多功能自动供暖控制系统

崔羊威（通讯作者），杨洋

（漯河职业技术学院，河南漯河，462002）

0 引言

目前，农村或城市供暖受到能源、供暖距离等多方面的限制，农村采用集中供暖成本太高，用户只能采用暖炉或空调供暖，暖炉燃烧煤炭污染环境，且可能造成CO 中毒；空调制热供暖效率低，制热效果差，电量消耗大，且没有自动换风系统，室内空气质量变差，容易引发呼吸道疾病。城市采用集中供暖的方式，但多数住户没有换风系统和报警系统，长时间未开窗通风导致细菌滋生引发疾病等，多功能供暖控制系统采用电热水器和天然气两种加热方式提供热源，对于个体供暖和集中供暖都适用，系统排出的水经过循环之后再次进入系统进行加热，整个系统节能环保，还能实时监测室内的空气质量，且能连入物联网。

1 系统总体方案

多功能自动供暖控制系统由远程终端、控制中心和供暖控制子系统三个部分组成。远程终端完成指令的发送和接收，控制中心完成指令的解析、转发以及整个系统参数的显示等功能。供暖控制子系统完成冬天家用供暖功能以及室内空气质量调节、温湿度自动调节以及参数设置等功能，可被控制中心和远程终端控制。整个供暖控制子系统可采用电热水器、天然气这两种方式提供热源，也可采用两种加热方式混合供暖，三种供暖形式通过MCU 控制两个电磁阀[1]完成切换。系统可在TFT 彩屏上显示对应供暖方式、当前室温、当前水温、室内CO2含量、温湿度等相关参数，多功能自动供暖控制系统的总体框图如图1 所示。

图1 系统总体框图

控制中心采用低功耗单片机MSP430F149作为控制器，供暖控制子系统采用32 位的STM32F103C8T6 作为控制器。整个系统有两种控制方式，第一种是远程终端给控制中心发信息，控制中心的GPRS 模块接收到指令后通过串口发给控制中心，控制中心解析后通过LoRa 无线射频模块发送给供暖控制子系统，供暖控制子系统接收后进行解析，根据远程终端指令选择供暖方式，实现供暖方式切换、以及对加湿器、自动窗的控制。第二种方式是供暖控制子系统自动实现控制，温湿度传感器检测到室温达到设定值后，关断电磁阀，温度下降到设定下限后，自动开启电磁阀供热水提高室温；温湿度传感器检测到室内湿度过低后自动开启加湿器并声光报警，湿度达到设定值后自动关闭加湿器；CO2传感器检测到CO2含量过高时，自动开窗进行换风，CO2含量降低到下限后，自动关窗。下面逐一分析远程终端、控制中心、供暖控制子系统的执行流程和原理。

2 系统硬件实现

■2.1 控制中心硬件设计

控制中心由单片机最小系统[2]、LoRa 无线通信模块、GPRS 模块[3]、对码键、功能键以及TFT 彩屏显示模块组成。GPRS 模块和MCU 采用串口协议进行通信，采用全透传的模式接收手机发来的命令；LoRa 无线射频模块和单片机采用SPI 协议进行通信，LoRa 无线射频模块和单片机通信的硬件电路如图2 所示。

图2 LoRa 无线射频模块电路

LoRa[4]无线射频模块的核心是SX1276/8 系列的扩频调制射频芯片，采用扩频调制技术，功耗低，休眠电流0.2uA，接收电流12mA，发射电流29mA@13dBm，和常见的GFSK 芯片Si4438 和CC1125 接近，但是通信距离是GFSK芯片的3 倍。

对码键是控制中心和多个子系统组网时的配对按键，只有和控制中心配对成功的子系统才能和控制中心进行通信，配对的原理是配对双方都按下对码键，控制中心向子系统发送子系统的地址，子系统接收到地址后将地址保存到flash内部，以后启动时首先读取地址，子系统接收数据后首先对比地址是否和自己相同，相同的话对数据进行处理，否则不做任何处理，控制中心和下一个子系统配对时，发送的地址自动增加，以此来区分是给谁的数据。功能键是为了设置温湿度上下限以及供暖形式。

■2.2 供暖控制子系统硬件设计

供暖控制子系统的硬件电路主要包括供暖方式切换电路、湿度调节电路、温度调节电路、空气质量调节电路、管道压力调节电路、功能键电路。

2.2.1 供暖方式切换电路设计

供暖方式切换分为手动模式和自动模式，手动模式使用功能键用来选择供暖方式；自动模式主要根据水温调节三种供暖方式，温湿度传感器检测到室温达到设定值后，关断进水电磁阀，温度下降到设定下限后，自动开启进水电磁阀供热水提高室温，换水时先打开放水电磁阀，再打开进水电磁阀将热水注入到暖气片或地暖中。系统排出的水经过循环之后再次进入系统进行加热，更加的节能环保，并可在TFT 彩屏上显示对应供暖方式，当前室温、当前水温、室内CO2含量、温湿度等相关参数，温度的上下限设置由功能键完成，供暖方式切换电路如图3 所示。

图3 供暖方式切换电路

2.2.2 湿度调节电路设计

对于自动调节模式，当空气湿度小于设定下限的时候，控制继电器吸合，让加湿器开始工作，当湿度达到设定上限时，三极管驱动继电器断开，加湿器停止工作。温湿度的上下限设置由功能键完成。

2.2.3 空气质量调节电路设计

室内空气质量检测采用TVOC 型气体空气质量传感器[5]，采用IIC 协议和单片机进行通信，对于自动调节模式，当CO2含量超过设定上限时，电机驱动模块驱动步进电机正转，推动窗户打开，当CO2含量低于设定下限时，电机驱动模块驱动步进电机反转，关闭窗户。CO2含量的上下限设置是由功能键完成，步进电机驱动电路如图4 所示。

图4 步进电机驱动电路

3 软件实现

■3.1 程序流程图

多功能自动供暖控制系统由3 部分组成，远程终端完成指令的发送和接收，控制中心完成指令的解析和转发，以及整个系统参数的显示，供暖控制子系统完成冬天家用供暖功能以及室内空气质量调节、温湿度自动调节以及参数设置等功能，室内空气质量不达标系统自动调整门窗、加湿器，并进行声光报警。供暖控制子系统初始化后，判断温度是否在设定范围内，如果超出范围进行温度调节，如果不超标判断湿度是否在设定范围内，超出设定范围进行湿度调节，如果没有超出设定范围，判断CO2含量是否超出设定范围，超出设定范围调用空气质量调节系统进行空气质量调节，供暖控制子系统的流程图如图5 所示。

图5 供暖控制子系统流程图

■3.2 通信协议

远程终端给控制中心发指令，控制中心上的GPRS 接收到指令后，经控制中心解析后转发给各个子系统，因有多个子系统和控制中心通信，所以要制定相应的通信协议，供暖控制子系统接收到指令后，可进行相应的控制，子系统和控制中心的通信协议如表1 所示。

表1 子系统和控制中心的通信协议

4 结语

多功能自动供暖控制系统解决了冬天没有暖气的问题，系统根据远程终端指令、手动按键或根据室温自动调节三种供暖方式。系统可根据空气质量进行声光报警、自动启动加湿器或打开门窗进行通风，可在TFT 彩屏上显示对应供暖方式、当前室温、当前水温、室内CO2含量、温湿度等参数。且系统可进行远程控制，并能组网控制，扩展方便，系统排出的水经过循环之后再次进入系统进行加热，更加的节能环保。该系统采用多种传感器进行室内空气质量检测，能有效避免呼吸道疾病的发生。