麻少軒 岳巨恒 曹鳳才

摘? 要：城市分戶供暖系統(tǒng)的研究提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的集中供暖分戶熱計(jì)量系統(tǒng)，在溫度面積法的熱量分?jǐn)偡桨傅幕A(chǔ)上，引入無線通信技術(shù)，建立了一種無線集中供暖分戶計(jì)量系統(tǒng)。系統(tǒng)選擇了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行熱量數(shù)據(jù)采集，建立了基于RSSI的機(jī)會(huì)路由的數(shù)據(jù)采集方法，同時(shí)還引入管理服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程終端和控制，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和管理目的，從而實(shí)現(xiàn)了這種集中供熱分戶計(jì)量方案。

關(guān)鍵詞：集中供暖;機(jī)會(huì)路由;數(shù)據(jù)采集;控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TU832.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）20-0169-03

Research on Urban Household Heating System

MA Shaoxuan1，YUE Juheng2，CAO Fengcai3

（1.Inner Mongolia Mengdong Energy Co.，Ltd.，Hulunbuir? 021099，China;2.Shanxi Luneng Hequ Power Generation Co.，Ltd.，Xinzhou? 036599，China;3.School of Electrical and Control Engineering North University of China，Taiyuan? 030051，China）

Abstract：The research on urban household heating system puts forward a central heating household heat metering system based on the internet of things. On the basis of the heat apportion scheme of the temperature area method，wireless communication technology is introduced to establish a wireless central heating household metering system. The system selected a wireless sensor network for thermal data collection，established an RSSI-based opportunistic routing data collection method，and also introduced a management server for remote terminals and control to achieve the purpose of remote data collection and management，and finally achieved this central heating household heat metering plan.

Keywords：central heating;opportunistic routing;data collection;control system

0? 引? 言

目前北方的供暖方式大都采用的是集中供暖，尤其是地市級(jí)城市和縣城，這種供暖方式的優(yōu)點(diǎn)是管路簡(jiǎn)單，但在進(jìn)行供暖計(jì)費(fèi)時(shí)，采用的方法大都是根據(jù)加熱面積來進(jìn)行計(jì)費(fèi)，這種方法很難滿足節(jié)能減排的要求，存在很大的資源浪費(fèi)，并且導(dǎo)致環(huán)境和空氣的污染較為嚴(yán)重，同時(shí)用戶的熱舒適性也難以滿足。基于以上問題，本文研究了一種城市分戶供暖系統(tǒng)，利用無線傳感器組網(wǎng)，根據(jù)供熱站對(duì)各用戶所提供的熱量來進(jìn)行計(jì)費(fèi)，這樣能很好地滿足家庭溫度測(cè)量要求。也就是基于溫度面積法的分戶計(jì)量方法，設(shè)計(jì)并建立相應(yīng)的供暖分戶熱計(jì)量系統(tǒng)。為滿足數(shù)據(jù)傳輸安全性要求，用管理服務(wù)器對(duì)遠(yuǎn)程終端和秘鑰的管理模式，更好地進(jìn)行監(jiān)管。

1? 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

這種系統(tǒng)的組成單元主要有收集終端用戶組，管理、網(wǎng)絡(luò)、程序服務(wù)器，而其中的終端用戶組包含的單元主要有獲取終端和協(xié)調(diào)中心節(jié)點(diǎn);在系統(tǒng)運(yùn)行過程中程序服務(wù)器可采集和存儲(chǔ)遠(yuǎn)程控制指令，且進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)處理操作;網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器則進(jìn)行一定接口配置操作;而相應(yīng)的管理服務(wù)器則可起到主要控制功能，在運(yùn)行中管理服務(wù)器可對(duì)其他單元進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮f(xié)調(diào)。用戶的密碼功能在移動(dòng)設(shè)備和Web終端上操作，且能監(jiān)控設(shè)備是否正常運(yùn)行及故障提示。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

2.1? 熱量分配處理

本系統(tǒng)主要通過溫度面積法進(jìn)行熱量分配處理。溫度面積法的操作難度小，在實(shí)際的應(yīng)用中，主要是將室內(nèi)溫度控制器安裝在用戶室內(nèi)，從而可滿足相應(yīng)的溫度測(cè)量要求。溫度檢測(cè)閥安裝在建筑物的熱量入口處，就可確定出單個(gè)建筑物的熱量，在熱量分配時(shí)基于用戶區(qū)域和舒適度處理，也可以有效地避免鄰居之間負(fù)荷分配不均引起的熱分布不均的問題。

溫度面積法在應(yīng)用中需要基于熱用戶的熱損失進(jìn)行相應(yīng)耗熱量計(jì)算，對(duì)應(yīng)的表達(dá)式如下：

Q0=qv∫（tin-tout）dt

其中，Q0為熱用戶在供暖條件下對(duì)應(yīng)消耗熱量，v為不熱用戶房間體積，t為溫度。在實(shí)tin為熱用戶輸入溫度，tout為輸出溫度。際的計(jì)算過程中對(duì)一個(gè)單棟建筑，結(jié)構(gòu)保持一致情況下，q基本上不變，同樣的室外溫度情況下，對(duì)比分析可知耗熱量只與室內(nèi)溫度有關(guān)。

當(dāng)滿足同一建筑物中不同位置用戶的中等熱量要求時(shí)，根據(jù)適當(dāng)?shù)年P(guān)系分配熱量，以滿足相同的舒適性要求需要，在此建立了相應(yīng)的溫度采集機(jī)制。

2.2? 供暖分戶計(jì)量系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

針對(duì)溫度面積法進(jìn)行熱量分配時(shí)，溫度檢測(cè)設(shè)備容易安裝，且對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性也明顯的提高，可更好地滿足舒適度要求，這些是設(shè)置熱量計(jì)量系統(tǒng)的主要考慮因素。本文對(duì)此進(jìn)行具體分析而選擇了基于物聯(lián)網(wǎng)的集中供熱和家庭供熱計(jì)量系統(tǒng)。

2.3? 用戶采集終端

溫控器節(jié)點(diǎn)在安裝過程中一般都部署在熱用戶房間內(nèi)部，可用于對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行檢測(cè)，也可以根據(jù)用戶設(shè)定的溫度，而對(duì)球形閥門的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度舒適性要求。

本文在研究過程中綜合各方面因素進(jìn)行分析，選擇了電子式溫控器進(jìn)行溫度信號(hào)的采集[2]。這種溫控器測(cè)量溫度時(shí)應(yīng)用了電阻感溫模式，其特征表現(xiàn)為穩(wěn)定性高、體積小，有極高的適用性，在分戶計(jì)量系統(tǒng)中的應(yīng)用比例較高[3]。

溫控器的組成單元包括無線通信模塊，LCD斷碼顯示屏、按鈕按鍵、控制單元和傳感器等。其硬件原理框圖如圖1所示。

3? 數(shù)據(jù)采集方法的實(shí)現(xiàn)

協(xié)調(diào)中心節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)稱協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。終端用戶組中的協(xié)調(diào)器運(yùn)行期間，數(shù)據(jù)主要基于無線網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器交換，而內(nèi)部節(jié)點(diǎn)則依靠無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[4]。無線網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)勢(shì)為：

（1）安裝和布線簡(jiǎn)單，在安裝過程中不需要大量的改造住戶房間，相應(yīng)的布線成本較低，有較高的適用性。

（2）適應(yīng)性較好。對(duì)不同類型的建筑都可滿足應(yīng)用要求。

（3）擴(kuò)展性高。

不過這種傳輸模式也有一定的缺陷，具體表現(xiàn)為數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詿o法保障。本文在研究過程中具體分析了這種問題，設(shè)計(jì)了基于RSSI的無線機(jī)會(huì)路由的數(shù)據(jù)采集模式，且根據(jù)先前劃分的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)結(jié)果，建立協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸路徑。在回傳數(shù)據(jù)期間，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)，這樣可大幅度減少采集時(shí)間。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采集相關(guān)的程序偽代碼為：

for i=1 to ThermostatNum do? ? // Thermost atNum表示溫控器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)

if ！Is Collected. （i） then? ? ? ? //溫控器節(jié)點(diǎn)i是否已經(jīng)被采集過

SenC ol lect D ata Frame （i）? ? ? ? ?//構(gòu)造數(shù)據(jù)采集命令幀，并通過si4432芯片發(fā)送

OpenTimer （i）? ? ? ? ?//開啟定時(shí)器等待備選節(jié)點(diǎn)回復(fù)ACK

end if? ? ? ? ? ? ? ?//處理定時(shí)器中斷

function Timer IRQHandler （message） do

If ReceiveAck then? ? //判斷是否接受到來自備選節(jié)點(diǎn)的ACK確認(rèn)

Retransmission （message）? //對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行重傳

Else

Broadcast （message）? ? ? //廣播ACK數(shù)據(jù)包，收到該數(shù)據(jù)包備選節(jié)點(diǎn)清空發(fā)送緩存

end if

end f unction

備選節(jié)點(diǎn)在實(shí)際的運(yùn)行過程中收到來自發(fā)送節(jié)點(diǎn)信息情況下，應(yīng)該根據(jù)接收到的RSSI信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行分析，確定出優(yōu)先級(jí)，基于此優(yōu)先級(jí)結(jié)果而適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行時(shí)間退避和回傳ACK操作，滿足對(duì)應(yīng)的通信功能要求。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，通過上述操作就可以滿足溫度數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集要求，且對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，同時(shí)傳輸采集的溫度信息到服務(wù)器[5-7]。對(duì)比分析可知這種方式的數(shù)據(jù)傳輸可靠性明顯的提高，可更好地滿足應(yīng)用要求，此外節(jié)點(diǎn)拓展性增強(qiáng)，因而總體上看表現(xiàn)出較高的應(yīng)用價(jià)值。

數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)目煽啃詫?duì)這種系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)有重要的意義，可有效地保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，且可滿足相應(yīng)的精確性要求。而溫度精度是測(cè)量溫度面積主要影響因素，因而應(yīng)該對(duì)其精度進(jìn)行高效的控制。基于溫度面積法的熱測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用過程中由于缺少監(jiān)視手段，若同一建筑物中某一熱用戶長(zhǎng)時(shí)間打開窗戶或干擾溫度傳感器等異常行為，導(dǎo)致大量的熱損失造成室溫較低。這些流失的熱量使同一建筑物中的其他熱用戶的熱量就會(huì)被造成熱損失的用戶共享，這是不均衡且不合理的。

在進(jìn)行計(jì)費(fèi)分?jǐn)倳r(shí)，為保證用戶熱量分?jǐn)偟墓叫?，?duì)這種異常行為引發(fā)的熱量損失，一般當(dāng)作為住戶熱費(fèi)的可調(diào)部分，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算和分?jǐn)?，更好地滿足分?jǐn)傄蟆?/p>

4? 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于RSSI機(jī)會(huì)路由的數(shù)據(jù)采集算法，接著實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的集中供暖分戶熱計(jì)量系統(tǒng)，且對(duì)其進(jìn)行運(yùn)行分析。在過程中根據(jù)實(shí)時(shí)的運(yùn)行結(jié)果，帶入相關(guān)的參數(shù)而對(duì)供熱數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)設(shè)定的判斷依據(jù)進(jìn)行分析，確定出是否存在異常用熱，在發(fā)現(xiàn)異常情況下進(jìn)行報(bào)警提示，在計(jì)算分析過程中，可基于相應(yīng)實(shí)際的室內(nèi)外溫度、閥門開度相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，從而確定出其中各用戶用熱情況，且根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定出是否符合用熱規(guī)律，然后根據(jù)分析所得結(jié)果對(duì)用戶是否存在異常用熱進(jìn)行判斷分析。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表1中8點(diǎn)到12點(diǎn)的用戶熱量消耗數(shù)據(jù)中，室外溫度上升了4.1℃，閥門開度基本不變情況下，而室內(nèi)溫度下降了2℃，從可以判定，該用戶存在異常用熱情況。由此，管理服務(wù)器即可進(jìn)行熱量協(xié)調(diào)，同時(shí)也是計(jì)費(fèi)參考依據(jù)。

5? 結(jié)? 論

傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)在應(yīng)用中沒有進(jìn)行終端用戶的監(jiān)督，不能滿足用戶舒適度需求，且可能導(dǎo)致盜熱問題，因而有明顯的應(yīng)用局限性，偏離國(guó)家節(jié)能減排發(fā)展方向。本文對(duì)這些問題進(jìn)行具體分析，并參考此方面的大量文獻(xiàn)而設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的分戶熱計(jì)量系統(tǒng)，且實(shí)現(xiàn)了其功能。對(duì)用戶異常用熱行為可進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)行合理的用熱管理。這樣可更好地滿足熱用戶舒適度要求，有利于形成良好的節(jié)能意識(shí)。

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作者簡(jiǎn)介：麻少軒（1986.03—），男，回族，山東德州人，主控機(jī)組長(zhǎng)，助理工程師，本科，研究方向：火電廠熱控自動(dòng)化技術(shù)。-