专利名称：一种新型教室节能供暖系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于楼宇自动化领域，特别涉及一种新型教室节能供暖系统。
背景技术：
现有的教室供 暖系统，通常是以全局并联局部串联的方式敷设，主管道包括进水管道和回水管道。多个相邻的教室被划分到一个并联支路内，热水由主管道流进这个并联支路的第一间教室，再由第一间教室暖气片的回水口流入第二间教室，如此继续直到最后一间教室暖气片的回水口流入总系统的回水管道。因此，传统的教室供暖系统存在如下缺陷1.关闭单间教室的暖气片将会导致整个并联支路循环阻塞，使整个支路瘫痪，不利于单间教室的供暖操作；2.整个系统全天二十四小时不间断供暖，不能定时工作，也不具有根据教室内是否有人自动供暖的功能，供暖过程存在大量的能源浪费，不符合当今社会节能减排的发展趋势。因此需要一种教室节能供暖系统，实现将教室内的暖气片设定为上课时间段工作，在上课时间段以外，教室的供暖装置根据人员有无自动工作，工作人员还能通过管理中心能够直接开启或关闭某间教室的供暖装置，从而节约能源和资源，达到节能降耗的目的。
实用新型内容本实用新型的目的在于解决背景技术所述实现将教室内的暖气片设定为上课时间段工作，在上课时间段以外，教室的供暖装置根据人员有无自动工作，工作人员还能通过管理中心能够直接开启或关闭某间教室的供暖装置的问题，提供一种新型教室节能供暖系统，其特征在于，新型教室节能供暖系统由教室管理中心控制端和N(N为2 150的正整数)个教室终端以及每个教室终端控制的被控暖气装置组成，教室管理中心控制端置于学校的教务管理部门，教室终端置于每个被管理的教室内，教室管理中心控制端和N个教室终端以射频无线通信连接构成控制网络；所述教室管理中心控制端由计算机、USB/UART转换模块、无线单片机、功率放大模块以及天线构成，计算机通过USB接口与USB/UART转换模块输入端连接，USB/UART转换模块输出端与无线单片机的UART接口连接，无线单片机的射频输出引脚与功率放大模块输入端连接，功率放大模块射频输出端与天线连接，无线单片机作为ZigBee协调器，计算机通过USB接口经USB/UART转换模块与ZigBee协调器连接，计算机与无线单片机的通信基于串行口(UART)进行处理；所述教室终端包括无线发射和人体感应装置I以及无线接收和电磁阀控制装置2，无线发射和人体感应装置I以及无线接收和电磁阀控制装置2均置于教室内，无线接收和电磁阀控制装置2通过射频无线连接与教室管理中心控制端的计算机以及无线发射和人体感应装置I构成控制网络，无线接收和电磁阀控制装置2中的接收单片机作为一个路由节点(Router),加入由教室管理中心控制端的协调器(Coodinator)生成的ZigBee网络，接受教室管理中心控制端下发的根据上课时间设定的开关指令，控制被控暖气装置，无线接收和电磁阀控制装置2中的发射单片机允许无线发射和人体感应装置I的发射单片机作为终端节点(EndDevice)加入网络，发射单片机和接收单片机通过协议栈的应用层绑定，防止各教室之间相互干扰，生成一对一的感应与控制关系，接收单片机根据发射单片机在上课时间以外传送的教室中有或者没有人体红外信号控制被控暖气装置开启或关闭；所述被控暖气装置包括暖气片进口三通电磁阀3、暖气片4、旁路管5和暖气片出口三通接头6，暖气片进口三通电磁阀3的进口 A与暖气热水管7连接，暖气片进口三通电磁阀3的出口 B与暖气片4的进水口连接，暖气片进口三通电磁阀3的出口 C与旁路管5一端连接，暖气片4的出水口与暖气片出口三通接头6的进口 D连接，旁路管5的另一端与暖气片出口三通接头6的进口 F连接，暖气片出口三通接头6的出口 E与暖气回水管8连接，无线接收和电磁阀控制装置2的电磁阀控制输出端与暖气片进口三通电磁阀3的电磁线圈连接；所述无线发射和人体感应装置I由射频发射模块101、发射机数据处理模块102、发射电路供电模块103和红外人体探测模块104组成，发射电路供电模块103向射频发射 模块101、发射机数据处理模块102和红外人体探测模块104提供直流低压，电平转换电路将电源的电平转换为射频发射模块101、发射机数据处理模块102和红外人体探测模块104中的器件所需的电平，稳压电路防止电压波动对各个模块电路的影响；红外人体探测模块104中红外人体探测器探测人体发出的红外线，红外人体探测器的信号输出端与信号调理电路的信号输入端连接，信号调理电路对红外人体探测器输出信号预处理，滤除掉不需要的信号成分和消除噪声，信号调理电路输出端与发射机数据处理模块102中发射单片机的A/DC电路接；发射机数据处理模块102包括发射单片机、主晶振、副晶振和编程通信接口，主晶振和副晶振的输出端分别与发射单片机的外部晶振接入引脚连接，编程通信接口由单片机相应的引脚单独引出，发射单片机的射频引脚与射频发射模块101的射频外围电路的电感连接；射频发射模块101中射频外围电路输出端与发射天线连接；所述无线接收和电磁阀控制装置2由射频接收模块201、接收机数据处理模块202、接收电路供电模块203和电磁阀驱动模块204组成，接收电路供电模块203向射频接收模块201、接收机数据处理模块202和电磁阀驱动模块204提供直流低压以及向电磁阀驱动模块204中的继电器和暖气片进口三通电磁阀3提供220V交流电电压，电平转换电路将电源的电平转换为射频接收模块201、接收机数据处理模块202和电磁阀驱动模块204中的器件所需的电平，稳压电路防止电压波动对各个模块电路的影响；射频接收模块201中接收天线与射频外围电路射频输入端连接，射频外围电路的输出端与接收机数据处理模块202的接收单片机中无线功能模组输入端连接；接收机数据处理模块202包括接收单片机、主晶振、副晶振和编程通信接口，主晶振和副晶振的输出端分别与接收单片机的外部晶振接入引脚连接，编程通信接口由单片机相应的引脚单独引出，接收单片机的GPIO引脚与电磁阀驱动模块204的驱动电路输入端连接，驱动电路输出端与继电器连接，无线接收和电磁阀控制装置2的电磁阀控制输出端为继电器的常开触点，继电器的常开触点与暖气片进口三通电磁阀3电磁线圈连接；所述教室管理中心控制端中的无线单片机以及教室终端中的发射单片机和接收单片机均为集成有无线功能的单片机，高频部分采用直接序列扩频通信技术(DSSS)，支持现成的ZigBee协议栈；[0011]所述无线单片机、发射单片机和接收单片机为CC2430单片机或CC2530单片机；所述教室管理中心控制端、无线发射和人体感应装置I以及无线接收和电磁阀控制装置2使用射频频段为IEEE802. 15. 4规定的2. 4Ghz无线通信频段；所述教室管理中心控制端对教室终端的无线通信射频发射功率为IOOmW,有效传输距离不小于300m ；为了防止相邻教室中教室终端的无线通信模块之间的干扰，所述教室管理中心控制端与各间教室的无线接收和电磁阀控制装置2之间，以及无线发射和人体感应装置I与无线接收和电磁阀控制装置2之间的通信基于ZigBee协议；所述发射电路供电模块103的电源为交流220V供电或干电池供电； 所述接收电路供电模块203的电源为交流220V供电。本实用新型用在改造传统的教室供暖系统，也能应用在新建设的教室供暖系统，采用了 ZigBee无线组网技术、数据库管理技术、人机交互技术和红外人体探测技术，将传统的教室供暖系统改造成具有集中管理功能的教室节能供暖系统。整个系统的工作流程为工作人员通过教室管理中心控制端启动整套教室供暖系统，教室管理中心控制端将数据库中每间教室默认的上课时间由ZigBee网络下发给每间教室的教室终端，教室终端的接收单片机将依照该设定控制被控暖气装置的暖气片进口三通电磁阀，使教室内的暖气片在设定的时间段工作。在上课时间段以外，教室终端的红外人体探测模块将自动开启并探测教室内是否有人，然后将检测到的人体红外信号发送给接收单片机，从而在这段时间内，如果教室内有人则自动开启供暖系统，保证正常供暖，否则就停止供暖。另外，工作人员能通过教室管理中心控制端给任何一间教室的教室终端下发指令，直接开启或关闭某间教室的被控暖气装置。教室终端的接收单片机接收教室管理中心控制端或无线发射和人体感应装直I的发射单片机的开启被控暖气装置的指令后，使暖气片进口三通电磁阀3的A端和B端保持接通状态，A端和C端保持断开状态，供暖热水从暖气热水管7经暖气片进口三通电磁阀3的A-B通路流过暖气片4后从暖气片出口三通接头6的D-E通路流入暖气回水管8，保证正常供暖。教室终端的接收单片机接收教室管理中心控制端或无线发射和人体感应装置I的发射单片机的关闭被控暖气装置的指令后，使暖气片进口三通电磁阀3的A端和C端保持接通状态，A端和B端保持断开状态，供暖热水从暖气热水管7经暖气片进口三通电磁阀3的A-C通路流过旁路管5从暖气片出口三通接头6的F-E通路流入暖气回水管8，停止供暖。本实用新型的有益效果为改进传统的教室供暖系统，在被控暖气装置上增加三通电磁阀和旁路系统，教室终端的接收单片机按照教室管理中心控制端或无线发射和人体感应装置发来的开启或关闭被控暖气装置的指令控制教室的供暖装置，实现智能化供暖，有效地控制教室的供暖时间，达到节约能源的目的。
图I为新型教室节能供暖系统实施例示意图；图2为教室管理中心控制端构成不意图；图3为单间教室节能供暖装置示意图；[0023]图4为无线发射和人体感应装置框图；图5为无线接收和电磁阀控制装置框图。图中，I-无线发射和人体感应装置，2—无线接收和电磁阀控制装置，3—暖气片进口三通电磁阀，4—暖气片，5—旁路管，6—暖气片出口三通接头，7—暖气热水管，8—暖气回水管，101-射频发射模块，102-发射机数据处理模块，103-发射电路供电模块，104—红外人体探测模块，201—射频接收模块，202—接收机数据处理模块，203—接收电路供电模块，204—电磁阀驱动模块。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步的说明。图I为新型教室节能供暖系统实施例示意图，新型教室节能供暖系统由教室管理中心控制端和50个教室终端以及每个教室终端控制的被控暖气装置组成，教室管理中心·控制端置于学校的教务管理部门，教室终端置于每个被管理的教室内，教室管理中心控制端和50个教室终端以射频无线通信连接构成控制网络。教室管理中心控制端统一存储各间教室的上课时间信息，并能够根据需要实时修改，这些上课时间信息将成为教室定时供暖的依据。教室管理中心控制端采用无线单片机作为整个网络的协调器，其发射功率为IOOmW,空旷环境下可以传输2km，考虑到墙壁阻挡，其有效传输距离大约在300 400m。当教室管理中心控制端启动后，协调器将建立一个ZigBee网络，各间教室内的教室终端在启动后也将加入该网络，加入网络后各个无线节点将通过自身的FLASH-R0M存储网络信息以便在节点重新启动后直接进入网络。网络形成后，教室管理中心控制端就通过网络下发指令控制各间教室供暖系统的开启或关闭。教室管理中心控制端构成如图2所示，教室管理中心控制端由计算机、USB/UART转换模块、无线单片机、功率放大模块以及天线构成，计算机通过USB接口与USB/UART转换模块输入端连接，USB/UART转换模块输出端与无线单片机的UART接口连接，无线单片机的射频输出引脚与功率放大模块输入端连接，功率放大模块射频输出端与天线连接，无线单片机作为ZigBee协调器，计算机通过USB接口经USB/UART转换模块与ZigBee协调器连接，计算机与无线单片机的通信基于串行口进行处理。图3为单间教室节能供暖装置示意图，包括教室终端和被控暖气装置。教室终端包括无线发射和人体感应装置I以及无线接收和电磁阀控制装置2，无线发射和人体感应装置I以及无线接收和电磁阀控制装置2均置于教室内，无线接收和电磁阀控制装置2通过射频无线连接与教室管理中心控制端的计算机以及无线发射和人体感应装置I构成控制网络，无线接收和电磁阀控制装置2中的接收单片机作为一个路由节点，加入由教室管理中心控制端的协调器生成的ZigBee网络，接受教室管理中心控制端下发的根据上课时间设定的开关指令，控制被控暖气装置，无线接收和电磁阀控制装置2中的接收单片机允许无线发射和人体感应装置I的发射单片机作为终端节点加入网络，发射单片机和接收单片机通过协议栈的应用层绑定，生成一对一的感应与控制关系，防止各教室之间相互干扰，接收单片机根据发射单片机在上课时间以外传送的教室中有或者没有人体红外信号控制被控暖气装置开启或关闭。被控暖气装置包括暖气片进口三通电磁阀3、暖气片4、旁路管5和暖气片出口三通接头6，暖气片进口三通电磁阀3的进口 A与暖气热水管7连接，暖气片进口三通电磁阀3的出口 B与暖气片4的进水口连接，暖气片进口三通电磁阀3的出口 C与旁路管5—端连接，暖气片4的出水口与暖气片出口三通接头6的进口 D连接，旁路管5的另一端与暖气片出口三通接头6的进口 F连接，暖气片出口三通接头6的出口 E与暖气回水管8连接，无线接收和电磁阀控制装置2的电磁阀控制输出端与暖气片进口三通电磁阀3的电磁线圈连接。教室终端中的无线发射和人体感应装置I以及无线接收和电磁阀控制装置2的构成分别如图4和图5所示。无线发射和人体感应装置I由射频发射模块101、发射机数据处理模块102、发射电路供电模块103和红外人体探测模块104组成，发射电路供电模块103向射频发射模块101、发射机数据处理模块102和红外人体探测模块104提供直流低压，电源为干电池供电，电平转换电路将电源的电平转换为射频发射模块101、发射机数据处理模块102和红外 人体探测模块104中的器件所需的电平，稳压电路防止电压波动对各个模块电路的影响；红外人体探测模块104中红外人体探测器探测人体发出的红外线，红外人体探测器的信号输出端与信号调理电路的信号输入端连接，信号调理电路对红外人体探测器输出信号预处理，滤除掉不需要的信号成分和消除噪声，信号调理电路输出端与发射机数据处理模块102中发射单片机的A/DC电路连接；发射机数据处理模块102包括发射单片机、主晶振、副晶振和编程通信接口，主晶振和副晶振的输出端分别与发射单片机的外部晶振接入引脚连接，编程通信接口由单片机相应的引脚单独引出，发射单片机的射频引脚与射频发射模块101的射频外围电路的电感连接；射频发射模块101中射频外围电路射频输出端与发射天线连接。无线接收和电磁阀控制装置2由射频接收模块201、接收机数据处理模块202、接收电路供电模块203和电磁阀驱动模块204组成，接收电路供电模块203向射频接收模块201、接收机数据处理模块202和电磁阀驱动模块204提供直流低压以及向电磁阀驱动模块204中的继电器和暖气片进口三通电磁阀3提供220V交流电电压，电源为交流220V供电，电平转换电路将电源的电平转换为射频接收模块201、接收机数据处理模块202和电磁阀驱动模块204中的器件所需的电平，稳压电路防止电压波动对各个模块电路的影响；射频接收模块201中接收天线与射频外围电路射频输入端连接，射频外围电路的输出端与接收机数据处理模块202的接收单片机中无线功能模组输入端连接；接收机数据处理模块202包括接收单片机、主晶振、副晶振和编程通信接口，主晶振和副晶振的输出端分别与接收单片机的外部晶振接入引脚连接，编程通信接口由单片机相应的引脚单独引出，接收单片机的GPIO引脚与电磁阀驱动模块204的驱动电路输入端连接，驱动电路输出端与继电器连接，无线接收和电磁阀控制装置2的电磁阀控制输出端为继电器的常开触点，继电器的常开触点与暖气片进口三通电磁阀3电磁线圈连接。教室管理中心控制端中的无线单片机以及教室终端中的发射单片机和接收单片机均为集成有无线功能的单片机，高频部分采用直接序列扩频通信技术，支持现成的ZigBee协议栈，型号为CC2430单片机或CC2530单片机，各单片机中的主晶振频率应为16MHz，副晶振频率应为32. 768kHzο教室管理中心控制端、无线发射和人体感应装置I以及无线接收和电磁阀控制装置2使用射频频段为IEEE802. 15. 4规定的2. 4Ghz无线通信频段。[0036]教室管理中心控制端与各间教室的无线接收和电磁阀控制装置2之间，以及无线发射和人体感应装置I和无线接收和电磁阀控制装置2之间的通信基于ZigBee协议。本实用新型采用了 ZigBee无线组网技术、数据库管理技术、人机交互技术和红外人体探测技术，将传统的教室供暖系统改造成具有 集中管理功能的教室节能供暖系统，本实用新型能用于改造传统的教室供暖系统，还能应用在新建设的教室供暖系统中，将传统的教室供暖系统改进为一种新型的教室节能供暖系统，对于实现节能减排有重要意义。
权利要求1.一种新型教室节能供暖系统，其特征在于，新型教室节能供暖系统由教室管理中心控制端和N个教室终端以及每个教室终端控制的被控暖气装置组成，教室管理中心控制端置于学校的教务管理部门，教室终端置于每个被管理的教室内，教室管理中心控制端和N个教室终端以射频无线通信连接构成控制网络； 所述教室管理中心控制端由计算机、USB/UART转换模块、无线单片机、功率放大模块以及天线构成，计算机通过USB接口与USB/UART转换模块输入端连接，USB/UART转换模块输出端与无线单片机的UART接口连接，无线单片机的射频输出引脚与功率放大模块输入端连接，功率放大模块射频输出端与天线连接，无线单片机作为ZigBee协调器，计算机通过USB接口经USB/UART转换模块与ZigBee协调器连接，计算机与无线单片机的通信基于串行口进行处理； 所述教室终端包括无线发射和人体感应装置(I)以及无线接收和电磁阀控制装置(2)，无线发射和人体感应装置(I)以及无线接收和电磁阀控制装置(2)均置于教室内，无 线接收和电磁阀控制装置(2)通过射频无线连接与教室管理中心控制端的计算机以及无线发射和人体感应装置(I)构成控制网络，无线接收和电磁阀控制装置(2)中的接收单片机作为一个路由节点，加入由教室管理中心控制端的协调器生成的ZigBee网络，接受教室管理中心控制端下发的根据上课时间设定的开关指令，控制被控暖气装置，无线接收和电磁阀控制装置(2)中的发射单片机允许无线发射和人体感应装置(I)的发射单片机作为终端节点加入网络，发射单片机和接收单片机通过协议栈的应用层绑定，生成一对一的感应与控制关系，防止各教室之间相互干扰，接收单片机根据发射单片机在上课时间以外传送的教室中人体有无的信号控制被控暖气装置开启或关闭； 所述被控暖气装置包括暖气片进口三通电磁阀(3)、暖气片(4)、旁路管(5)和暖气片出口三通接头(6)，暖气片进口三通电磁阀(3)的进口 A与暖气热水管(7)连接，暖气片进口三通电磁阀(3)的出口 B与暖气片(4)的进水口连接，暖气片进口三通电磁阀(3)的出口 C与旁路管(5)—端连接，暖气片(4)的出水口与暖气片出口三通接头(6)的进口 D连接，旁路管(5)的另一端与暖气片出口三通接头(6)的进口 F连接，暖气片出口三通接头(6)的出口 E与暖气回水管(8)连接，无线接收和电磁阀控制装置(2)的电磁阀控制输出端与暖气片进口三通电磁阀(3)的电磁线圈连接； 所述无线发射和人体感应装置(I)由射频发射模块(101)、发射机数据处理模块(102)、发射电路供电模块(103)和红外人体探测模块(104)组成，发射电路供电模块(103)向射频发射模块(101 )、发射机数据处理模块(102)和红外人体探测模块(104)提供直流低压，电平转换电路将电源的电平转换为射频发射模块(101)、发射机数据处理模块(102)和红外人体探测模块(104)中的器件所需的电平；红外人体探测模块(104)中红外人体探测器探测人体发出的红外线，红外人体探测器的信号输出端与信号调理电路的信号输入端连接，信号调理电路对红外人体探测器输出信号预处理，信号调理电路输出端与发射机数据处理模块(102)中发射单片机的A/DC电路连接；发射机数据处理模块(102)包括发射单片机、主晶振、副晶振和编程通信接口，主晶振和副晶振的输出端分别与发射单片机的外部晶振接入引脚连接，编程通信接口由发射单片机相应的引脚单独引出，发射单片机的射频引脚与射频发射模块(101)的射频外围电路的电感连接；射频发射模块(101)中射频外围电路输出端与发射天线连接；所述无线接收和电磁阀控制装置(2)由射频接收模块(201)、接收机数据处理模块(202)、接收电路供电模块(203)和电磁阀驱动模块(204)组成，接收电路供电模块(203)向射频接收模块(201 )、接收机数据处理模块(202 )和电磁阀驱动模块(204 )提供直流低压以及向电磁阀驱动模块(204)中的继电器和暖气片进口三通电磁阀(3)提供220V交流电电压，电平转换电路将电源的电平转换为射频接收模块(201)、接收机数据处理模块(202)和电磁阀驱动模块(204)中的器件所需的电平；射频接收模块(201)中接收天线与射频外围电路射频输入端连接，射频外围电路的输出端与接收机数据处理模块(202)的接收单片机中无线功能模组输入端连接；接收机数据处理模块(202)包括接收单片机、主晶振、副晶振和编程通信接口，主晶振和副晶振的输出端分别与接收单片机的外部晶振接入引脚连接，编程通信接口由单片机相应的引脚单独引出，接收单片机的GPIO引脚与电磁阀驱动模块(204)的驱动电路输入端连接，无线接收和电磁阀控制装置(2)的电磁阀控制输出端为继电器的常开触点，继电器的常开触点与暖气片进口三通电磁阀(3 )电磁线圈连接。
2.根据权利要求I所述的一种新型教室节能供暖系统，其特征在于，所述教室管理中心控制端中的无线单片机以及教室终端中的发射单片机和接收单片机均为集成有无线功能的单片机。
3.根据权利要求I或2所述的一种新型教室节能供暖系统，其特征在于，所述无线单片机、发射单片机和接收单片机为CC2430单片机或CC2530单片机。
4.根据权利要求I所述的一种新型教室节能供暖系统，其特征在于，所述教室管理中心控制端、无线发射和人体感应装置(I)以及无线接收和电磁阀控制装置(2)使用射频频段为IEEE802. 15. 4规定的2. 4Ghz无线通信频段。
5.根据权利要求I所述的一种新型教室节能供暖系统，其特征在于，所述教室管理中心控制端对教室终端的无线通信射频发射功率为IOOmW,有效传输距离不小于300m。
6.根据权利要求I所述的一种新型教室节能供暖系统，其特征在于，所述发射电路供电模块(103 )的电源为交流220V供电或干电池供电。
7.根据权利要求I所述的一种新型教室节能供暖系统，其特征在于，所述接收电路供电模块(203)的电源为交流220V供电。
8.根据权利要求I所述的一种新型教室节能供暖系统，其特征在于，所述N为2 150的正整数。
专利摘要本实用新型属于楼宇自动化领域，公布一种新型教室节能供暖系统，由教室管理中心控制端和2～150个教室终端以及每个教室终端控制的被控暖气装置组成。教室管理中心控制端置于学校的教务管理部门，教室终端置于每个被管理的教室内，教室管理中心控制端和教室终端以射频无线通信连接构成控制网络，控制教室的被控暖气装置开启或关闭。本实用新型采用了ZigBee无线组网技术、数据库管理技术、人机交互技术和红外人体探测技术，将传统的教室供暖系统改造成具有集中管理功能的教室节能供暖系统，能用于改造或新建的教室供暖系统中，建成节能型教室供暖系统，对于实现节能减排有重要意义。
文档编号F24D19/10GK202769807SQ20122001107
公开日2013年3月6日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者黄从智, 朱耀春, 程阳 申请人:华北电力大学