基于ZigBee的公寓電供暖溫控系統設計與實現

寧蒙

摘要：出于節能減排的需要，一些學校的公寓供暖采用了電供暖方式，在供暖管理系統中，溫度檢測和電源控制和信號傳輸是關鍵環節，為便于后期管理和維護升級，可采用滿足短距離、低功耗的無線通信技術來收集和傳送數據。本文介紹一個基于Zigbee的學校公寓電供暖溫控系統的具體實現。

關鍵詞：Zigbee；無線傳感器網絡；多點溫度采集

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）01-0164-01

某校為一所寄宿制學校，學校共有三棟公寓樓，均為相同結構的六層建筑，供暖采用電供暖。原有的電供暖系統的溫控方式是在每個房間布設基于有線網絡的網絡溫度檢測與電源控制模塊，數據統一上傳到集中控制器，并根據用戶設置給出的溫度控制信息進行比較，對各房間的供暖設備控制啟動與關閉，進而達到調節溫度的目的。在實際運行中，這種模式一旦網絡終端與控制模塊接觸不良或損壞，將直接導致系統崩潰，系統復雜并且可擴展性、可管理性比較差。經過幾年運行，需要在現有基礎上對溫控系統進行升級改造。經過多方論證，決定采用基于Zigbee模式的公寓電供暖溫控系統。

1 電供暖溫控系統設計思路和框架

因為是舊系統改造，結合以往使用中的經驗，經過廣泛征詢總務部門及公寓管理部門和學生管理部門的建議，對公寓溫控管理系統提出以下需求。

（1）各溫度傳感測量節點模塊應便于布設和管理，并可以實時進行數據采集和傳輸，數據傳輸應采用無線自組網方式。

（2）電暖氣的電源啟停可以在每個樓層的專用電源箱中設置智能電控模塊進行管理。

（3）考慮實際應用，可以使用數據分析處理機進行數據集中匯總和溫度集中控制。同時，也應支持管理員通過手機APP獲取樓層各個房間狀態信息并臨時進行遠程控制。

（4）除了集中溫控功能以外，可以由管理員設置人工強制方式、定時方式，并將管理策略下達到智能電控機存儲。

（5）網絡信號中斷或主控部分異常情況下，智能電控模塊可以自動判斷，并可根據預設值自動進入時間段供暖方式進行，設置為在線模式和離線模式運行，增強整個系統的穩定性和可控性。

（6）系統應該能夠提供數據分析與報表功能，對供暖連續不達標及過熱現象自動預警。

從溫控系統整體設計來說并不復雜，其工作流程是獲取實時房間溫度信息，上傳服務器，并根據預設值下達電暖氣電源啟停指令，從而實現溫控。根據上述用戶需求，考慮到目前物聯網技術已經相對成熟，可以采用Zigbee技術來實現上述功能。

ZigBee最大的特點就是低功耗、低成本、可組網、穩定可靠，各個節點可以相互協作建立它們之間的雙向連接，自主實現網絡初始化、監測任務啟動和網絡故障自我修復等一系列工作。特別是其帶有路由的可組網功能，Zigbee覆蓋的通訊面積最大限度的擴展，比較適合溫度控制這樣的數據流量小的業務。因此本系統決定采用基于Zigbee的無線自組網模式來設計公寓電供暖溫控系統。系統采用全IP技術，末端設備基于Zigbee技術，并借助“云”技術實現遠程移動控制。

2 電供暖溫控系統設計與實施

系統采用基于Zigbee網絡的無線方式通過溫度測量節點收集公寓各個房間的溫度實時數據，并傳輸至樓層Zigbee數據匯聚器，經過匯聚后通過網絡連接到數據分析處理機，并保存到數據庫以實現數據的統一管理。根據管理策略由數據分析處理機或手機APP向各樓層數據匯集器下達控制指令，并向樓層電暖氣電氣控制箱中的智能電源控制模塊下達啟停命令實現電供暖溫度控制。

2.1 系統整體設計

公寓電暖氣控制系統主要由溫度采集、數據分析處理和供暖設備電源控制幾大部分組成。具體由以下幾部分組成：

（1）溫度采集模塊：采用基于Zigbee的無線溫度采集模塊，溫度傳感器模塊實現加入網絡、數據采集、數據存儲、數據上傳、通信等功能。通過各個溫度采集終端采集實時數據，無線傳輸至樓層數據匯聚器。

（2）樓層數據匯聚器。Zigbee終端的傳輸距離一般在10～75m的范圍內，依據發射功率的大小和應用模式仍可以繼續增加其傳輸距離。在每個樓層設置一臺Zigbee數據匯聚器，負責組建Zigbee網絡分配網絡地址的功能，完成溫度傳感器模塊與上位機數據的透明傳輸。同時該匯集模塊兼Zigbee網關，將對應信息同時上傳“云”，管理員可以通過其利用手機APP獲取樓層房間狀態信息并進行遠程控制。

（3）數據分析處理機：該機負責由樓層數據匯聚器轉發的各公寓樓每個房間的溫度狀態信息，將溫度采集終端反饋的數據匯總到數據庫，根據用戶預先的溫度控制方案下達控制信息。控制參數可以通過web 模式或手機APP方式設置并提供數據報表等服務。

（4）供暖設備控制（智能電控機），服務臺根據分析處理結果通過電控機控制供暖設備，將控制指令信號發送到樓層數據匯聚器，向每個樓層電暖氣控制箱中基于Zigbee的智能電控機發出啟停指令。智能電控機應能實現網絡數據傳輸，并可根據模式設置及網絡傳輸信號情況進行自動控制，可實現按預先設置模式脫機運行。應采用高穩定性和高質量、高功率交流接觸器滿足電暖氣系統啟停需要。

2.2 系統軟件設計

本系統的軟件部分主要是數據分析處理模塊（管理平臺）設計、修改數據匯聚器后臺接口數據、手機端APP設計以及智能電控機工作模式設置。

數據分析處理模塊主要用VS2005進行設計，主要是接收溫度數據并在監控界面顯示，并可設置管理策略，下達管理指令。同時管理平臺支持采用B/S（Browser/Server）結構，采用SQL SERVER 2005，利用ADO.NET技術將數據存儲到數據庫中。遠程WEB服務器使用微軟的ASP.NET技術開發了基于B/S架構的數據管理服務軟件，方便用戶隨時查看、統計數據。

數據匯聚模塊的軟件設計主要基于Z-Stack完成，主要完成組建網絡，收集溫度采集模塊上傳數據和將溫度數據信息通過網絡傳給上位機，并可具有小范圍管理功能，將數據通過“云”傳輸，并支持手機APP端進行監控和控制。溫度采集模塊主要負責通信協議定制、尋網、采集和存儲溫度數據、上傳給數據匯聚模塊。電控機模塊接受控制信號并作出相應啟停操作，還可以通過嵌入軟件將程序和配置文件自動下載至芯片中，包括后臺參數和工作模式修改及存儲保存。

本公寓電供暖溫控系統采用了Zigbee技術，系統運行可靠，管理便捷，提供了靈活的控制模式，達到了預期的目的。這也體現出zigbee技術在智能控制領域應用的廣泛前景。

Abstract：For the need of energy conservation and emission reduction， some school apartments heating is adopting electric heating method.In the heating management system， temperature detection and power control and signal transmission are the key links.For facilitate late-stage Management and Maintenance upgrade， wireless communication with low power consumption and short distance technology to collect and Transmit data.This paper introduces how to design and the realization of Electric Heating Temperature Control System in school apartment Based on Zigbee.

Key words：Zigbee；wireless sensor network；multi-point temperature acquisition