智能无线地暖集中监控系统设计

1.概述

近些年来，地暖系统因其控制灵活，节能环保，节省室内空间等优点被广泛应用。地暖常见的调节方式是手动调温，这种地暖系统是被动的。现在的很多电器设备已经智能化，利用先进的网络通信、电力自动化、计算机和无线电技术，将各种家电有机的结合起来，通过集中的管理监控，让智能电器具有能动性智能化的工具。地暖智能化是地暖发展的方向，我们所需要的智能地暖集中监控系统能实现全方位的信息交换功能，智能的自我状态控制功能和报警功能。

2.智能地暖集中监控系统的组成和工作原理

2.1系统组成

本系统主要由4部分组成：温控节点、通信频道、收发控制器、上位机监测控制软件。

温控节点其实就是温控面板，温控面板安装在每个房间里，这个部分主要的功能是监测室内温度，采集温度信息，将温度信息发送到上位机，同时根据室内温度智能控制地暖的温度参数和工作状态。通信频道为数据和命令的传输提供专门的频道。收发控制器是温控节点和上位机连接的中转设备[1]。收发控制器将温控节点所采集到的温度数据接收回来，再通过串口将这些数据传送到上位机软件；同时它将上位机软件所发出的命令信息发送到指定的温控节点。在网络规模小的系统中，收发控制器有一个，若系统规模较大，可以设置多个收发控制器，并将一个设置为主收发器，其它为从收发器。上位机监测控制软件则是整个系统的大脑，它的主要任务是初始化变量和控件，等待串口数据，收到完整数据包后，会根据数据包中的关键字进行不同的处理，提取出正确的温度信息和温控节点地址，并将数据显示出来；发送数据时，根据发送目标地址计算发送路径，将命令发送到正确的温度终端。为了减少温控节点的代码量，系统中有很多的数据处理是在上位机中进行的。

2.2网络结构的选择

本系统采用的技术是无线自组网技术，是一种没有预定的基础设施支撑的自组织可重构的多跳无线网络[2]。此网络有两种网络结构，分别是平坦结构和层次结构。

平坦结构的特点是网络比较简单，网络中所有的温控节点是对等的，网络管理比较简单，开销小，适合于小型自组网网络；层次结构的特点是网络比较复杂，按区域划分，每个区域有各自的区域主节点，网络管理较平坦结构要复杂，开销大，适合于大型自组网网络。

本系统网络规模小，故选择采用平坦结构。

2.3工作原理

每个温控节点和与它相邻的温控节点通过天线相互连接，组成无线网络，每个温控节点将采集到的温度信息通过无线频道传递到收发控制器，收发控制器通过串口将温度信息上传到上位机，上位机经过数据处理，再根据接收到的信息将命令发送到目标温控节点，目标温控节点执行接收到的命令[3]。

3.智能无线地暖集中监控系统的特点

智能无线地暖集中监控系统采用无线自组网技术，这个系统具有如下特点：

1）动态拓扑网络结构。无线自组网网络是一个动态多变的网络，所以基于此技术的智能无线地暖集中监控系统的网络结构也是多变的。本系统采用的组网结构为平坦式结构，每个温控节点都是对等的，没有主要和次要之分，只是把网络的控制功能分配到各个温控节点，网络的建立和调整是通过相互配合实现[4]。当系统中的某个温控节点被破坏时，也不会引起整个网络的瘫痪，提高了网络的抗毁性，但也使网络的拓扑结构发生了变化，同时温控节点信号强弱和电磁波等干扰也会随时影响网络拓扑结构，而且变化的形式和变化周期都是不可预测的[5]；

2）不依赖基础网络设施，自适应组网。该系统组网时不依赖任何基站等硬件网络设施，网络中的各个温控节点根据一种自组织原则相互协调工作，协调组网，自动探测网络拓扑结构的变化，自动选择传输路径，自动组成一个网络整体[3]。正因为无线自组网具备这样的特点，所以地暖监测系统的各个温控节点的安装就非常方便，不必考虑布线的问题，特别是在复杂环境下的布线，而且不必担心线路故障的问题，便于日后的检查和维修；

3）温度节点也是路由器。温控节点的信号覆盖范围是有限的，当这个节点需要跟它信号覆盖范围外的节点进行通信时就需要通过中间温度节点进行传递转发，所以系统中的每个节点还扮演着路由器的角色，担任转发数据命令和寻找路由的任务[2]。这样可以省去系统中的路由器，降低成本；

4）温控节点能源充沛，手动自动一体控制。本系统的温控节点电源供给由220V交流电提供，本系统温控节点工作电压为直流3.3V。在温控节点设计时，我们加入了电压转换模块，可以将220V交流电压转换为直流3.3V电压，这样就不必担心温控节点能量不足的问题。同时温控节点也设计有手动调节功能，可以根据自己的舒适度来调节温度高低。

4.关键技术问题

4.1路由协议

由于该系统的多跳传递转发特点和网络拓扑结构变化的不可预测性，要求网络能及时进行重新组合，所以要求制定的路由协议要及时感知网络拓扑结构的变化，对于温控节点的移动和任何一个温控节点的开关状态，信号强弱导致的链接状态的变化要作出感知，同时在感知后及时维护网络拓扑结构，重新组网，寻找数据转发最优路径，使通信保持畅通。

该无线网络包含一个与上位机相连接的收发控制器节点和若干温度节点。收发控制器节点上电初始化后就进入低功耗模式。温度节点随机布放，上电初始化后，温度节点首先会向收发控制器节点发出请求分配级别的命令，然后进入低功耗状态并打开定时器。若在设定时间内收到收发控制器节点分配的级别，该温度节点就会向收发控制器节点发送自组织信息的数据包。如果在设定时间内没有收到收发控制器节点分配的级别，该温度节点会从低功耗状态唤醒，再次发送请求分配级别的命令，如此循环。定时时间到，温度节点重新回到发射广播命令状态。当温度节点发射广播的次数达到设定值时，该温度节点就会将接收到的应答信息进行整理，确定自己在网络中的级别，并确定上级、同级和下级节点的相关信息。该温度节点再向上级节点发送包含这些信息的数据包，直到数据包传送到收发控制器节点，从而确定整个网络的拓扑结构。

4.2安全问题

在自组织网络中采用的是无线传输，无线信道本身的物理特性是：衰减大，干扰大，多径效应等。所以基于这样的物理特性，会造成温控节点的信号减弱，数据传输延时时间变长，更严重的会导致数据丢失[4]。此问题是无线信道本身的物理特性决定的，我们除了将天线设计成为整体PCB环行差分天线以外，在软件上加大了每个温度节点的采样频率，在单位时间内，在不产生相互干扰的情况下，多发送几次温度信息，由于地暖监控系统对温度信息采集的实时性要求不高，所以在实验中证明，这样的解决方案也是适用的。

5.结论

对智能无线地暖集中监控系统的研究是为了完善传统地暖控制中存在的不足之处，将无线自组网技术应用在地暖中进行无线智能程控是该系统的创新点，通过了解现有的地暖产品和技术的基础上，以及通过总结我们在安装使用过程中存在的问题，便考虑将无线自组网技术和传感技术集成应用在地暖中。通过不断的实验和完善，结果显示通过集成无线自组网技术，可以克服现场条件不理想时布线困难的问题，节约施工成本，方便了故障排查；同时通过集中监控减少了电力资源的浪费，达到节能的效果。通过对本系统的不断完善，它不但可以应用在办公楼、学校等公共场合，它智能调温的特点还可以应用在家庭中。