魯柳婷

（江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

我國(guó)計(jì)劃2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。北方地區(qū)冬季集中供暖產(chǎn)生大量碳排放，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，需要落實(shí)北方地區(qū)供暖的節(jié)能減排工作。傳統(tǒng)集中供暖方式存在供熱不均、無(wú)法按照需求或環(huán)境因素調(diào)節(jié)供熱量、缺少人機(jī)互動(dòng)功能等問(wèn)題。提高供暖系統(tǒng)的智能化程度、實(shí)現(xiàn)供熱計(jì)量是節(jié)能減排的有效措施。多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家采用變流量動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，一次熱網(wǎng)所提供的蒸汽在換熱站通過(guò)熱交換變成民用生活熱水和二次采暖熱水，二次供水系統(tǒng)中帶有變頻調(diào)速電機(jī)水泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、壓差控制器等多種儀器設(shè)備，結(jié)合成熟的供暖系統(tǒng)運(yùn)行模式。

國(guó)內(nèi)供暖控制可以分為控制閥門調(diào)節(jié)和二級(jí)管網(wǎng)調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)二級(jí)管網(wǎng)調(diào)節(jié)存在水力失調(diào)問(wèn)題。羅晶等[1]提出智能化二級(jí)管網(wǎng)平衡控制系統(tǒng)，利用室內(nèi)溫度感知、溫度控制設(shè)備、云平臺(tái)智能化軟件和基于熱網(wǎng)大數(shù)據(jù)的智能建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)熱源、熱力站、熱網(wǎng)的協(xié)同控制。但系統(tǒng)不能夠自主調(diào)節(jié)，設(shè)備分布廣、類型多、檢查維修不便?？刂崎y調(diào)節(jié)分樓棟熱力入口調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)和入戶調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。前者以熱力入口供回水溫差為指標(biāo)調(diào)節(jié)流量，存在垂直水力失調(diào)問(wèn)題；后者可以消除水力失調(diào)問(wèn)題，但改造工程量大，調(diào)節(jié)和維修困難，調(diào)節(jié)過(guò)程緩慢。徐寶萍等[2]分析溫控閥控制與房間熱動(dòng)態(tài)過(guò)程，建立包括溫控閥、房間動(dòng)態(tài)特性等內(nèi)容的模型，通過(guò)溫控閥波紋管內(nèi)的壓力變化實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)設(shè)備簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)隔離；但智能化程度低，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和管理；需要大量人力成本管控和維修，應(yīng)設(shè)置數(shù)據(jù)反饋和管控平臺(tái)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)框架

基于HLink的智能供暖系統(tǒng)分為物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、邊緣網(wǎng)關(guān)和端設(shè)備三部分。Web界面用于實(shí)現(xiàn)信息反饋，人機(jī)交互；IoTDA作為物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可以進(jìn)行接收數(shù)據(jù)、下發(fā)控制命令、制定控制策略等操作；物聯(lián)網(wǎng)關(guān)AR502H配置HLink Gateway容器，與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)配對(duì)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)、命令的處理和交互；以STM32F103 RCT6為核心的控制面板是主要端設(shè)備，開(kāi)發(fā)板移植LiteOS操作系統(tǒng)并部署HLink Device，可以控制閥門的開(kāi)閉，具有溫度、濕度傳感器模塊，收集環(huán)境數(shù)據(jù)。

基于HLink的智能供暖系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 基于HLink的智能供暖系統(tǒng)框架

1.2 控制策略設(shè)計(jì)

（1）控制分水器下的單個(gè)閥門。通過(guò)控制閥門開(kāi)啟個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱水流量的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)熱量控制、分檔功能。電動(dòng)閥門只設(shè)定開(kāi)、閉兩種狀態(tài)，對(duì)比開(kāi)啟閥門個(gè)數(shù)與場(chǎng)景內(nèi)總閥門個(gè)數(shù)得出總開(kāi)度。對(duì)不同開(kāi)度下的供熱狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)，將溫度控制過(guò)程分成五檔，對(duì)應(yīng)五個(gè)供熱狀態(tài)。

（2）考慮不同場(chǎng)景、不同用戶的需要，系統(tǒng)首次供熱時(shí)，需要用戶自主設(shè)定溫度，再結(jié)合天氣狀況，將此時(shí)的調(diào)控信息作為該場(chǎng)景內(nèi)的最佳調(diào)整狀態(tài)。每次開(kāi)啟時(shí)，根據(jù)記錄的最佳調(diào)整狀態(tài)與當(dāng)時(shí)的天氣狀況，計(jì)算合適的擋位進(jìn)行調(diào)節(jié)。用戶手動(dòng)改變擋位時(shí)，自動(dòng)更新最佳調(diào)整狀態(tài)。

（3）場(chǎng)景內(nèi)進(jìn)行分區(qū)控制。部署系統(tǒng)時(shí)，需要區(qū)分長(zhǎng)期供熱區(qū)、預(yù)約供熱區(qū)。在辦公樓中，公共使用空間和個(gè)人辦公室即為長(zhǎng)期供熱區(qū)，以最早上班的員工為標(biāo)準(zhǔn)，提前30 min開(kāi)啟；單獨(dú)隔離的會(huì)議室、無(wú)人辦公室等空間為預(yù)約供熱區(qū)，需要提前在系統(tǒng)上預(yù)約，全部員工下班后統(tǒng)一關(guān)閉供熱。

（4）場(chǎng)景的整體供熱需要根據(jù)法定假期、調(diào)休安排等內(nèi)容進(jìn)行控制。節(jié)假日期間自動(dòng)關(guān)閉供熱，有需求時(shí)需要提前預(yù)約。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的整個(gè)流程以HLink協(xié)議為核心。HLink是華為物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的一個(gè)重要部件，用于實(shí)現(xiàn)IoT終端的智能連接智能聯(lián)動(dòng)，可以不需要煩瑣的現(xiàn)場(chǎng)配置，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)接入。

IoTDA為物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)，支持多網(wǎng)絡(luò)、多協(xié)議接入，提供多場(chǎng)景多語(yǔ)言的IoT Device SDK，屏蔽物聯(lián)網(wǎng)碎片化。利用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的HLink組件提供的MQTT消息接口接入邊緣計(jì)算物聯(lián)網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行數(shù)據(jù)、命令的收發(fā)；在云平臺(tái)中提供web網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)者API接口調(diào)用數(shù)據(jù)，接收web頁(yè)面的控制語(yǔ)句，下發(fā)相應(yīng)的控制命令。云平臺(tái)可以通過(guò)彈性伸縮服務(wù)、云硬盤備份服務(wù)、統(tǒng)一身份認(rèn)證等功能優(yōu)化平臺(tái)的資源調(diào)度、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、安全保障，面向其他服務(wù)對(duì)象開(kāi)發(fā)云上APP。

AR502H為邊緣計(jì)算物聯(lián)網(wǎng)關(guān)。在物聯(lián)網(wǎng)關(guān)內(nèi)安裝配置HLink Gateway容器配對(duì)HLink。HLink Gateway容器對(duì)外提供MQTT消息接口，實(shí)現(xiàn)與云平臺(tái)的交互。向上提供云平臺(tái)端設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)信息或接收云平臺(tái)控制命令；向下提供端設(shè)備業(yè)務(wù)命令，接收端設(shè)備數(shù)據(jù)；通過(guò)MessageFlow可以開(kāi)發(fā)邊側(cè)APP，在物聯(lián)網(wǎng)關(guān)處即可開(kāi)展業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)，減少上傳的數(shù)據(jù)量，便于云平臺(tái)的信息管理。

控制面板由液晶屏和STM32F103RTC6開(kāi)發(fā)板組成。STM32接收命令后，經(jīng)過(guò)程序處理，通過(guò)433射頻通信控制分水器的各個(gè)分支閥門開(kāi)閉，433通信穿透性強(qiáng)、通信簡(jiǎn)單；傳感器得到的環(huán)境信息和閥門開(kāi)閉狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)WiFi模塊上發(fā)。STM32F103RCT6芯片內(nèi)移植LiteOS操作系統(tǒng)，用于部署HLink SDK。LiteOS支持MMU、內(nèi)核和APP空間隔離、APP之間空間隔離；支持POSIX接口，方便開(kāi)源軟件的使用。

網(wǎng)頁(yè)后端開(kāi)發(fā)者利用云平臺(tái)提供的API接口調(diào)用數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)在界面中。用戶可以通過(guò)菜單欄檢索各個(gè)場(chǎng)地信息，包括溫度、濕度、熱量等內(nèi)容；提供預(yù)警系統(tǒng)、管理調(diào)控、系統(tǒng)維護(hù)、遠(yuǎn)程監(jiān)管等功能。

1.4 硬件設(shè)計(jì)

硬件包括以STM32F13RCT6芯片為核心的控制面板和電動(dòng)閥門。

控制面板設(shè)計(jì)中包括溫濕度傳感器、WiFi通信、433通信、液晶屏等模塊。單片機(jī)以5 s為間隔采集溫濕度信息，每5 min計(jì)算一次平均溫濕度，通過(guò)WiFi模塊上傳數(shù)據(jù)，顯示在液晶屏上；接受控制命令時(shí)，通過(guò)433通信協(xié)議與電動(dòng)閥門通信，控制其開(kāi)閉狀態(tài)。

控制面板安裝在墻壁上，通過(guò)液晶屏顯示溫濕度、時(shí)間等信息。溫濕度傳感器采用AHT21，響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高。WiFi模塊采用BW16，支持2.4GHz或5GHz的WLAN和低功耗藍(lán)牙5.0。433通信模塊采用的是CMT2300A，具有超低功耗、高性能，適用于140～1 020 MHz無(wú)線應(yīng)用的OOK，（G）FSK射頻收發(fā)器，選擇433 MHz作為射頻通信頻段。

在每個(gè)單元的分水器的支管上安裝電動(dòng)閥門。電動(dòng)閥門采用開(kāi)、閉兩種運(yùn)行模式，簡(jiǎn)化調(diào)節(jié)過(guò)程和控制算法；單個(gè)場(chǎng)景內(nèi)具有多個(gè)此類型的電動(dòng)閥門，可以調(diào)整閥門開(kāi)啟個(gè)數(shù)，控制供熱擋位。供暖過(guò)程具有較大的滯后性、慣性。電動(dòng)閥門不需要考慮開(kāi)度等問(wèn)題，控制簡(jiǎn)單、安裝維修方便，單個(gè)閥門故障不會(huì)影響整體的控制效果，具有應(yīng)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)展示

2.1 軟件界面展示

系統(tǒng)軟件界面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件界面

2.2 硬件設(shè)計(jì)展示

各結(jié)構(gòu)硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 各結(jié)構(gòu)硬件設(shè)計(jì)

3 結(jié)語(yǔ)

采用簡(jiǎn)化的電動(dòng)閥門降低對(duì)閥門控制的難度，可以實(shí)現(xiàn)不同擋位的水流量的調(diào)節(jié)；入戶調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)單元與單元之間隔離，調(diào)節(jié)過(guò)程不會(huì)互相影響，避免聯(lián)動(dòng)問(wèn)題；加入物聯(lián)網(wǎng)關(guān)、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等內(nèi)容實(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控、預(yù)警；結(jié)合場(chǎng)景人流量、工作作息、法定假日、外界環(huán)境等內(nèi)容制定相應(yīng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)智能、人性化控制調(diào)節(jié)；采用HLink協(xié)議，簡(jiǎn)化部署過(guò)程和部署方式，縮短工程周期，達(dá)到節(jié)能減排的目的。