基于溫度面積法的熱計(jì)量分配系統(tǒng)采集計(jì)算器設(shè)計(jì)

王志偉，許江淳，史鵬坤，張 云

（昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500）

基于溫度面積法的熱計(jì)量分配系統(tǒng)采集計(jì)算器設(shè)計(jì)

王志偉，許江淳*，史鵬坤，張 云

（昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500）

基于溫度面積法熱計(jì)量分配系統(tǒng)中的核心裝置是采集計(jì)算器，其作用是接收熱量結(jié)算表及室溫傳感器的數(shù)據(jù)并完成熱量分配計(jì)算，其設(shè)計(jì)合理與否直接影響到系統(tǒng)的整體運(yùn)行。本設(shè)計(jì)經(jīng)過現(xiàn)場測試，并通過上位機(jī)收集到的數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明采集計(jì)算器設(shè)計(jì)合理，熱量分配結(jié)果可靠，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

溫度面積法；采集計(jì)算器；熱量分配

0 引言

節(jié)能和環(huán)保是我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基本國策。供暖的能源消耗量很大，如果在供熱系統(tǒng)中的計(jì)量方式不準(zhǔn)確或者收費(fèi)方法做不到公平合理則會(huì)造成熱量的不合理利用。在供暖方面，如果可以做到公平合理的收費(fèi)將有助于進(jìn)一步提高人們的節(jié)能環(huán)保意識(shí)，如何解決這個(gè)問題成為供熱企業(yè)生存和發(fā)展的一大難題。

本文根據(jù)溫度面積法熱計(jì)量分配方法，給出了一種基于STM32控制芯片的采集計(jì)算器的設(shè)計(jì)，可以完成接收用戶終端溫度數(shù)據(jù)和熱量表數(shù)據(jù)進(jìn)行熱量分配結(jié)算，并將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，同時(shí)接收上位機(jī)指令并下發(fā)溫度控制指令到用戶終端。

1 系統(tǒng)總體方案介紹

本文所設(shè)計(jì)的采集計(jì)算器選用Cortex-M3系列的STM32F103控制芯片為控制核心，搭配接收溫度數(shù)據(jù)的Zigbee通信模塊、接收熱量表數(shù)據(jù)的RS485串行通信模塊以及與上位機(jī)進(jìn)行通信的GPRS模塊和片上數(shù)據(jù)處理和控制模塊。當(dāng)系統(tǒng)初始化后，采集計(jì)算器將讀取用戶終端上傳的溫度數(shù)據(jù)以及熱量表的數(shù)據(jù)，并根據(jù)所存儲(chǔ)的用戶建筑面積數(shù)據(jù)對(duì)住戶消耗的熱量進(jìn)行計(jì)算并進(jìn)行繳費(fèi)核算，接著將數(shù)據(jù)通過GPRS模塊上傳到上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)，方便熱力公司對(duì)住戶耗熱量進(jìn)行結(jié)算和監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 System overall block diagram

2.1 控制器

該設(shè)計(jì)采用的主控芯片為高性能的STM32F103VE。這款該芯片的工作電壓為3.3，且具有512KFlash存儲(chǔ)器和64K SRAM存儲(chǔ)器同時(shí)支持可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制技術(shù)。該芯片上集成了普通16位的定時(shí)器4個(gè)，兩個(gè)基本定時(shí)器和兩個(gè)高級(jí)定時(shí)器，以及兩個(gè)watchdog和1個(gè)Systick定時(shí)器?？偼ㄐ沤涌跀?shù)量多達(dá)13個(gè)。

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)各部分對(duì)工作電壓的要求不同，因此系統(tǒng)采用模塊供電的方式。為整個(gè)系統(tǒng)提供5 V、4 V、3.3 V的電壓各一路。在這三種電壓中5 V電壓通過一塊固定輸出的LM2596提供，主要用來為ZigBee模塊等芯片供電。由于STM32芯片對(duì)文博要求高等特點(diǎn)，因此在LM2596基礎(chǔ)上串聯(lián)一個(gè)固定輸出3.3 V的LM1117為芯片供電。除此之外，GSM芯片MC37I需要單獨(dú)提供4 V的電源。因?yàn)樾酒箅娫措妷阂愣ù笥?3.3 V對(duì)因此采用一片可調(diào)輸出的LM2596，通過反饋引腳的連接兩個(gè)電阻配合分壓提供。電源模塊電路圖如圖2所示。

在電源電路的設(shè)計(jì)中由于芯片MC37I對(duì)供電電電路的輸出電壓值為：

式（1）中U取4 V時(shí)，68R 為10 KΩ，可得65R為4.44 KΩ。此處選用4.3KΩ電阻。

2.3 熱量表數(shù)據(jù)接收模塊

在該系統(tǒng)中熱量表需要實(shí)時(shí)的獲取冷量值、熱量值、瞬時(shí)流量以及入口的供水溫度和供熱系統(tǒng)的回水溫度等各方面信息。這部分通信采用了工作模式為半雙工的 Max485集成芯片。該模塊可以通過硬件的控制進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送過程進(jìn)行切換。因此485通信模塊原理圖如圖3所示。

2.4 Zigbee模塊

根據(jù)我國目前居民住宅普遍具有單個(gè)住宅區(qū)內(nèi)住戶相對(duì)比較密集，住宅區(qū)密度較高等特點(diǎn)。在多傳感器之間的自組網(wǎng)采用ZigBee模塊，ZigBee是一種短距離、低速率的傳輸標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee通過接力的方式對(duì)所需信息進(jìn)行傳遞并且在公寓式的樓棟中安裝ZigBee模塊也相對(duì)較為簡單，可達(dá)到很高的通信效率。同時(shí)能夠滿足對(duì)信息傳輸?shù)囊?。因此本系統(tǒng)采用Zigbee模塊用于與用戶終端進(jìn)行通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及數(shù)學(xué)模型建立

3.1 軟件設(shè)計(jì)

采集計(jì)算器是整個(gè)供熱系統(tǒng)的最主要的核心控制裝置，該裝置是溫度法的實(shí)現(xiàn)裝置。在正常工作的情況下該裝置能夠自動(dòng)讀取用戶的地址以及用戶名等信息，并與路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信測試和時(shí)間統(tǒng)一，每隔十五分鐘獲取一次本地?zé)崃勘砩系臄?shù)據(jù)信息，同時(shí)接收來自路由節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。然后根據(jù)熱量、溫度和用戶采暖面積等信息由熱量分配原理計(jì)算用戶的熱量分配情況。并將數(shù)據(jù)上傳送到服務(wù)器進(jìn)行綜合顯示和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；節(jié)點(diǎn)在完成以上工作的同時(shí)還需要接收來自服務(wù)器的溫度控制信息，并將這些信息發(fā)送到路由節(jié)點(diǎn)。采集計(jì)算器的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

3.2 流量測量分析

在采集計(jì)算器工作的同時(shí)需要從熱量表中讀取熱量信息。系統(tǒng)在工作過程中通過對(duì)流量和供水溫度以及回水溫度的測量以及水流經(jīng)過的時(shí)間可以計(jì)算系統(tǒng)釋放或者吸收的熱量，其基本計(jì)算公式如式（2）：

式（2）中Q為系統(tǒng)吸收或者釋放的熱量，單位為J；mq為流體的質(zhì)量流量，單位為 /kgh；vq為流體的體積流量，單位為3/mh；hΔ為熱交換系統(tǒng)進(jìn)口和出口溫度流體的焓值差，單位為 /Jkg；τ為時(shí)間，單位為h。

圖2 電源電路Fig.2 Power supply circuit

圖3 485模塊原理圖Fig.3 485 module schematic

圖4 ZigBee模塊原理圖Fig.4 Schematic diagram of the ZigBee module

圖5 采集計(jì)算器軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.5 Acquisition calculator software design flow chart

根據(jù)電磁傳感器的工作原理可以測得流過系統(tǒng)的流量體積，根據(jù)法拉第電磁定律可知：

式（3）中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，L為導(dǎo)體在垂直磁場方向的長度，V為導(dǎo)體作垂直切割磁感線運(yùn)動(dòng)的速度。

根據(jù)式（4）可以將電動(dòng)勢的表達(dá)式等效為式（4）：

式（3-3）中D為電磁流量傳感器的內(nèi)徑，V被測流體的平均流速。

由于在系統(tǒng)中流體總是處于滿管的狀態(tài)下進(jìn)行測量，在這種狀態(tài)下的測量可以通過測量管橫截面積的流體瞬時(shí)流量sq，表達(dá)式如式（5）：

根據(jù)式（4）和式（5）可以得出流量q的測量公式：

由圖4和表3可知，① 彈性階段各曲線變化明顯，隨著鋼管厚度增大初始剛度逐漸增大，斜率增大，承載力明顯提高，承載力與撓度成線性關(guān)系。在此階段，圓鋼管的壁厚變化對(duì)柱子性能影響較?。虎?彈塑性階段中曲線上升斜率隨鋼管厚度增加而提高，當(dāng)壁厚大于8 mm時(shí)出現(xiàn)明顯的平緩段，出現(xiàn)一定的上升坡度。增加壁厚極限承載力也越來越大，體現(xiàn)了鋼管的環(huán)箍作用；③ 塑性階段，壁厚越小，在到達(dá)極限承載力之后的下降段越明顯，坡度越大，易發(fā)生脆性破壞，下降段越長，變形能力越好；壁厚越大，下降段越平緩，延性越好，柱子的抗變形能力越好。

3.3 溫度面積法熱量分配

溫度面積法的溫度分配模型如下：

式中，Q1——住戶所消耗的能量，kw·h；——建筑物的供暖體積熱指標(biāo)，F(xiàn)——整棟建筑物的總體面積，m2；f——散熱器散熱面積，

nw度，室外溫度，℃。

將式（7）代入式（8）可得用戶熱量分配：

當(dāng)室外的參考溫度為0℃時(shí)，式（9）可以化簡為式（10）：

取獨(dú)立的居民樓為熱費(fèi)結(jié)算點(diǎn)，可以得出建筑物的結(jié)算熱費(fèi)和每個(gè)熱用戶的采暖費(fèi)用如式（11）式（12）給出：

S0——建筑物的熱結(jié)算費(fèi)； S1——建筑物的基礎(chǔ)熱費(fèi)； S2——建筑物的計(jì)量熱費(fèi)； f1——熱力銷售部門基本熱價(jià)； f2——熱力銷售部門計(jì)量熱價(jià)；Fi——熱用戶的用熱收費(fèi)面積； Q0——熱力入口處總傳輸熱量； Si——熱用戶采暖費(fèi)用； Qi——熱用戶室內(nèi)用熱量。

由式（11）式（12）可得，

將式（10）代入到（13）則可以得出熱用戶采暖費(fèi)用的表達(dá)式，

3.5 熱量分配驗(yàn)證

系統(tǒng)安裝調(diào)試結(jié)束后，通過對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控從上位機(jī)獲取相關(guān)參數(shù)，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)分析。表1和表2是從上位機(jī)中獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)，圖6、7是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得出的結(jié)果。從結(jié)果來看供熱面積與熱量的分?jǐn)偦境尸F(xiàn)線性關(guān)系，證明采集計(jì)算器工作效果良好。

表1 室內(nèi)平均溫度與分?jǐn)偀崃筷P(guān)系Tab.1 The relationship between the average indoor temperature and the shared heat

圖6 溫度、熱量曲線Fig.6 Temperature, heat curve

為更直觀分析表中數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)分析軟件繪制出相應(yīng)曲線圖如圖7所示。

室內(nèi)平均溫度大致一定，供熱面積與分?jǐn)偀崃筷P(guān)系。

表2 室內(nèi)平均溫度大致一定，供熱面積與分?jǐn)偀崃縏ab.2 The average indoor temperature is roughly constant, the heating area and share the heat

圖7 面積和熱量曲線Fig.7 Area and heat curve

4 結(jié)語

本文對(duì)基于溫度面積法的熱分配采集計(jì)算器進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。詳細(xì)分析了供熱面積與分?jǐn)偀崃恐g的關(guān)系，并且通過合理的算法對(duì)用戶收取費(fèi)用。相對(duì)于其他類似的收費(fèi)或者熱計(jì)量方式該設(shè)計(jì)中的采集計(jì)算器實(shí)現(xiàn)了更加精準(zhǔn)的收集數(shù)據(jù)，更加可靠的通信方式，以及更加合理的收費(fèi)計(jì)量。并且在實(shí)際運(yùn)行中系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)分析結(jié)果良好。

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Design of Calculator for Heat Metering System Based on Temperature Area Method

WANG Zhi-wei, XU Jiang-chun, SHI Peng-kun, Zhang Yun
(Kunming University of Science and Technology, Faculty of Information Engineering and Automation, Kunming 650500, China)

The core device in the heat metering system based on the temperature area is a collection calculator,which takes the data of the heat balance table and the room temperature sensor and completes the heat distribution calculation. The design of the core device directly affects the whole operation of the system. The design of the design through field testing, and through the host computer to collect the data on the feasibility of the system were verified. The data analysis results show that the calculation result of the acquisition calculator is reasonable, the heat distribution result is reliable and the system is running stable.

: Temperature area method; Acquisition calculator; Heat distribution

TP368

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.10.026

本文著錄格式：王志偉，許江淳，史鵬坤，等. 基于溫度面積法的熱計(jì)量分配系統(tǒng)采集計(jì)算器設(shè)計(jì)[J]. 軟件，2017，38（10）：135-139

王志偉(1991-)，男，碩士研究生，研究方向嵌入式技術(shù)及應(yīng)用，智能控制。

許江淳(1963-)，男，副教授，嵌入式技術(shù)及應(yīng)用，智能控制。