樓宇太陽能熱水工程集中化遠程管控系統(tǒng)

■ 付存謂李軍孫睿嚀左俊杰毛季靖沈夢佳郁棟

（1.浙江比華麗電子科技有限公司；2.中國計量學院機電工程學院）

樓宇太陽能熱水工程集中化遠程管控系統(tǒng)

■ 付存謂1*李軍1孫睿嚀2左俊杰2毛季靖2沈夢佳2郁棟2

（1.浙江比華麗電子科技有限公司；2.中國計量學院機電工程學院）

針對傳統(tǒng)太陽能熱水工程控制系統(tǒng)控制器或控制柜的缺點，研制了運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行監(jiān)視和控制的太陽能熱水工程系統(tǒng)，并從項目簡介、總體框架、所需技術(shù)、項目創(chuàng)新點和技術(shù)路線幾方面介紹此系統(tǒng)。本項目產(chǎn)品屬于新能源及節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品，克服了傳統(tǒng)控制器或控制柜的一系列缺點，具有很高的普及價值及未來進行技術(shù)升級的潛能，項目的成功開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化將對新能源產(chǎn)業(yè)及物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到巨大的推動作用。

太陽能熱水器 ；遠程監(jiān)控

0　引言

目前，太陽能熱水工程已憑借安全可靠、方便實用、節(jié)約能源、保護環(huán)境、有良好適應(yīng)性等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于我國各個領(lǐng)域?？刂乒裨谔柲軣崴刂祁I(lǐng)域占主導地位［1］，但存在監(jiān)控工作煩瑣、傳感器技術(shù)落后、壽命短、無太陽能能量計算及統(tǒng)計模型、無法為行業(yè)內(nèi)及國家提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)等缺點［2，3］。為了解決這些問題，我們研發(fā)了一種新型的樓宇太陽能熱水工程集中化遠程監(jiān)控系統(tǒng)，在解決以上問題的同時，還具備遠程監(jiān)控能力，可更加方便地控制太陽能熱水工程，并推動了新興能源產(chǎn)業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1　系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)在嵌入式Internet技術(shù)的基礎(chǔ)上，以ARM微處理器為中心來實現(xiàn)系統(tǒng)功能，同時在太陽能熱水工程檢測與控制系統(tǒng)中加入一個以以太網(wǎng)接口芯片為基礎(chǔ)構(gòu)建的嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可在有網(wǎng)絡(luò)的情況下利用賬號和密碼登錄與系統(tǒng)建立連接，實現(xiàn)對太陽能熱水工程的實時監(jiān)控，便于遠程操作人員對系統(tǒng)出現(xiàn)的問題及時進行改正，隨時對系統(tǒng)進行調(diào)整和維護。

項目及系統(tǒng)框架如圖1、圖2所示。

圖1　項目框架圖

2　項目技術(shù)

本項目的實現(xiàn)基于多項關(guān)鍵技術(shù)，基于水壓原理的水位傳感器技術(shù)，采用水壓0～0.05 Mpa，0～5000 mm水柱，溫度范圍為-40～150 ℃［4］。

在硬件方面，本項目為了解決以微控制器為核心的嵌入式系統(tǒng)接入Internet的問題，采用了嵌入式ARM微處理器結(jié)合通用的網(wǎng)絡(luò)接口芯片這一方法。系統(tǒng)內(nèi)部采用防雷電路，相比以往由防雷管單一保護的產(chǎn)品，有更大的耐壓能力和更穩(wěn)定的性能。本項目還應(yīng)用了供水循環(huán)流量控制技術(shù)，換熱器以“熱水出水量=冷水補水量+回水泵循環(huán)流量”為基準，合理控制供水壓力及流量。

圖2　系統(tǒng)框圖

在軟件方面，本項目中系統(tǒng)選擇采用嵌入式Linux作為嵌入式的實時操作系統(tǒng)，支持不同廠家太陽能熱水工程設(shè)備的異構(gòu)數(shù)據(jù)采集，并采用數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。本系統(tǒng)結(jié)合B/S結(jié)構(gòu)模型和嵌入式Web服務(wù)器于一體，最底層為B/S結(jié)構(gòu)，采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)；中間層為信息處理系統(tǒng)，將采集得到的實時參數(shù)寫入相應(yīng)層的Web服務(wù)器中并進行參數(shù)處理，包括統(tǒng)計、分析等；第三層為客戶端，經(jīng)中間層信息處理系統(tǒng)處理過的數(shù)據(jù)，會以網(wǎng)頁形式向第三層客戶端進行實時發(fā)送，客戶端可直接通過瀏覽器對系統(tǒng)進行實時監(jiān)測與控制，對其產(chǎn)生的問題進行快速的判斷與解決。同時，處理過的數(shù)據(jù)會進入數(shù)據(jù)倉庫，系統(tǒng)對收到的數(shù)據(jù)會自動完成統(tǒng)計、分析和處理。在設(shè)計系統(tǒng)時對熱量表和流量計等積分時間間隔采樣周期應(yīng)≤5 s［2］，因為太陽輻照在天氣多云時的變化比天氣晴朗時要快很多，設(shè)定小的采樣周期可減小誤差，提高精確度［5］。本系統(tǒng)還采用了Flash的方法，在Linux系統(tǒng)中利用網(wǎng)頁的實時刷新法使客戶端與系統(tǒng)之間進行信息交互。

本系統(tǒng)所使用的水溫水位傳感器為新型工藝制作，可有效防止結(jié)垢，且不易滲水，可承受較高溫度，有抗腐蝕性。

通過流量傳感器、溫度傳感器、水位傳感器和ARM微處理器，能夠計量所吸收太陽能的能量，并可換算成碳減排量，在技術(shù)上實現(xiàn)了公司正在參與起草的國家標準《太陽能熱水系統(tǒng)熱能計量與監(jiān)測規(guī)范》的規(guī)定要求。

本項目能實現(xiàn)雙熱水工程同時監(jiān)測與控制，并采用電力載波模式，可在用戶家里86盒開關(guān)的地方接上電力載波模塊，能通過電力線進行監(jiān)測與控制，大幅節(jié)約了系統(tǒng)的布線成本。

3　項目創(chuàng)新點

3.1創(chuàng)新點一

針對傳統(tǒng)電極式水位傳感器易損壞、壽命短的問題［6］，自主研發(fā)了一種耐高溫、耐腐蝕的二氧化硅多晶硅水位傳感器，可把水壓轉(zhuǎn)換成電信號輸出。采用耐溫200 ℃硅膠管將太陽能熱水器的水壓傳遞出來，將不耐高溫的電路部分放置在遠離高溫水箱處，利用硅膠管將空氣壓力信號傳輸?shù)剿渫獠康膫鞲衅髦黧w，通過檢測壓力信號變化精確判定水位。此設(shè)計改變了傳統(tǒng)傳感器浸泡在高溫熱水中采集水位信號的方式，大幅增加傳感器的使用壽命（10年），在降低傳感器更換頻率的同時，也提高了檢測的靈敏度和檢測精度。

圖3　本項目水位傳感器示意圖

當熱水水位達到太陽能控制儀內(nèi)置的預制水位高度時，太陽能熱水器水箱內(nèi)連接的硅膠管將太陽能水箱內(nèi)進水壓力通過硅膠管傳至壓力傳感器。由于硅膠管與壓力傳感器的連接是準密封狀態(tài)，開口端與太陽能熱水器內(nèi)部連接，當太陽能熱水器進水時，硅膠管內(nèi)平時常態(tài)的空氣隨著進水的增多、水位的增高而被壓縮，傳至壓力傳感器的壓力腔，使腔內(nèi)的空氣壓力增高，控制電路將檢測到與其對應(yīng)的電信號傳遞到太陽能控制儀上，感知太陽能熱水器內(nèi)進水已經(jīng)到達預置選定水位后，切斷進水電磁閥的電源。

技術(shù)優(yōu)勢：延長使用壽命，提高檢測精度、靈敏度及產(chǎn)品壽命，解決了導電性差及山區(qū)水質(zhì)不能使用智能化儀表的難題。

3.2創(chuàng)新點二

自主設(shè)計了以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的太陽能熱水工程遠程監(jiān)控系統(tǒng)，通過自主開發(fā)的遠程監(jiān)控軟件，使采集到的水位、水壓、水溫、流量等重要指標能夠?qū)崟r顯示在智能移動設(shè)備終端上，實現(xiàn)雙熱水工程遠程監(jiān)控、主動預警功能。

本系統(tǒng)將嵌入式系統(tǒng)與Internet結(jié)合，以ARM微處理器為中心來實現(xiàn)系統(tǒng)功能，同時在太陽能熱水工程檢測與控制系統(tǒng)中加入一個以以太網(wǎng)接口芯片為基礎(chǔ)構(gòu)建的嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。此外，自主設(shè)計了可在智能移動設(shè)備上運行的遠程監(jiān)控軟件，一旦遇到太陽能熱水工程系統(tǒng)故障，軟件會主動發(fā)出預警信號讓管理人員及時發(fā)現(xiàn)，并通過軟件做緊急處理，然后安排工作人員按事故原因進行維修。具體解決方案如下：

1）系統(tǒng)硬件平臺。硬件平臺（見圖4）將傳統(tǒng)的CPU換成了功能更強大的ARM，并在外圍接入溫度流量水位監(jiān)測、電壓電流功率因數(shù)監(jiān)測、鍵盤輸入、網(wǎng)絡(luò)通信等模塊及輸出控制交流接觸器［4］。網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60。

圖4　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2）嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的核心為嵌入式操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)的精確性強、可靠性高、響應(yīng)速度快，對系統(tǒng)的控制更精準、快速。本系統(tǒng)采用嵌入式Linux作為嵌入式實時操作系統(tǒng)，由Linux 2.0/2.4內(nèi)核派生，并以標準的Linux為基礎(chǔ)進行了適當?shù)牟眉艉蛢?yōu)化，在體積變小的同時保留了Linux穩(wěn)定、移植性好、網(wǎng)絡(luò)功能強大等優(yōu)點［7，8］，其內(nèi)部還嵌有TCP/IP協(xié)議，便于在各類處理器中使用，性能穩(wěn)定、使用方便［9］。

3）遠程監(jiān)測系統(tǒng)。在太陽能熱水工程監(jiān)測與控制系統(tǒng)中，遠程控制軟件有效提高了系統(tǒng)運行維護的主動性，提高了系統(tǒng)管理水平。本系統(tǒng)結(jié)合B/S結(jié)構(gòu)模型和嵌入式Web服務(wù)器于一體。

圖5　系統(tǒng)操作頁面圖

4）系統(tǒng)使用流程。通過遠程監(jiān)測系統(tǒng)對樓宇太陽能熱水工程集中化遠程管控系統(tǒng)完全實現(xiàn)了監(jiān)測功能，在客戶端中可通過用戶名和密碼進入系統(tǒng)操作頁面，可實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時監(jiān)測和控制，便于在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時做出及時修改和調(diào)整［7］。

本系統(tǒng)使用方式簡便易學且有較為完善的智能性，改進后使系統(tǒng)的使用更加安全，對系統(tǒng)的實時監(jiān)測與控制使系統(tǒng)更加精準。

3.3創(chuàng)新點三

為響應(yīng)國家“建立一個全國性的太陽能節(jié)能信息數(shù)據(jù)庫”的號召，基于本公司正在參與起草的國家標準《太陽能熱水工程熱能計量與遠程監(jiān)測》，本項目建立了熱能計量采集、計算模塊和數(shù)據(jù)庫。首先通過水位、溫度等傳感器采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)；然后通過熱能計量模塊換算出節(jié)能信息，架構(gòu)出節(jié)能信息數(shù)據(jù)庫；通過數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘，對熱水器工程系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進行分析處理，為國家太陽能節(jié)能信息數(shù)據(jù)中心提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。其中，熱能計量方法是至關(guān)重要的技術(shù)創(chuàng)新點。

太陽能熱水工程系統(tǒng)熱能輸入由太陽能集熱器回路、輔助熱源和耗電量組成［2］。為了準確地對三者進行區(qū)分和測量，應(yīng)對不同部分的熱量分別進行熱能測量，使計算研究所需的各項指標在使用時更為方便，也使計算結(jié)果更為精確。分別測量用戶得熱量（Quse）、太陽能集熱器（Qs）、用戶管路循環(huán)損失熱量（Qtc）、輔助熱源（Qaux）和耗電量（Qp），以實現(xiàn)系統(tǒng)整體熱能計量［2］。

圖6　太陽能熱水工程系統(tǒng)能量輸入輸出轉(zhuǎn)換圖

當系統(tǒng)的集熱回路和水箱之間以水為傳熱介質(zhì)時，有兩種方法可以測量太陽能供熱量。

方法一：用熱量表對太陽能供熱量進行測量。應(yīng)在集熱器陣列主管道上安裝熱量表溫度傳感器和熱量表流量傳感器。

方法二：對集熱器高溫點和低溫點分別進行流量測量，應(yīng)注意，選擇的高溫點t1測量點應(yīng)位于集熱器出水管道上，低溫點t2測量點應(yīng)位于集熱器進水管道上；然后根據(jù)式（1）計算得出太陽能供熱量Qs：

式中，cf為對應(yīng)于平均溫度的比熱容，J/ （kg·℃）；τ為積分采集時間間隔，s；mf為質(zhì)量流量，t/h。

4　項目主要技術(shù)指標（含檢測依據(jù)）及產(chǎn)品技術(shù)路線

依據(jù)國家標準GB 14536.1-2008《家用和類似用途電自動控制器 第1部分：通用要求》，本項目完成時應(yīng)達到的技術(shù)指標見表1。產(chǎn)品技術(shù)路線如圖7所示。

表1　技術(shù)指標

圖7　工作路線

5　結(jié)論

本文詳細介紹了一種新型的樓宇太陽能熱水工程集中化遠程控制系統(tǒng)，并提出其優(yōu)點、創(chuàng)新點及技術(shù)路線。該系統(tǒng)可克服傳統(tǒng)控制柜控制系統(tǒng)監(jiān)控工作煩瑣、傳感器技術(shù)落后、壽命短、無太陽能能量計算及統(tǒng)計模型、無法為

行業(yè)內(nèi)及國家提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)等缺點，并可實現(xiàn)對樓宇太陽能工程的遠程監(jiān)控，使工作人員能及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的問題并快速解決，提高了系統(tǒng)的安全性和工作效率，適用于各個公共場所，普及可能性較改進前有較大提高，對我國新能源產(chǎn)業(yè)及物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有很大地推動作用。

［1］ 王亮亮， 朱永偉. 太陽能熱水器能效系數(shù)測試系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用［J］. 機械工程與自動化， 2012， （5）: 125-127.

［2］ 施閣， 付存謂， 陸偉， 等. 太陽能熱水工程系統(tǒng)熱能計量與監(jiān)測方法［J］. 農(nóng)業(yè)工程學報， 2013， （1）: 189-195.

［3］ 霍志臣， 羅振濤. 中國太陽能熱利用2011年度發(fā)展研究報告（上）［J］. 太陽能， 2012， （1）: 6-11.

［4］ 黃祝連， 張昕宇， 鄧昱， 等. 環(huán)境溫度對太陽能熱水器日有用得熱量測試的影響［J］. 建筑科學， 2011， （S2）: 136-138.

［5］ 于海芹， 劉海波， 俎建立， 等. 帶電輔助能源的熱水系統(tǒng)太陽能保證率長期性能預測［J］. 太陽能， 2011， （21）: 44-46.

［6］ 張一宇. 壓力式液位傳感器自動檢測裝置［J］. 電子技術(shù)與軟件工程， 2013， （15）: 154-156.

［7］ 孫德明， 何正嘉. 快速構(gòu)建基于Web的遠程測控系統(tǒng)［J］.計算機工程與應(yīng)用， 2003， 39（23）: 160-162.

［8］ 盧文俊， 冷杉， 楊建軍. 基于Modbus協(xié)議的控制器遠程監(jiān)控系統(tǒng)［J］. 電力自動化設(shè)備， 2003， 23（6）: 54-56.

［9］ 王曉峰， 吳平東， 任長清， 等. 基于TCP/IP的遠程控制系統(tǒng)中動態(tài)補償器的仿真研究［J］. 北京理工大學學報， 2002， 22（6）: 695-698.

2015-12-23

付存謂（1972—），男，碩士，主要從事新能源利用與智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)方面的研究。122132098@qq.com