乒裨谔柲軣崴刂祁I(lǐng)域占主導(dǎo)地位［1］，但存在監(jiān)控工作煩瑣、傳感器技術(shù)落后、壽命短、無太陽能能量計算及統(tǒng)計模型、無法為行業(yè)內(nèi)及國家提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)等缺點［2，3］。為了解決這些問題，我們研發(fā)了一種新型的樓宇太陽能熱水工程集中化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，在解決以上問題的同時，還具備遠(yuǎn)程監(jiān)控能力，可更加方便地控制太陽能熱水工程，并推動了新興能源產(chǎn)業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1　系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)在嵌入式Internet技術(shù)的基礎(chǔ)上，以ARM微處理器為中心來實現(xiàn)系統(tǒng)功能，同時在太陽能熱水工程檢測與控制系統(tǒng)中加入一個以以太網(wǎng)接口芯片為基礎(chǔ)構(gòu)建的嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可在有網(wǎng)絡(luò)的情況下利用賬號和密碼登錄與系統(tǒng)建立連接，實現(xiàn)對太陽能熱水工程的實時監(jiān)控，便于遠(yuǎn)程操作人員對系統(tǒng)出現(xiàn)的問題及時進行改正，隨時對系統(tǒng)進行調(diào)整和維護。

項目及系統(tǒng)框架如圖1、圖2所示。

圖1　項目框架圖

2　項目技術(shù)

本項目的實現(xiàn)基于多項關(guān)鍵技術(shù)，基于水壓原理的水位傳感器技術(shù)，采用水壓0～0.05 Mpa，0～5000 mm水柱，溫度范圍為-40～150 ℃［4］。

在硬件方面，本項目為了解決以微控制器為核心的嵌入式系統(tǒng)接入Internet的問題，采用了嵌入式ARM微處理器結(jié)合通用的網(wǎng)絡(luò)接口芯片這一方法。系統(tǒng)內(nèi)部采用防雷電路，相比以往由防雷管單一保護的產(chǎn)品，有更大的耐壓能力和更穩(wěn)定的性能。本項目還應(yīng)用了供水循環(huán)流量控制技術(shù)，換熱器以“熱水出水量=冷水補水量+回水泵循環(huán)流量”為基準(zhǔn)，合理控制供水壓力及流量。

圖2　系統(tǒng)框圖

在軟件方面，本項目中系統(tǒng)選擇采用嵌入式Linux作為嵌入式的實時操作系統(tǒng)，支持不同廠家太陽能熱水工程設(shè)備的異構(gòu)數(shù)據(jù)采集，并采用數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。本系統(tǒng)結(jié)合B/S結(jié)構(gòu)模型和嵌入式Web服務(wù)器于一體，最底層為B/S結(jié)構(gòu)，采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)；中間層為信息處理系統(tǒng)，將采集得到的實時參數(shù)寫入相應(yīng)層的Web服務(wù)器中并進行參數(shù)處理，包括統(tǒng)計、分析等；第三層為客戶端，經(jīng)中間層信息處理系統(tǒng)處理過的數(shù)據(jù)，會以網(wǎng)頁形式向第三層客戶端進行實時發(fā)送，客戶端可直接通過瀏覽器對系統(tǒng)進行實時監(jiān)測與控制，對其產(chǎn)生的問題進行快速的判斷與解決。同時，處理過的數(shù)據(jù)會進入數(shù)據(jù)倉庫，系統(tǒng)對收到的數(shù)據(jù)會自動完成統(tǒng)計、分析和處理。在設(shè)計系統(tǒng)時對熱量表和流量計等積分時間間隔采樣周期應(yīng)≤5 s［2］，因為太陽輻照在天氣多云時的變化比天氣晴朗時要快很多，設(shè)定小的采樣周期可減小誤差，提高精確度［5］。本系統(tǒng)還采用了Flash的方法，在Linux系統(tǒng)中利用網(wǎng)頁的實時刷新法使客戶端與系統(tǒng)之間進行信息交互。

本系統(tǒng)所使用的水溫水位傳感器為新型工藝制作，可有效防止結(jié)垢，且不易滲水，可承受較高溫度，有抗腐蝕性。

通過流量傳感器、溫度傳感器、水位傳感器和ARM微處理器，能夠計量所吸收太陽能的能量，并可換算成碳減排量，在技術(shù)上實現(xiàn)了公司正在參與起草的國家標(biāo)準(zhǔn)《太陽能熱水系統(tǒng)熱能計量與監(jiān)測規(guī)范》的規(guī)定要求。

本項目能實現(xiàn)雙熱水工程同時監(jiān)測與控制，并采用電力載波模式，可在用戶家里86盒開關(guān)的地方接上電力載波模塊，能通過電力線進行監(jiān)測與控制，大幅節(jié)約了系統(tǒng)的布線成本。

3　項目創(chuàng)新點

3.1創(chuàng)新點一

針對傳統(tǒng)電極式水位傳感器易損壞、壽命短的問題［6］，自主研發(fā)了一種耐高溫、耐腐蝕的二氧化硅多晶硅水位傳感器，可把水壓轉(zhuǎn)換成電信號輸出。采用耐溫200 ℃硅膠管將太陽能熱水器的水壓傳遞出來，將不耐高溫的電路部分放置在遠(yuǎn)離高溫水箱處，利用硅膠管將空氣壓力信號傳輸?shù)剿渫獠康膫鞲衅髦黧w，通過檢測壓力信號變化精確判定水位。此設(shè)計改變了傳統(tǒng)傳感器浸泡在高溫?zé)崴胁杉恍盘柕姆绞剑蠓黾觽鞲衅鞯氖褂脡勖?0年），在降低傳感器更換頻率的同時，也提高了檢測的靈敏度和檢測精度。

圖3　本項目水位傳感器示意圖

當(dāng)熱水水位達(dá)到太陽能控制儀內(nèi)置的預(yù)制水位高度時，太陽能熱水器水箱內(nèi)連接的硅膠管將太陽能水箱內(nèi)進水壓力通過硅膠管傳至壓力傳感器。由于硅膠管與壓力傳感器的連接是準(zhǔn)密封狀態(tài)，開口端與太陽能熱水器內(nèi)部連接，當(dāng)太陽能熱水器進水時，硅膠管內(nèi)平時常態(tài)的空氣隨著進水的增多、水位的增高而被壓縮，傳至壓力傳感器的壓力腔，使腔內(nèi)的空氣壓力增高，控制電路將檢測到與其對應(yīng)的電信號傳遞到太陽能控制儀上，感知太陽能熱水器內(nèi)進水已經(jīng)到達(dá)預(yù)置選定水位后，切斷進水電磁閥的電源。

技術(shù)優(yōu)勢：延長使用壽命，提高檢測精度、靈敏度及產(chǎn)品壽命，解決了導(dǎo)電性差及山區(qū)水質(zhì)不能使用智能化儀表的難題。

3.2創(chuàng)新點二

自主設(shè)計了以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的太陽能熱水工程遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過自主開發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，使采集到的水位、水壓、水溫、流量等重要指標(biāo)能夠?qū)崟r顯示在智能移動設(shè)備終端上，實現(xiàn)雙熱水工程遠(yuǎn)程監(jiān)控、主動預(yù)警功能。

本系統(tǒng)將嵌入式系統(tǒng)與Internet結(jié)合，以ARM微處理器為中心來實現(xiàn)系統(tǒng)功能，同時在太陽能熱水工程檢測與控制系統(tǒng)中加入一個以以太網(wǎng)接口芯片為基礎(chǔ)構(gòu)建的嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。此外，自主設(shè)計了可在智能移動設(shè)備上運行的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，一旦遇到太陽能熱水工程系統(tǒng)故障，軟件會主動發(fā)出預(yù)警信號讓管理人員及時發(fā)現(xiàn)，并通過軟件做緊急處理，然后安排工作人員按事故原因進行維修。具體解決方案如下：

1）系統(tǒng)硬件平臺。硬件平臺（見圖4）將傳統(tǒng)的CPU換成了功能更強大的ARM，并在外圍接入溫度流量水位監(jiān)測、電壓電流功率因數(shù)監(jiān)測、鍵盤輸入、網(wǎng)絡(luò)通信等模塊及輸出控制交流接觸器［4］。網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60。

圖4　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2）嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的核心為嵌入式操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)的精確性強、可靠性高、響應(yīng)速度快，對系統(tǒng)的控制更精準(zhǔn)、快速。本系統(tǒng)采用嵌入式Linux作為嵌入式實時操作系統(tǒng)，由Linux 2.0/2.4內(nèi)核派生，并以標(biāo)準(zhǔn)的Linux為基礎(chǔ)進行了適當(dāng)?shù)牟眉艉蛢?yōu)化，在體積變小的同時保留了Linux穩(wěn)定、移植性好、網(wǎng)絡(luò)功能強大等優(yōu)點［7，8］，其內(nèi)部還嵌有TCP/IP協(xié)議，便于在各類處理器中使用，性能穩(wěn)定、使用方便［9］。

3）遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。在太陽能熱水工程監(jiān)測與控制系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程控制軟件有效提高了系統(tǒng)運行維護的主動性，提高了系統(tǒng)管理水平。本系統(tǒng)結(jié)合B/S結(jié)構(gòu)模型和嵌入式Web服務(wù)器于一體。

圖5　系統(tǒng)操作頁面圖

4）系統(tǒng)使用流程。通過遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)對樓宇太陽能熱水工程集中化遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)完全實現(xiàn)了監(jiān)測功能，在客戶端中可通過用戶名和密碼進入系統(tǒng)操作頁面，可實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時監(jiān)測和控制，便于在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時做出及時修改和調(diào)整［7］。

本系統(tǒng)使用方式簡便易學(xué)且有較為完善的智能性，改進后使系統(tǒng)的使用更加安全，對系統(tǒng)的實時監(jiān)測與控制使系統(tǒng)更加精準(zhǔn)。

3.3創(chuàng)新點三

為響應(yīng)國家“建立一個全國性的太陽能節(jié)能信息數(shù)據(jù)庫”的號召，基于本公司正在參與起草的國家標(biāo)準(zhǔn)《太陽能熱水工程熱能計量與遠(yuǎn)程監(jiān)測》，本項目建立了熱能計量采集、計算模塊和數(shù)據(jù)庫。首先通過水位、溫度等傳感器采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)；然后通過熱能計量模塊換算出節(jié)能信息，架構(gòu)出節(jié)能信息數(shù)據(jù)庫；通過數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘，對熱水器工程系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進行分析處理，為國家太陽能節(jié)能信息數(shù)據(jù)中心提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。其中，熱能計量方法是至關(guān)重要的技術(shù)創(chuàng)新點。

太陽能熱水工程系統(tǒng)熱能輸入由太陽能集熱器回路、輔助熱源和耗電量組成［2］。為了準(zhǔn)確地對三者進行區(qū)分和測量，應(yīng)對不同部分的熱量分別進行熱能測量，使計算研究所需的各項指標(biāo)在使用時更為方便，也使計算結(jié)果更為精確。分別測量用戶得熱量（Quse）、太陽能集熱器（Qs）、用戶管路循環(huán)損失熱量（Qtc）、輔助熱源（Qaux）和耗電量（Qp），以實現(xiàn)系統(tǒng)整體熱能計量［2］。

圖6　太陽能熱水工程系統(tǒng)能量輸入輸出轉(zhuǎn)換圖

當(dāng)系統(tǒng)的集熱回路和水箱之間以水為傳熱介質(zhì)時，有兩種方法可以測量太陽能供熱量。

方法一：用熱量表對太陽能供熱量進行測量。應(yīng)在集熱器陣列主管道上安裝熱量表溫度傳感器和熱量表流量傳感器。

方法二：對集熱器高溫點和低溫點分別進行流量測量，應(yīng)注意，選擇的高溫點t1測量點應(yīng)位于集熱器出水管道上，低溫點t2測量點應(yīng)位于集熱器進水管道上；然后根據(jù)式（1）計算得出太陽能供熱量Qs：

式中，cf為對應(yīng)于平均溫度的比熱容，J/ （kg·℃）；τ為積分采集時間間隔，s；mf為質(zhì)量流量，t/h。

4　項目主要技術(shù)指標(biāo)（含檢測依據(jù)）及產(chǎn)品技術(shù)路線

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 14536.1-2008《家用和類似用途電自動控制器 第1部分：通用要求》，本項目完成時應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)見表1。產(chǎn)品技術(shù)路線如圖7所示。

表1　技術(shù)指標(biāo)

圖7　工作路線

5　結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了一種新型的樓宇太陽能熱水工程集中化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，并提出其優(yōu)點、創(chuàng)新點及技術(shù)路線。該系統(tǒng)可克服傳統(tǒng)控制柜控制系統(tǒng)監(jiān)控工作煩瑣、傳感器技術(shù)落后、壽命短、無太陽能能量計算及統(tǒng)計模型、無法為

行業(yè)內(nèi)及國家提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)等缺點，并可實現(xiàn)對樓宇太陽能工程的遠(yuǎn)程監(jiān)控，使工作人員能及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的問題并快速解決，提高了系統(tǒng)的安全性和工作效率，適用于各個公共場所，普及可能性較改進前有較大提高，對我國新能源產(chǎn)業(yè)及物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有很大地推動作用。

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2015-12-23

付存謂（1972—），男，碩士，主要從事新能源利用與智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)方面的研究。122132098@qq.com