基于太陽能及液體儲能的智能崗亭溫控系統

梁麗勤,余牧舟,楊俊峰,羅銳捷,王子涵,劉 揚

(東北大學 秦皇島分校 a.實驗教育中心； b.控制工程學院，河北 秦皇島 066004)

崗亭是指值崗警衛的小屋或亭子，廣泛用于門衛安保、武警執勤、交警指揮、道路收費、停車場出入口、體育場館進出口、收費處、碼頭、治安哨所和小區門衛等室外場景. 它一般包括支撐柱、框架、圓弧群邊、外面板、內面板、崗亭內壁、底座、內吊頂、外頂、活動門、活動窗、配置(日光燈、開關、電器插座、排氣扇、地板)，有時也會加配工作臺面、空調架等. 一般要求內導式排水結構，無屋檐滴水，雨天方便出入，密封性及隔音性能好，夏天隔熱，冬天保溫. 但傳統崗亭依舊有很多不足之處. 例如大多數崗亭能源消耗都來自外接電源，特別是在冬季供暖方面，多采用空調供暖，這樣一方面會增加崗亭維護消耗成本，另一方面也不利于節能環保. 另外傳統崗亭在夏季或冬季等溫度極端季節需要消耗大量電能，再加上崗亭隔熱性能不佳，電能消耗更加明顯. 而針對目前問題，解決方法多采用新型的隔熱材料，或將集中供暖的暖氣管道修到崗亭附近，或在崗亭周圍安裝加熱管. 如在上海迅捷建筑配套工程有限公司其官網發布的一則產品介紹公告顯示，其研制的崗亭采取地輻熱供暖系統，崗亭底座為鋁花紋板長方體，中間設置有加熱管線，但這樣的設計也有一定弊端，整個供暖系統過于復雜，設計安裝維護成本較高，不易實現普及. 在墻壁材料方面，中國建材報2010年報告了天津的崗亭采用硅酸鹽綠色工藝水泥，摻加廢鋼渣、電粉灰及建筑垃圾等為原材料制作為崗亭墻壁，這樣的設計提高了崗亭的保溫性能，但其功能過于單一，且單純的材料改進無法實現智能溫度控制，因此，將新型的保溫材料與智能溫控加熱系統緊密結合才能起到“1+1>2”的效果.

本文所設計的智能崗亭，利用了單片機、醋酸鈉和現代信息技術等，在一定程度上解決了傳統崗亭維護成本高、耗電量大和隔熱性差等不足.

1 整體研究設計方案

1.1 系統整體設計

智能崗亭的設計方案分為系統硬件設計、系統軟件設計和互聯網+功能設計,如圖1所示. 首先，使用太陽能發電模塊，將太陽能轉換為電能存儲在蓄電池中，為所使用的STM32MINI型號單片機和SWD系列溫度傳感器和散熱芯片持續供電. 溫度傳感器將所測得的室內溫度數據傳輸給單片機，單片機通過已編入的程序判斷并對散熱片發出控制信號，實現散熱片散熱供暖. 除此，利用過飽和醋酸鈉溶液為輔助供熱裝置，其結晶過程釋放熱量來維持室內溫度. 在散熱片再次加熱時，醋酸鈉晶體將重新溶入其溶液中，實現醋酸鈉的循環利用. 其次，利用編程語言為單片機設定室內恒定溫度，并將其與溫度傳感器傳輸的溫度進行比較大小，單片機根據比較結果發出相應的控制信號. 最后，利用大數據，設計出能夠顯示實時溫度和耗電量的APP，并通過藍牙傳輸技術將單片機中的溫度傳輸到手機上.

圖1 系統整體設計與內部聯系示意圖

1.2 外觀造型及使用方式

智能崗亭由3部分構成：供電系統、加熱系統和控制系統，其外觀如圖2所示. 供電系統采用太陽能電池板為崗亭供給能源，利用白天儲蓄的電能為加熱系統供熱，為控制系統供電. 加熱系統以散熱片為主要供熱結構，利用太陽能電池板提供的電能加熱崗亭以提高其室內溫度. 同時加熱系統也將以過飽和醋酸鈉溶液為輔助供熱裝置[1]，利用醋酸鈉結晶過程釋放熱量維持室內溫度或減緩其下降速度. 在散熱片再次加熱時，醋酸鈉晶體將重新溶入其溶液中，實現醋酸鈉的循環利用. 控制系統采用STC89C52RC單片機控制，設定程序當崗亭室內溫度低于某一溫度閾值時啟動散熱片工作，當溫度高于某溫度閾值時停止散熱片，控制室內溫度在合適溫度間浮動，減少不必要散熱片工作而造成的能量損失.

圖2 智能崗亭的外觀造型圖

2 系統硬件設計

整個系統硬件部分由單片機STM32MINI核心控制模塊、溫度傳感器測溫模塊、散熱器模塊、太陽能發電系統模塊和醋酸鈉水溶液循環加熱模塊構成，如圖3所示. 其中，太陽能發電系統模塊為整個系統供電；溫度傳感器用于檢測外界溫度；單片機作為核心控制系統，可以在其中編寫溫控函數，同時，其可接受溫度傳感器發送的信號，并對散熱器模塊是否工作加以控制；醋酸鈉水溶液循環加熱模塊由飽和醋酸鈉水溶液構成，溫度降低，醋酸鈉晶體析出，放出熱量，實現加熱；散熱器模塊由32單片機控制，用于在溫度低于閾值時加熱醋酸鈉溶液，令析出的醋酸鈉晶體再次溶解到溶液中. 各模塊相互緊密聯系，密切配合，以實現智能溫度控制.

圖3 系統硬件設計總體關系

2.1 單片機模塊

單片機是整個控制系統的核心與靈魂. 本系統選擇STM32MINI型號單片機，其內核為Cortex-M3 32-bit RISC，其工作電壓在2～3.6 V，工作頻率在72 MHz，具有51個I/O口，具有啟動轉換、數據處理和計數等多種功能. 在單片機中寫入溫度控制函數，將17 ℃設置為是否加熱的零界溫度，其中2個I/O口用于接收溫度傳感器輸入的所測溫度，2個I/O口用于連接散熱片輸出控制信號. 如果傳感器傳送的輸入溫度值小于零界溫度，那么將會傳出控制信號，使加熱片加熱；如果傳感器傳送的輸入溫度值等于或者大于零界溫度，那么單片機不會輸出控制信號，散熱器停止工作[2].

2.2 溫度傳感器測溫模塊

該模塊使用SWD系列溫度傳感器，該傳感器是鉑金制成的測溫度的電阻器，可用來測量各種液體、氣體等流體的溫度. 具有精度高、分辨度好、安全可靠、使用方便等優點，也可以直接測量生產過程中的液體、蒸汽和氣體介質的溫度. 在本系統中，SWD溫度傳感器利用鉑金屬(PT100)在崗亭室內溫度變化時自生電阻也隨著變化的特性來測量溫度. 受熱元件是細鉑絲，均勻地雙繞在絕緣材料制成的骨架上，工作范圍為-200～650 ℃[3]. 因此可以作為本文的測溫儀器. 工作原理以及電路設計如下：

整個電路分為2部分,一是傳感器前置放大電路,一是單片機 A/D 轉換和顯示、控制、軟件非線性校正等部分.

按照PT100的參量,其在0～500 ℃的區間內,電阻值為100～280.9 Ω，按照其串聯分壓的啟發，使用公式[3]：

可以計算出其在整百℃時的輸出電壓,V0的單位為mV.

開篇抒寫自己有好古的道德情操，希望輔佐明主，像姜子牙遇到周文王那樣風云際會。濃墨重彩地鋪敘自己承詔入宮，侍候翰林，受天子賞識、名揚天下的人生順境，一旦失勢后身如飄蓬。

單片機的10位A/D在滿度量程下，最大顯示為1 023字，為了得到 PT100 傳感器輸出電壓在顯示500字時的單片機A/D轉換輸入電壓，必須對傳感器的原始輸出電壓進行放大，放大倍數β[4]為

當系統供電VCC=5 V時，可以得到放大倍數β=10.466 .

從傳感器前置放大電路輸出的信號被發送到 HT46R23 的 A/D 轉換輸入端口(PB0/AN0)，由單片機做必需處理. 首先是進行軟件非線性校正，把輸入信號按照不同的溫度值劃分為不同段，再根據其所在的段分別乘以不同的補償系數，令其與理論值盡量接近，經過非線性校正的數值，作為最終的輸出信號，并與所設定的溫度控制值進行比較.

2.3 散熱器模塊

散熱芯片功率的大小與室內面積成正比. 由于室內體積不大所以10 W的散熱片即可滿足加熱需求.

散熱片的核心是1組加熱電阻絲，當控制信號進入時，根據電流的熱效應，發熱電阻會產生熱量，并通過風扇將熱量傳至整個室內，從而提高室內溫度.

2.4 太陽能發電系統模塊

實驗使用的電池板由晶體硅制成. 其由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池(組)等部分組成. 各部分的作用為[5]：

1)太陽能電池板. 太陽能電池板是太陽能發電系統中的核心部分，將太陽的輻射能轉換為電能，或者送往蓄電池中存儲，或者推動負載工作[6].

2)太陽能控制器. 太陽能控制器的作用是控制整個系統的工作狀態，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用. 在溫差較大處，合格的控制器還應具備溫度補償的功能. 其他附加功能如光控開關、時控開關都應當是控制器的可選項[7].

3)蓄電池. 一般為鉛酸電池，小微型系統中也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池. 其作用是在有光照時將太陽能電池板所發出的電能儲存，需要時再釋放出來[5].

2.5 醋酸鈉水溶液循環加熱模塊

由于醋酸鈉在水中溶解度非常好，利用飽和醋酸鈉水溶液結晶原理，當溫度一旦降低，醋酸鈉就會結晶而放出一部分熱量，加熱使室內溫度. 而當溫度由散熱片再次加熱升溫之后，結晶的醋酸鈉就會重新溶解. 當溫度再次降低時，醋酸鈉再次結晶放熱而加熱. 在整個過程中，由于溫度的變化不大，所以醋酸鈉的結晶與溶解基本可以實現飽和溶液的結晶放熱和生成飽和溶液，進而實現水溶液的循環加熱功能[10].

3 系統軟件設計

程序主要有溫度初始化設定、傳感器輸入溫度模塊、溫度大小判斷模塊、輸出控制信號模塊和藍牙通信模塊. 系統上電后，單片機通過reset按鍵復位，程序運行到主函數開始處進行各模塊初始化，其中包括系統時鐘信號初始化，設置單片機波特率為9 600 bit/s，設置初始溫度值為18 ℃，單片機數據傳輸端口1，2和3初始化，工作指示燈初始化等[11]. 在當前溫度數據通過端口1傳入單片機后，程序是在if判斷語句的控制下完成對當前溫度和設定初始溫度大小的判斷，如果當前溫度數據小于初始溫度，單片機將此時的溫度通過端口3傳輸給電腦，即電腦顯示當前溫度. 并且單片機通過端口2將控制信號發送給散熱片，散熱片內部發熱電阻開始發熱[12]. 如果當前溫度數據大于初始溫度，單片機再次把數據通過端口3傳輸給電腦，但不會將控制信號發送給散熱片. 單片機通過散熱片控制溫度以完成提高溫度的過程的流程圖與相關程序代碼如圖4～5所示.

圖4 系統軟件設計流程圖

圖5 部分程序代碼

4 “互聯網+”功能實現

本溫度控制系統融合了“互聯網+”概念，既有相關APP可供保安人員了解當前室內溫度信息，也有大數據服務平臺進行相關的數據挖掘. 該溫度控制系統可以與不同保安人員進行“一對一”的相互交流，實現智能化效果.

4.1 APP主要功能和界面設計

4.1.1 登錄界面

在登錄界面，使用者需要輸入賬號和登錄密碼，供服務端進行登錄驗證. 使用者在登錄后可以按照操作填寫相關數據，包括崗亭編號，設定零界溫度等信息. 這些信息被儲存到云端崗亭溫度控制信息數據庫，供相關人員使用.

4.1.2 主界面

手機APP系統的實現采用WeX5作為開發工具，WeX5開發的手機應用移植性好，也可以調用本地的硬件資源，用戶體驗優良[13]. 在APP主界面，安保人員可以看到當前室內溫度，升溫耗電量等信息. 使用者點擊左下方的“溫度變化”還可以查看1周至1個月的室內溫度變化情況，溫度變化情況以曲線圖的形式展現. 手機與訓練器之間保持藍牙連接，數據互相同步并被儲存到云端，避免相關數據丟失.

5 實驗與結果分析

5.1 實驗前期準備

為了更好地驗證系統的可靠性與靈敏性，制作了整套智能崗亭溫控系統的模型，通過等比例縮放來恰當用實驗數據反映現實情況. 整套系統中，智能崗亭模型選用12 cm×6 cm×6 cm的玩具警車；核心控制模塊選用STM32F103型單片機；溫度檢測裝置選用DS18B20溫度傳感器；加熱裝置選用功率為10 W的加熱芯片；過飽和醋酸鈉水溶液選用溶解度為124 g/100 gH2O的無水乙酸鈉500 g配置；供電裝置選用功率為25 W的SWM25M125單晶硅太陽能電池板(線度為1 mm2，線纜長度為1 m，尺寸為426 mm×446 mm×28 mm，質量為2.7 kg)[14].

5.2 實驗過程

將整個實驗裝置放置在露天環境中，將溫度傳感器放入崗亭模型中，將其5 V端口通過USB轉TTL線接入太陽能電池板連接的穩壓源上；GND引腳用導線與STM32單片的GND引腳相連接，實現共地接法；TX引腳與單片機Pb11引腳連接，RX引腳與單片機Pb10引腳連接,實現與單片機的通信；STM32單片機在崗亭外部，其TX與RX引腳、GND引腳通過USB轉TTL接頭連接到筆記本電腦上，便于將實驗數據傳輸到電腦的串口上，便于后期數據處理、分析[15]，同時，單片機的3.3 V引腳與太陽能電池板連接的穩壓源連接；加熱芯片在與單片機連接，其放置進裝有醋酸鈉過飽和溶液的袋子里，再將袋口密封好；太陽能電池板放在向陽處，設置好角度. 最后，在溫控模塊編程程序中將最低閾值溫度設置為22 ℃，即低于此溫度后，單片機控制加熱芯片工作，加熱醋酸鈉溶液，將結晶析出的醋酸鈉晶體再次溶進水中.

測試時間為24 h，從2018年3月3日早上7點到3月4日的早上7點，測試地點位東北大學秦皇島分校基礎樓2樓陽臺，北緯N39°55′39.23″ 東經E119°38′9.39″.

待24 h電腦采集好數據后進行分析處理. 時間上選取19:00到次日7:00，每隔30 min記錄1次溫度數據，將整理出的溫度與時間數據制成隨時間變化的曲線圖，如圖6所示.

圖6 θ-t圖像

5.3 數據分析

通過數據分析，醋酸鈉飽和溶液可用于散熱時間約為1 h，加熱芯片加熱時間約為10 min，溫度在夜晚的12 h中，規律地在22～25 ℃上下波動，證明該系統能夠有效、靈敏、較為準確地實現溫度測量和溫度控制.

6 結束語

設計了基于太陽能及液體儲能的智能崗亭為例，具體闡述了其工作原理、軟硬件實現過程以及實驗結果. 該系統采取了智能控制技術，并且與互聯網相結合，十分智能可靠地實現了崗亭的溫控取暖，同時，其采取的清潔能源與可循環利用材料也順應了當下節能減排，低碳生活的大主題.