一種供暖閥門(mén)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬 靜，樸金寧，楊 帆

(哈爾濱理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

供暖一直是導(dǎo)致空氣污染的一個(gè)重要因素。尤其是在東北地區(qū)的冬季，由于氣候寒冷，所以需要大量焚燒煤炭進(jìn)行供暖。由于供暖公司的設(shè)備不一，工作人員技術(shù)能力參差不齊，使得煤炭不充分燃燒，導(dǎo)致了有害氣體及煙塵排放到空氣中，造成空氣污染。除此之外，由于新建樓房與老舊樓房在供暖系統(tǒng)中存在著較大差異，所以在一些地區(qū)的冬天便存在著“新樓開(kāi)窗放，老樓凍哆嗦”的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因不僅僅設(shè)備不相同，還是供熱公司無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制用戶家中的溫度、新樓老樓一套的供暖方案，導(dǎo)致了新樓家中由于溫度過(guò)高而造成能源浪費(fèi)，進(jìn)而造成環(huán)境污染[1]。

市場(chǎng)上目前已有的供暖閥門(mén)控制方式主要有以下兩種。

①利用單片機(jī)配合SIM卡模塊作為整體供暖閥門(mén)的控制端，用戶可以用手機(jī)發(fā)送短消息的方式來(lái)獲取用戶家中的環(huán)境溫度，從而根據(jù)當(dāng)前的溫度，以手機(jī)短消息的方式控制家中的電子閥門(mén)。

②控制遠(yuǎn)程閥門(mén)的方式大都是通過(guò)線纜連接上位機(jī)與閥門(mén)，多數(shù)采用CAN總線、RS-485總線等方式連接小區(qū)中的各個(gè)用戶，進(jìn)而控制多用戶家中的供暖閥門(mén)[2-3]。

以上兩種方式都存在一定的弊端，如果采用短消息方式，那么需要在各個(gè)用戶家中安放SIM卡模塊，通信次數(shù)增多也會(huì)不斷導(dǎo)致費(fèi)用的提高，使總控制臺(tái)控制的復(fù)雜度較高；采用線纜控制電子閥門(mén)，由于小區(qū)中每家每戶的距離不同，布線時(shí)的難度也隨之提高，出現(xiàn)故障也較難排查發(fā)現(xiàn)。為解決以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程閥門(mén)控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程閥門(mén)控制系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成。第一部分是閥門(mén)控制端，主要功能是通過(guò)無(wú)線通信方式來(lái)控制用戶家中的電子閥門(mén)；第二部分是嵌入式控制器，主要功能是接收物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)送的指令、發(fā)送當(dāng)前本地采集的溫濕度信息；第三部分是物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，在本次設(shè)計(jì)中采用了Javaweb技術(shù)，可以在平臺(tái)中接收和發(fā)送控制器端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，在平臺(tái)中進(jìn)行溫濕度監(jiān)測(cè)，對(duì)用戶家中電子閥門(mén)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[4]。整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 整體系統(tǒng)框圖

2 軟件硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)硬件主要包括兩個(gè)部分。第一部分是負(fù)責(zé)與互聯(lián)網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)以及控制電子閥門(mén)的主控制端，第二部分是電子閥門(mén)的被控制端。主控制端采用主控制單元+ESP8266 WiFi模塊+傳感器+NRF24L01無(wú)線射頻通信的方案。主控制器MCU通過(guò)無(wú)線WiFi網(wǎng)絡(luò)向總控制臺(tái)發(fā)送不同節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，總控制臺(tái)接收到數(shù)據(jù)并進(jìn)行判斷，同樣經(jīng)過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)到ESP8266WiFi模塊再到主控制器的主控制單元，經(jīng)過(guò)主控制單元將數(shù)據(jù)分析處理后，控制當(dāng)前用戶所指定電子閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)[5]。

硬件設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計(jì)方案

2.2 主控電路硬件設(shè)計(jì)

主控制器采用ATMEGA328P-AU處理芯片，芯片集成了SPI、I2C、USART等多種通信方式，方便與ESP8266無(wú)線WiFi單元和NRF24L0無(wú)線射頻單元配合執(zhí)行相應(yīng)的操作，同時(shí)可擴(kuò)展豐富的接口，方便與外圍傳感器的結(jié)合[6]。芯片閃存容量可達(dá)32 KB，先進(jìn)的精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(reduced instruction set computer,RISC)體系結(jié)構(gòu)，使得內(nèi)部程序運(yùn)行時(shí)可以與外圍電路更流暢、更無(wú)縫地銜接。

2.3 電子閥門(mén)端硬件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式時(shí)，考慮到信息傳輸?shù)木嚯x、外界環(huán)境的干擾，以及整體功耗和成本的因素，通過(guò)NRF24L01無(wú)線射頻方案進(jìn)行傳輸是較為合適的選擇。NRF24L01無(wú)線射頻單元工作在2.4～2.5 GHz之間，可進(jìn)行同時(shí)收發(fā)的操作，工作電流11.3 mA，工作溫度-40～+80 ℃，傳輸距離可以達(dá)到100 m，能滿足多用戶電子閥門(mén)的控制指令的傳輸操作[7]。NRF24L01電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 NRF24L01電路設(shè)計(jì)圖

2.4 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信端硬件設(shè)計(jì)

目前，憑借穩(wěn)定、可二次開(kāi)發(fā)和價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，ESP8266無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊應(yīng)用在很多物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。與主控芯片控制器采用串口的通信方式，供電電壓3.3 V，可作為服務(wù)器或客戶端。通過(guò)設(shè)置好的密碼，系統(tǒng)可自動(dòng)連接覆蓋在小區(qū)內(nèi)的WiFi網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)與主控制臺(tái)的雙向通信[8]。ESP8266無(wú)線網(wǎng)絡(luò)單元設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 ESP8266電路設(shè)計(jì)圖

2.5 溫度采集硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用單總線通信方案。一方面，涉及到的引腳較少，僅需要三個(gè)引腳；另一方面，這款傳感器價(jià)格低廉，比較適合量產(chǎn)開(kāi)發(fā)。溫濕度傳感器在工作時(shí)，數(shù)據(jù)在開(kāi)始信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)后開(kāi)始傳輸，共40位測(cè)量數(shù)據(jù)，分別是8位濕度整數(shù)、8位濕度小數(shù)，8位溫度整數(shù)、8位溫度小數(shù)和8位校驗(yàn)位。當(dāng)前面的溫濕度數(shù)據(jù)之和不等于最后一位校驗(yàn)位的數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)就會(huì)判斷這次的數(shù)據(jù)有誤，同時(shí)將這個(gè)數(shù)據(jù)刪除；每一次數(shù)據(jù)都是由50 μs的低電平時(shí)間間隔開(kāi)始。通過(guò)單總線被上拉成高電平的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)0和1并發(fā)送，等待數(shù)據(jù)傳輸一次后，溫濕度傳感器模塊再次進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待下一次數(shù)據(jù)的傳輸。DHT11電路設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖5 DHT11電路設(shè)計(jì)圖

3 部分軟件設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中，軟件設(shè)計(jì)主要包括主控制器的軟件編程設(shè)計(jì)。主控制器采集用戶家中的環(huán)境信息后，通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)傳送到總控制臺(tái)；由主控制臺(tái)通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶端控制器的過(guò)程中，控制器將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并通過(guò)串口發(fā)送給控制器后，由控制器與電子閥門(mén)端進(jìn)行指令的發(fā)送控制。軟件設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計(jì)框圖

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)搭建時(shí)，java目錄下所有代碼為后端服務(wù)代碼，resource目錄下為前端網(wǎng)頁(yè)和一些靜態(tài)資源文件。resource目錄下application.properties配置文件是SpringBoot的默認(rèn)配置文件。該文件中對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)連接，Tomcat訪問(wèn)端口以及MyBatis的xml文件進(jìn)行了配置[9]。logback.xml文件對(duì)日志功能進(jìn)行了配置，包括日志存儲(chǔ)位置，創(chuàng)建的日志文件的名稱以及日志記錄級(jí)別。mapper文件夾中存放MyBatis的記錄SQL語(yǔ)句的xml文件，templates文件夾中存放 HTML文件，static文件夾下是一些靜態(tài)資源文件，包括css樣式，js文件以及img靜態(tài)圖片文件[10]。

4 整體系統(tǒng)調(diào)試

整體系統(tǒng)調(diào)試主要分為兩個(gè)部分。第一部分是控制器與控制臺(tái)的通信，第二部分是主控制器與電子閥門(mén)端的通信。

4.1 控制器與控制臺(tái)通信測(cè)試

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)測(cè)試包括數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)和數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的測(cè)試。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)特征進(jìn)行分析，制定明確合適的測(cè)試計(jì)劃；通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程和系統(tǒng)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，分析系統(tǒng)存在的隱藏缺陷，為預(yù)防和修復(fù)漏洞提供建議。

各個(gè)用戶家中的主控制器在上電之后，ESP8266無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊會(huì)自動(dòng)連接到本地覆蓋的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將本次采集的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)上。登錄物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)后，可以查看到各個(gè)用戶家中主控制器與平臺(tái)連接的狀態(tài)，并對(duì)各個(gè)用戶控制器進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集和控制指令的發(fā)送等。硬件控制端還可以根據(jù)當(dāng)前溫度值自動(dòng)控制電子閥門(mén)的開(kāi)度。

4.2 控制器與電子閥門(mén)通信測(cè)試

在控制用戶家中的電子閥門(mén)時(shí)，采用一對(duì)多方案進(jìn)行控制，即每一家用戶都有一個(gè)控制器和多個(gè)可控的電子閥門(mén)，方便總控制臺(tái)獲取當(dāng)前用戶的環(huán)境信息后，進(jìn)行不同房間電子閥門(mén)的定向控制。這樣可以保證用戶家中達(dá)到基本溫度后，關(guān)閉無(wú)用閥門(mén)，節(jié)約能源。

裝置安裝圖如圖7所示。

圖7 裝置安裝圖

本次設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以較為方便地安裝在用戶家中。只需要在適合的空間放置控制器，連接到WiFi網(wǎng)絡(luò)上，與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通信成功后，就可以對(duì)用戶家中的電子閥門(mén)進(jìn)行開(kāi)關(guān)的控制。總控制臺(tái)也可以設(shè)定用戶家中的溫度閾值，當(dāng)溫度超過(guò)或低于閾值時(shí)，控制器會(huì)自動(dòng)與總控制臺(tái)通信，從而執(zhí)行關(guān)閉和打開(kāi)閥門(mén)的操作；在控制閥門(mén)中，會(huì)根據(jù)當(dāng)前至與閾值偏差來(lái)控制閥門(mén)的開(kāi)度大小，進(jìn)而保持室內(nèi)的溫度恒定。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的閥門(mén)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)是設(shè)計(jì)了從主控制臺(tái)到分用戶主控制器再到電子閥門(mén)端一體化的流程，既有利于在這三端進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信，又有利于相關(guān)部門(mén)對(duì)不同用戶進(jìn)行特定化的方案設(shè)計(jì)。系統(tǒng)在保證硬件成本的前提下，達(dá)到了節(jié)約能源，減少排放的目的。雖然本文對(duì)這一體化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，但是由于試驗(yàn)條件、人力物力等多方面的限制，所以本文僅是對(duì)于想法的初步設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單的測(cè)試，如果想對(duì)本文設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行一定的推廣和量產(chǎn)，還需要進(jìn)一步的優(yōu)化實(shí)踐，進(jìn)行整體系統(tǒng)的完善。