基于Zig Bee的太陽(yáng)能熱水器電輔助加熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院 楊朝磊 王民慧

基于Zig Bee的太陽(yáng)能熱水器電輔助加熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院 楊朝磊 王民慧

在常年陰雨天氣較多的地區(qū)，太陽(yáng)能熱水器經(jīng)常供熱不足，且安裝分散，不便于管理，而采用電熱水器來(lái)供熱水能耗大，不利于節(jié)能。針對(duì)以上問(wèn)題，本文研究了一種基于ZigBee的太陽(yáng)能熱水器電輔助加熱控制系統(tǒng)，當(dāng)太陽(yáng)能供熱不足時(shí)，開(kāi)啟電加熱器對(duì)水溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足用戶需求。傳感器節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)收集終端以CC2530為核心處理器，以ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)為通信手段，形成了一個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了上位機(jī)管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)控。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有一定的研究?jī)r(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

太陽(yáng)能熱水器；控制系統(tǒng)；ZigBee；無(wú)線通信

0 引言

太陽(yáng)能熱水器對(duì)天氣有很強(qiáng)的依賴性，在陰天或多雨的季節(jié)，常常會(huì)出現(xiàn)對(duì)管道的水加熱不足的問(wèn)題，難以滿足用戶的用水需求[1]。而則采用電熱水器來(lái)供熱水雖然具有安裝、使用方便等特點(diǎn)，但是能耗非常大。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種基于ZigBee的太陽(yáng)能熱水器輔助加熱控制系統(tǒng)，采用太陽(yáng)能和電輔助加熱的方案來(lái)對(duì)熱水器的水溫進(jìn)行控制。傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)溫度傳感器和水位傳感器來(lái)獲取當(dāng)前水箱的溫度值和水位值，再通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸給數(shù)據(jù)收集終端，數(shù)據(jù)收集終端進(jìn)而將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)；同時(shí)，采用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了上位機(jī)管理系統(tǒng)，用戶可在PC機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)不同區(qū)域的熱水器的水箱溫度和水位，當(dāng)太陽(yáng)能加熱的水溫不能滿足用戶需求時(shí)，可將手動(dòng)或自動(dòng)加熱指令通過(guò)數(shù)據(jù)收集終端下發(fā)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，使之控制電加熱器開(kāi)始加熱；當(dāng)太陽(yáng)能功能充足時(shí)，會(huì)自動(dòng)停止電加熱器，并將相關(guān)信息發(fā)送給用戶，防止電能消耗。此外，當(dāng)水箱水位不在設(shè)定值范圍時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)進(jìn)行自動(dòng)控制，無(wú)需用戶干預(yù)。傳感器節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)收集終端均增設(shè)了PA功放模塊[2]，通信距離可達(dá)2Km，大多數(shù)情況下能夠完全覆蓋需要供熱水額區(qū)域，不需要遠(yuǎn)程布線，便于設(shè)備維護(hù)和管理。本系統(tǒng)簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，操作方便，實(shí)用性強(qiáng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于ZigBee的太陽(yáng)能熱水器輔助加熱控制系統(tǒng)具體功能有：(1)實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱溫度和水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；(2)當(dāng)太陽(yáng)能熱水器對(duì)管道的水加熱溫度不夠時(shí)，控制繼電器模塊開(kāi)啟電輔助加熱，保證水溫滿足用戶要求；(3)在進(jìn)行電輔助加熱時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟防干燒檢測(cè)，防止水箱干燒導(dǎo)致火災(zāi)等事故發(fā)生；(4)將所采集的信號(hào)發(fā)送給控制終端，同時(shí)接受終端命令，并執(zhí)行相應(yīng)操作。數(shù)據(jù)收集終端通過(guò)串口與PC及機(jī)通信。ZigBee控制節(jié)點(diǎn)和終端處理器均采用CC2530作為主控芯片，傳感器節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)收集終端組成星形網(wǎng)絡(luò)，從而用戶通過(guò)PC機(jī)即可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控各個(gè)水箱的溫度和水位情況。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)采用某公司開(kāi)發(fā)的無(wú)線通信集成模塊ZG-Mx為控制模塊，ZG-Mx以CC2530芯片為核心控制器，利用內(nèi)部ADC采集外部傳感器信號(hào)[3]，經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)RF收發(fā)器發(fā)送給數(shù)據(jù)處理終端；同時(shí)通過(guò)RF收發(fā)器接收數(shù)據(jù)終端命令，通過(guò)相應(yīng)的I/O口輸出模擬控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電加熱模塊或電磁閥控制模塊執(zhí)行相應(yīng)的開(kāi)/閉動(dòng)作。該模塊才用K型熱電偶和CYW11液位器分別進(jìn)行溫度檢測(cè)和水位檢測(cè)，通過(guò)繼電器和電磁閥分別進(jìn)行溫度控制和水位控制。其電路示意圖如圖2所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案框圖

圖2 控制節(jié)點(diǎn)電路示意圖

2.2 據(jù)終端硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)終端亦采用某公司開(kāi)發(fā)的無(wú)線通信集成模塊ZG-Mx為控制模塊，數(shù)據(jù)收集終端通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口模塊與PC機(jī)通信，將接收到的無(wú)線數(shù)據(jù)信息通過(guò)串口傳輸?shù)絇C機(jī)；同時(shí)也可從串口讀取用戶發(fā)出的數(shù)據(jù)指令，再通過(guò)RF收發(fā)器發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的對(duì)應(yīng)的某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，從而使控制節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。其硬件電路如圖3所示：

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

控制節(jié)點(diǎn)上電后自動(dòng)掃描加入數(shù)據(jù)終端所建立的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)成功后不斷采集傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送給數(shù)據(jù)終端，采集的數(shù)據(jù)包括水溫?cái)?shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)、電加熱防燒干檢測(cè)等；當(dāng)收到數(shù)據(jù)終端傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)指令時(shí)，根據(jù)指令類型執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，包括水溫保持設(shè)置、自動(dòng)/手動(dòng)加熱等。其程序流程圖如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)終端硬件設(shè)計(jì)圖

圖4 控制節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

圖5 據(jù)終端軟件流程圖

3.2 數(shù)據(jù)終端軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)終端上電后，首先啟動(dòng)初始化程序，建立一個(gè)新的ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，并允許各個(gè)控制子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)[4]。當(dāng)收到控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的無(wú)線數(shù)據(jù)后，通過(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)，由上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；當(dāng)從串口讀出上位機(jī)的數(shù)據(jù)指令后，再轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)控制節(jié)點(diǎn)。其程序流程圖如圖5所示。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用LabVIEW軟件來(lái)設(shè)計(jì)。采用LabVIEW編程，可以充分利用計(jì)算機(jī)的資源，發(fā)揮其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，用戶可根據(jù)自己的需求定義或設(shè)計(jì)出具有特色功能控制或顯示儀器[5]。用戶可登錄上位機(jī)系統(tǒng)，對(duì)界面進(jìn)行操作，通過(guò)發(fā)出自動(dòng)/手動(dòng)加熱、或保溫設(shè)置等指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱水器的水溫和水位進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。測(cè)試結(jié)果如圖6所示：

圖6 機(jī)測(cè)試結(jié)果

4 總結(jié)

與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能熱水器電輔助加熱控制器相比，本文所提出的控制器引入了ZigBee無(wú)線通信技術(shù)，管理人員可通過(guò)一臺(tái)PC機(jī)對(duì)多個(gè)建筑物的太陽(yáng)能電輔助加熱控制器進(jìn)行集中管理，解決了遠(yuǎn)程布線的困難，同時(shí)使得控制工作變得更加智能化，大大減減少管理工作負(fù)擔(dān)。該系統(tǒng)不僅保證了用戶對(duì)熱水的需求，同時(shí)還降低了電能的不必要消耗，與單一的電加熱控制方式相比具有一定的節(jié)能效果。綜上所訴，該系統(tǒng)具有一定的研究意義和實(shí)用價(jià)值。

[1]胡豐光.淺析我國(guó)太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[J].科技資訊,2015(19): 206-207.

[2]黃玉立.基于CC2591的無(wú)線通信前端設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué),2011.

[3]陳克濤,張海輝,張永猛,張杰,吳婷婷.基于CC2530的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014(05): 183-188.

[4]孫彩云.基于ZigBee的無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)研究[D].中北大學(xué),2011.

[5]陳樹(shù)學(xué),劉萱.LabVIEW寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011,3.

楊朝磊（1992—），貴州平塘人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院。