专利名称：一种住宅供暖智能协调管理方法
技术领域：
本发明属于节能领域的自动控制技术，涉及一种主动式节能管理方法，特别是一种住宅供暖智能协调管理方法，该方法采用无线传感器网络技术和程序化控制相结合的 技术手段，为供暖系统中住宅的分户远程热计量以及室内区域温度控制提供无线化解决方案。
背景技术：
当前，我国北方供暖区城镇住宅的供暖系统，普遍采用双管或单管热水集中供暖 模式，存在室内不可控、供暖能耗过大、计量系统架设困难等问题。据《2009中国建筑节能年度发展研究报告》有关数据统计，我国北方供暖区，每年 冬季在住宅供暖消耗的总能耗达到31260万tce(吨标煤)，占到了建筑总能耗的45. 3%。 国内外的有关资料证明采用供热计量技术后，不但提高了管理效率，而且可节能25%左 右。因此，住宅供暖的分户热计量系统应运而生，并得到不断地研究和应用(供暖按各户实 际用热量收取费用)。但是，随着供暖系统覆盖面的扩大，热计量网络监控管理系统的建设 在系统布线、信息融合、数据传输等技术上存在很多问题。现阶段供暖系统缺乏室内温度控 制系统，不能独立对区域进行控制决策。基于此，一套针对现行供暖系统设计的，满足人们 舒适度要求以及国家节能方针的协调管理方法，具有极其重要的社会意义和经济价值。
发明内容
针对我国北方冬季供暖区住宅供暖的远程热计量、测控系统布线困难和室内区域 温度不可控问题，本发明的目的在于，提供一种住宅供暖智能协调管理方法，该方法集热量 检测、数据传输、温度自动及远程控制于一体，通过对单户供暖管道进水流量及进出水温度 差值的检测，计算热量数据；采用无线远程通信技术进行内外网控制信息及能耗数据的有 效传输，进而支持热能数据自动采集及远程抄表功能；使用Mesh型无线传感器网络实时获 取室内温度数据，通过室内低功耗无线数据网传输温度信息，装置根据合适的控制策略，自 动控制各阀门开度，以调节室内温度，能够满足住户舒适度要求和节省能源。为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案一种住宅供暖智能协调管 理方法，其特征在于，该方法在供暖系统入户管道末端安装集热量检测、数据传输、温度自 动及远程控制于一体的住宅供暖智能协调器，通过对单户供暖管道进水流量及进出水温度 差值的检测，计算热量数据；在各房间布置无线温度传感器组，以无线远程通信的方式进行 内外网控制信息及能耗数据的有效传输，进而支持热能数据自动采集及远程抄表功能；使 用Mesh型无线传感器网络实时获取室内温度数据，通过室内无线数据网传输温度信息，住 宅供暖智能协调器自动控制各阀门开度，调节室内温度，以满足住户舒适度要求。所述的住宅供暖智能协调器包括一控制管理单元，该控制管理单元通过串行SPI 口连接内、外网通信模块，其中，内网通信模块与各房间供暖管路上设置的无线电动阀门、 各房间设置的无线温度传感器实现无线通讯，外网通信模块通过GPRS网络实现和远程抄表主机通讯；控制管理单元还连接各房间内的供暖管路上设置的无线电动阀门、管道入户 端上的温度、流量传感器，以及入户端总电动阀门；所述的控制管理单元采用ARM9架构的 ARM处理器，所述的内外网通信模块采用CC2430射频芯片和MC35i GPRS无线通讯模块。该方法的控制流程是无线温度传感器组监测室内温度信息，通过无线方式，将温 度信息上传至住宅供暖智能协调器内的CC2430射频芯片，控制管理单元通过对温度数据 的计算和分析生成控制决策，对各个无线电动阀门的开度进行调节；同时，由CC2430射频 芯片获取流量及管内温度信息，通过SPI总线接口送入ARM处理器，ARM处理器解析数据， 采用热计量公式运算得热量使用数据，并通过MC35i GPRS无线通讯模块上传至GPRS网络， 在此基础上架设虚拟个域网，实现对住宅热量的远程分户计量。本发明的各个带来的技术效果体现在1、分户计量本发明在集中供暖系统的进户 端加装住宅供暖智能协调器，住宅供暖智协调器通过接收温度、流量传感器数据计算热量 消耗值，从而形成单户数据。采用GPRS通信方式，实现远程分户计量，使得计量结果更精 确，收费更科学。2、住宅温度的区域控制本发明通过采用室内温度传感网络获取住宅空间各区域 的温度分布信息，通过对温度信息进行融合处理，形成空间独立的控制策略，以调节住宅的 区域温度，解决区域温度控制的问题。通过对住宅空间的温度进行分散控制，为每个房间选 择合适的温度，既满足舒适度的要求，又起到节约能耗的效果。3、节约能源本方法根据住户对区域温度的要求，对供暖流量进行自动控制，以减 少不必要的热能损耗。同时，测控设备采用低功耗软硬件设计，保证系统的低能耗运行。4、简化设备安装本方法采用全无线通信方式，省去传统设备安装的布线环节，使 设备安装过程得以简化，特别适用于对现有住房供暖系统的改造过程。5、低廉的设备成本住宅供暖智能协调器采用了 ZigBee技术的CC2430射频芯片、 MC35ii GPRS无线通讯模块以及ARM9架构的S3C2410等主流芯片，批量生产价格低廉，易于 市场接受与推广。6、实时、可靠的数据本方法通过采用无线传感器网络、住宅供暖智能协调器、远程 无线传输通道和远程应用计算机，实现建筑能耗准确、实时采集；建立了能耗数据库，实现 计算机远程控管一体化，发挥了信息技术在节能降耗的作用。通过采用ZigBee与GPRS技 术相结合的方法，构建近、远程无线通信平台，使能耗数据实时传输，充分保证了数据的准 确性，实时性。7、具有高可扩展能力本方法采用了具有自组织、自愈合的Mesh网络拓扑结构，构 建住宅内环境无线测控网络。与传统的有线网络及基于其他拓扑型无线网络相比，系统的 扩展性和安装随意性得到增强。高可扩展能力和安装的随意性能够充分满足各类家庭的需要。8、数据直观齐全易操作本方法将采集到的能耗信息，由上述无线传感器网络传输 通道传至各个主控计算机，各个主控计算机通过数据库存储能耗数据，并采用人机界面，便 于操作。
图1为本发明的住宅供暖智能协调器实现的技术原理框图；图2为住宅供暖智能协调器应用安装分布图；图3为住宅供暖智能协调系统结构示意图；图4为住宅供暖智能 协调器的一种硬件结构实施例框图；图5为无线电动阀门和无线温度传感器硬件框图。以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施例方式按照本发明的技术方案，在供暖系统入户管道末端设计一种集热量检测、数据 输、温度自动及远程控制于一体的住宅供暖智能协调器，该住宅供暖智能协调器包括控制 单元、内外网通信模块以及执行机构(管道入户端温度及流量传感器和入户端电动阀门)， 三个单元。其中，控制模块采用ARM9架构的处理器芯片，通过串行SPI 口连接MC35i GPRS 无线通讯模块及ZigBee技术的CC2430射频芯片。同时，采用ADC功能引脚连接温度及流 量传感器；采用PW功能引脚驱动电动阀门。住宅供暖智能协调器不但是家庭内网的全功能 设备(FFD)，亦是系统的网关及主控管单元。其主要作用是控制家庭内部的测控设备，实现 内外网的信息交互以及提供远程抄表功能。在供暖系统管道出水口设置无线温度监测装置。该装置包括ZigBee技术的 CC2430射频芯片以及温度传感器，是家庭内部网络系统的半功能节点(RFD)。在住户各房间内的供暖管路上设置无线电动阀门。无线电动阀门是该温度控制系 统的分散控制单元，是在标准电动阀门的基础上，增设无线射频模块实现的，用以根据室内 温度数据控制管内流量。无线电动阀门与无线温度监测装置类似，同属家庭内网RFD。在各房间布置无线温度传感器组。传感器组采用Mesh拓扑结构无线组网，无线温 度传感器组用于监测各房间温度。各电动阀门均采用手动与自动控制结合的控制方式，增强系统的稳定性；所有测 控节点都具有中断报警程序，保证系统的可靠性。通过对单户供暖管道进水流量及进出水温度差值的检测，计算热量数据；采用无 线远程通信技术进行内外网控制信息及能耗数据的有效传输，进而支持热能数据自动采集 及远程抄表功能；使用Mesh型无线传感器网络实时获取室内温度数据，通过室内低功耗 无线数据网传输温度信息，装置根据合适的控制策略，自动控制各阀门开度，以调节室内温 度，在满足住户舒适度要求的同时，达到节能目的。该系统的控制流程无线温度传感器组内节点监测室内温度信息，通过无线方式， 将信息上传至住宅供暖智能协调器内的CC2430射频芯片的射频模块，协调器控制单元通 过对温度数据的计算和分析生成控制决策，对各个无线电动阀门的开度进行调节；同时，由 CC2430射频芯片获取流量及管内温度信息，通过SPI总线接口送入ARM处理器，ARM处理器 解析数据，采用热计量公式运算得热量使用数据，并通过MC35i GPRS无线通讯模块上传至 GPRS网络。在此基础上架设VPN(虚拟个域网)实现对住宅热量的远程分户计量。首先，对住宅供暖智能协调器实现的技术原理描述如图1所示，本发明的住宅供 暖智能协调器实现的技术原理包括三个层面，分别是节点层、网络层和应用层。节点层是用于检测和控制的执行单元，涵盖所有的无线传感器节点；网络层是通 信和传输部分，包括基于ZigBee技术的内网通信部分、基于MC35i GPRS无线通讯模块构建 的GPRS外网通信部分以及内外网协议转换单元——网关，网络层完成组网功能，建立内外 网的通信机制，成为上层应用和底层设备的交互介质；应用层包括数据库和远程管理组件，是对数据的汇聚、分析和实现人机交互。如图2所示，以住户A为例，本发明的实现方法是，在供暖系统进户端管道入口设 置一个住宅供暖智能协调器，作为控制管理单元，并兼顾总阀流量的控制和无线网络的组 建；管道出口设置无线温度传感器3，用于获取温度差，配合流量检测数据，进行供热使用 量的计算；房间A1-A3供暖管路上设置无线电动阀门(2. 1,2. 2和2. 3)，独立控制各区域温 度；在各房间内分布设置用于采集室内温度的无线温度传感器3. 1. -3. 3，为控制中心提供 检测数据，以形成一体化控制决策。
如图3所示，住宅供暖智能协调系统包括——控制管理单元，该控制管理单元通过 串行SPI 口连接内外网通信模块，内外网通信模块采用无线方式连接各房间内的供暖管路 上设置的无线电动阀门、各房间设置的无线温度传感器(执行单元2)；控制管理单元采用 芯片功能引脚直连管道入户端上的温度、流量传感器，以及入户端总电动阀门(执行单元 1)；所述的控制管理单元采用ARM9架构的ARM处理器，所述的内外网通信模块采用CC2430 射频芯片和MC35ii GPRS无线通讯模块。如图4所示，住宅供暖智能协调器安装于供暖系统管道入口处，住宅供暖智能协 调器采用ARM9架构的S3C2410处理器1作为住宅供暖智能协调器的主控单元，以S3C2410 处理器1为中心，通过其两个SPI引脚分别连接CC2430射频芯片5和MC35i GPRS模块6， 分别用于进行内外网通信和报文转发；通过其ADC引脚连接温度传感器2及流量传感器4， 用以检测计算热量必备数值；通过其PW引脚驱动电动阀门，控制管道流量。如图5所示，为无线传感器节点硬件结构。左图为无线电动阀门硬件框图，包括 CC2430射频芯片和电动阀8，两者通过CC2430射频芯片的PW引脚与电动阀8连接；右图为 无线温度传感器单元硬件框图，包括CC2430射频芯片和温度传感器10，两者通过CC2430射 频芯片的ADC引脚相连。具体应用方式1、远程抄表的实施方式以住户A为例(图1)，远程抄表主机发送 抄表信号，通过Internet网络传送至住宅供暖智能协调器的MC35i GPRS无线通讯模块6， 由住宅供暖智能协调器的S3C2410处理器1对信号进行解析，并产生内网控制信号，根据控 制信息的目的地址，将控制信息发送至住宅供暖智能协调器内部的流量传感器2和温度传 感器4，同时通过ZigBee技术的CC2430射频芯片5将控制信息发送至无线温度传感器3。 传感器根据控制要求采集所需信息，将信息回馈住宅供暖智能协调器中的S3C2410处理器 1，S3C2410处理器1计算温度差，采用热量计算公式，获得热量使用数据，通过MC35i GPRS 无线通讯模块6构成的GPRS网络将信息上传至远程抄表主机。2、室内供暖温度智能协调管理的实施方式以住户A为例(图1)，住户通过住宅 供暖智能协调器分别设置房间A1、A2、A3的温度。当房间Al内无线温度传感器3. 1检测到 室内温度在设定温度的-0. 5°C值域时，无线温度传感器3. 1通过CC2430射频芯片将数据 上传至住宅供暖智能协调器，住宅供暖智能协调器的S3C2410处理器1接收CC2430射频芯 片5的数据，并根据住宅供暖智能协调器的S3C2410处理器1对数据库中前5时刻数据进 行对比，计算温度变化梯度，如梯度值超过60度，则通过CC2430射频芯片5向无线电动阀 门2. 1发送控制命令，无线电动阀门2. 1缩减电动阀8的开度，并根据梯度的减小和温度升 高调节电动阀8的开度值；如梯度值小于-60度，则增大电动阀8开度，并根据梯度的增大 和温度的升高调节电动阀8的开度。当房间Al内无线温度传感器3. 1监测到室内温度在设定温度的+0. 5°C值域时，无线温度传感器3. 1通过CC2430射频芯片5将数据上传至住 宅供暖智能协调器，住宅供暖智能协调器的S3C2410处理器1接收CC2430射频芯片5的数 据，并根据住宅供暖智能协调器的S3C2410处理器1对数据库中前5时刻数据对比，计算温 度变化梯度，如梯度值超过0度，则通过CC2430射频芯片5向无线电动阀门2. 1发送控制 命令，无线电动阀门2. 1缩减电动阀8的开度，并根据梯度的减小和温度升高调节电动阀8 的开度值；如梯度值超过45度，则关闭电动阀8，并根据梯度的减小和温度的升高调节电动 阀8的开度。可以说，本发明的住宅供暖智能协调管理方法，是基于Zigbee无线传感器网络技 术的分户计量系统其表现在1、采用最新的ZigBee技术的无线网络结构ZigBee是一种 近年来才兴起的无线网络通信技术标准，成本低，功耗低是其突优势。其网络容量大，数据 交换量小，传输速率要求不高。在通信时，它的连接间短，可以大大减少通信数据碰撞的概 率。在网络安全方面，它对所传输的数据信息进行加密处理，安全性高。因此，它完全满足 供暖系统传感器组网的要求。本实发明采用了最新的ZigBee无线通信技术的CC2430射频 芯片，构建起基于ZigBee的住宅节能的无线监控分户计量技术，大量的传感器节点使用电 池供电不需要进行有线布线，供暖系统无线网络安装容易。安装好的网络节点可以方便的 移动重新布置。添加网络节点容易，新节点加入网络只需要请求邻近的网络协调器加入网 络即可以。采用ZigBee技术的系统网络对于设备的控制可以进行灵活的配置，可以控制一 个特定的设备，也可以用一个控制器控制系统中的多个独立的设备。多个设备可以独立工 作也可以共同联合工作已完成一系列功能。2、低廉的成本本发明采用ZigBee技术的CC2430射频芯片具有低速率、低功耗、低 成本等特点，而且ZigBee模块的价格仍在进一步降低，本发明成本将会非常低廉，易于市 场推广。3、低功耗在单一的CC2430射频芯片内包含了 802. 15. 4及ZigBee兼容系统中必 备的组件，支持同步睡眠和唤醒，有效的降低了功耗，耗能原件较少，仅靠两节标准5号电 池就可持续工作6个月至两年，从而延长了各探测器节点维护周期，节省了相应的人力和 物力。综上所述，本发明采用的CC2430射频芯片是一颗真正的系统芯片(SoC) CMOS解决 方案，它能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2. 4GHz ISM波段的应用对低成本、低功耗 的要求。它包括了一个高性能的2. 4GHz DSSS (直接序列扩频)射频收发核心和一颗工业 级小巧高效的8051控制器。采用0. ISumCMOS工艺生产，具有很高的集成度。工作时的电 流损耗为27mA ；在接收和发送模式下，电流损耗分别小于27mA或25mA。CC2430的休眠模 式和转换到主动模式是的超短时间的性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。该芯 片体积小功率低，提供丰富的1/0，并具有很低的功耗。同时，它具有强大灵活的开发工具和 启动引导功能，给程序的升级和维护提供了极大的方便，非常适合本发明。S3C2410X微处理器是一款由Samsung公司设计的低功耗、高集成度的基于ARM920T核的微处理器。ARM920T核由ARM920TDMI、存储器管理单元(MMU)和高速缓存三部 分组成。其中，MMU可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的16KB地址和16KB数据高速Cache 组成。ARM920T有两个内部协处理器CP14和CP15。CP14用于调试控制，CP15用于存储器系统控制以及测试控制。S3C2410X的集成组件包括1个IXD控制器(支持STN和TFT带有触摸屏的液晶显示屏)；SDRAM控制器；3个通道的UART ；4个通道的DMA ；4个具有PWM功 能的计时器和1个内部时钟；8通道的10位ADC;触摸屏接口 ；I2S总线接口 ；2个USB主机 接口，1个USB设备接口 ；2个SPI接口 ；SD接口和MMC卡接口 ；看门狗计数器；117位通用 I/O 口和24位外部中断源；8通道10位AD控制器。处理器通用的片上外设，大大减少了系 统中处理器以外的元器件设备，从而使系统的成本大大降低。同时，它具有强大灵活的开发 工具和启动引导功能，给程序的升级和维护提供了极大的方便，非常适合本发明。
权利要求
一种住宅供暖智能协调管理方法，其特征在于，该方法在供暖系统入户管道末端安装集热量检测、数据传输、温度自动及远程控制于一体的住宅供暖智能协调器，通过对单户供暖管道进水流量及进出水温度差值的检测，计算热量数据；在各房间布置无线温度传感器组，以无线远程通信的方式进行内外网控制信息及能耗数据的有效传输，进而支持热能数据自动采集及远程抄表功能；使用Mesh型无线传感器网络实时获取室内温度数据，通过室内无线数据网传输温度信息，住宅供暖智能协调器自动控制各阀门开度，调节室内温度，不仅起到节能的作用，更满足住户舒适度要求。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的住宅供暖智能协调器包括一控制管 理单元，该控制管理单元通过串行SPI 口连接内、外网通信模块，其中，内网通信模块与各 房间供暖管路上设置的无线电动阀门、各房间设置的无线温度传感器实现无线通讯，外网 通信模块通过GPRS网络实现和远程抄表主机通讯；控制管理单元还连接各房间内的供暖 管路上设置的无线电动阀门、管道入户端上的温度、流量传感器，以及入户端总电动阀门； 所述的控制管理单元采用ARM9架构的ARM处理器，所述的内、外网通信模块采用CC2430射 频芯片和MC35i GPRS无线通讯模块。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法的控制流程是无线温度传感器组监 测室内温度信息，通过无线方式，将温度信息上传至住宅供暖智能协调器内的CC2430射频 芯片，控制管理单元通过对温度数据的计算和分析生成控制决策，对各个无线电动阀门的 开度进行调节；同时，由CC2430射频芯片获取流量及管内温度信息，通过SPI总线接口送入 ARM处理器，ARM处理器解析数据，采用热计量公式运算得热量使用数据，并通过MC35iGPRS 无线通讯模块上传至GPRS网络，在此基础上架设虚拟个域网，实现对住宅热量的远程分户 计量。
全文摘要
本发明公开了一种住宅供暖智能协调管理方法，该方法在供暖系统入户管道末端安装集热量检测、数据传输、温度自动及远程控制于一体的住宅供暖智能协调器，通过对单户供暖管道进水流量及进出水温度差值的检测，计算热量数据；在各房间布置无线温度传感器组，以无线远程通信的方式进行内外网控制信息及能耗数据的有效传输，进而支持热能数据自动采集及远程抄表功能；使用Mesh型无线传感器网络实时获取室内温度数据，通过室内无线数据网传输温度信息，住宅供暖智能协调器自动控制各阀门开度，调节室内温度，使集中供暖系统中不可控热能得到合理利用，不仅起到节能的作用，更满足住户舒适度要求。
文档编号F24D19/10GK101832600SQ20101017433
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月17日 优先权日2010年5月17日
发明者于军琪, 吕齐, 徐硕, 王晓曼, 高博超 申请人:西安建筑科技大学