一种基于树莓派的供暖终端智能调节系统

一种基于树莓派的供暖终端智能调节系统

刘昕宇 ,强倩 ,吴哲 ,白翔宇 ,潘雨 ,王佳瑶

西安文理学院 机械与材料工程学院，陕西西安710065

摘要：基于树莓派的供暖终端智能监控系统是以树莓派作为主体，辅以单片机控制和传感器的配合共同实现的智能调节系统。供暖系统智能终端采用无线网络控制技术，依据住宅内的自身性质，在进行供暖设置，达到对每个具有不同特点的住宅的温度实现调控。文章重点研究基于树莓派的供暖终端智能监控系统，以树莓派的多功能特性，可以完成多个客户端实时监控并进行温度调控。文章主要介绍了供暖终端智能监控系统的实施原理，研究了其系统的关键技术和结构，结合实际应用，证明了设计方案的可行性。

关键词：智能终端；树莓派；可调节式供暖

0引言

随着中国社会经济的增长，我国从50年代开始发展城市集中供暖，80年代开始集中供暖迎来了快速发展期，对国家经济建设、冬季采暖质量和生态环境发挥了重要作用。据相关部门统计，在80年代的10年间，建设有集中供暖设施的城市数量翻了8倍，供暖面积达到了1.45亿平方米。到了2003年，供暖面积达到18.9亿平方米，是1989年的12倍。虽然供暖规模与国外发达国家相差不大，但由于控制技术、设备质量明显比国外落后，导致我国供暖能效利用率低，对环境造成了较大破坏。现代化供暖系统要求采用全自动化监控调节方式，而监控系统作为其重要的组成部分，必须要与现场监控环境相符合。近年来，集中供暖管线线路覆盖地域范围越来越大，动态生成数据实时性的要求也越来越高，要实现对管网、换热站及热用户关键点实时监控，依靠传统的有线传输是难以满足要求的[1]。             

基于树莓派的智能终端监控系统的设计是从高处出发构建一个网络化管理，通过树莓派实现每个网络支点的状况并作出调整。现代计算机网络通信为智能终端监控系统提供了技术支持，提高通信效率，降低数据传输成本[1、2]。

选择树莓派作为我们的智能终端，其本质是一款基于ARM的微型电脑主板，有着多种功能，因它强大的功能使它逐渐运用于更广泛的领域。本课题研究的是利用树莓派作为我们供暖智能监测的终端，首先实时收集建筑物温度信息，再依据建筑物的情况对供暖系统进行定时定温控制，用户可以通过控制器（树莓派）设置建筑物的温度，对控制器的暖气电磁阀进行控制，通过直接从供暖中心控制供水泵的输出量来达到控制建筑物温度的目的[3]。

1 供暖终端智能监控系统原理

我国北方目前基本实现大范围地区的集中供暖，加之新时代建筑物基本都使用保温材料进行保温效能提升，如果还采用传统的供暖方式，在出现室内温度过高现象时，采用开窗通风的方法散热，就会造成能源浪费[2、3]。为了能够进一步完善供暖系统，本着节约能源的目的，本供暖终端智能监控系统应运而生。

供暖终端智能监控系统的设计分为以下阶段：第一是测温阶段。这一阶段通过在各个客户端安装温度传感器，进行温度的实时测量，通过物联网串口通信传输数据给树莓派；第二阶段是树莓派对多个传感器收集数据进行处理，并通过单片机网络实行供水泵的输出量控制，进一步调整室内温度到达预设温度。

供暖终端智能监控系统在主体结构上分为两大部分，分别是上位机和下位机，在这两个部分中，上位机主要是在PC端利用软件系统监控能源消耗的情况，下位机主要实现对系统硬件部分的控制与温度数据采集。

系统通过对温度传感器中对室内温度的检测，将收集到的数据传入控制模块，当室内温度与设定温度有偏差时，控制模块通过下位机发送指令对热水入口的进水电磁阀进行控制，通过对热水注入量的调控，以此来控制调节室内温度，由此实现对室内供暖的智能化控制，这样就可以达到节能减排的目的。

2供暖终端智能监控系统总体设计

供暖终端智能监控系统包括硬件和软件两大部分，合理的硬件环境监控设备是系统正常运行的必要条件，该部分的质量对系统的可靠性具有不可忽视的影响。因此，在对其进行设计时，应综合考虑多个方面的要素，包括稳定性、检测时间、传输距离等。

2.1 硬件总体控制系统设计

在了解供暖终端监控系统所具备的功能要求的前提下，经过论证最终制定具体的设计方案，硬件总体系统结构如图1所示。现场控制系统将以嵌入式树莓派4B作为控制器核心，并结合温度采集模块、用户供水模块、通讯转换模块以及外围电路等构成了供暖终端智能监控系统的硬件设计。

图1 供暖终端智能监控系统硬件总体系统结构

2.2 微控制器介绍

本设计选用树莓派4B作为开发平台，如图2所示。树莓派(英文名为“Raspberry Pi”），本质是一款基于ARM的微型电脑[4]。树莓派 4B 涵盖电源、人机交互界面、模拟复合视频、音频、以太网、USB、两个拓展接口和通用数字量输入/输出。通过USB-TypeC获取 5V 直流供电。HDMI、模拟复合视频以及音频接口可以实现音视频的传输。标准的 RJ45 以太网接口用于树莓派与路由器或交换机之间的网络连接。两个扩展接口，一个为 CSI 可对其进行摄像头的配置，另一个为 DSI 显示器串行接口。树莓派具有一个完整的基于 Debian 的 Linux 操作系统，即 Raspbian。Raspbian 操作系统为用户提供了众多自由开源的程序，涵盖了程序设计、游戏、应用以及教育方面

[5]。其官方编程语言是 Python ，并已预装在了 Paspbian 操作系统上。结合树莓派和 Python 的集成开发环境 IDLE3 ，可以让程序员能够开发各种基于 Python 的程序。除了 Python ，树莓派还支持多种其它语言。并且可以使用一些自由开源的 IDE （集成开发环境）。允许程序员、开发者和应用工程师在树莓派上开发程序和应用。

图2  树莓派4B

2.3供暖终端智能监控系统硬件结构

该系统的硬件结构主要由树莓派4B、DS18B20温度传感器、单片机、NRF24L01远程通信模块及可调节式电磁阀构成，如图3所示。

图3 系统的硬件构成

3供暖终端智能监控系统的市场可行性分析

供暖终端智能监控系统的设计目标是通过树莓派对普通建筑物的集中供暖环境温度进行监测控制的系统。该系统主要的创新点是基于树莓派开发，它具有开源、轻量、功能强大的特点，通过外围各个模块之间的配合，实现监测数据的收集、分析、传输和调节。系统应用场景非常广泛，例如：行政机关、高等院校、企事业单位等。使用该系统可对每栋楼宇的实时温度进行监测和精细调控，并将监测到的各类数据通过网络传输到上位机，即上级监控中心,监控中心屏幕上可显示每栋楼字的供暖数据及分析曲线，便于管理部门进行及时的管理和操作，以及数据统计。同理,还可以增加视频监控安全报警功能，并进一步升级到各供热站层面甚至是热源厂等等，使得用户可以更加方便快捷的对供暖环境进行监控及控制，同时也可以通过这套系统在一定程度上减少供暖量的大量浪费，实现在保证用户热舒适体验的情况下降低集中供暖系统的能耗，能为我市供暖工作节约能源等方面做出必要的贡献。

参考文献：

[1]施帅；陈志新；赵长春；小区供暖过楼远程监控系统设计与实现[J]；建筑大学学报；2014年第4期61-65共5页；

[2]王梁栋；基于树莓派的智能家居，温度远程监控系统的设计[J]；信息通信；2018年05期；

[3]薛霏；基于树莓派的储热式电锅炉自动控制系统研制[D];石家庄铁道大学；2019年；

[4]李国诚;黄明;崔进宝;曹旭峰;徐泽琨;基于树莓派的智能监控系统设计与实现[J];工业技术创新;2019年02期；

[5]洪小宇;陈海潮;基于无线传感网的校园空气质量监测系统《实验室科学学》;2018年04期;

基金项目：西安市“聚焦先进制造业，助力秦创原创新驱动平台建设”三年行动计划(2021XDJH28)；

         西安文理学院大学生创新创业训练项目

作者简介：

刘昕宇（2002-），男，汉族，陕西西安市人，学历：西安文理学院在读学士，单位：西安文理学院机械与材料工程学院自动化专业，研究方向：自动控制

通信作者：王银（1983-），女，汉族，陕西西安市人，高级实验师，西安文理学院机械与材料工程学院，研究方向：电子与通信、自动化、智能感知。