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智能加热调节
Josef Horalek和Vladimir Sobeslav
摘要：通过自备锅炉加热是非常普遍和流行的。然而，绝大多数的供暖系统都不能很好地解决加热调节问题。通常，住宅单元包含一个中央恒温器来控制锅炉，但不能在各个房间设置不同的温度。可能的解决方案是测量每个房间的温度并控制单个散热器上的控制阀。这些解决方案使用专有的通信协议，非常昂贵。且控制算法是不可调整的。通过我们的调节的设计和实现，我们不仅节省了资金，而且主要提高了客户的便利性。本文介绍了使用Arduino平台的智能加热解决方案的可能性，该平台提供了足够的性能，并支持有效的编程和开放源代码和解决方案的利用。
关键词：Arduino；温度调节；家庭自动化；智能计量
1引言
目前集中供热是最普遍的供暖方式之一。它的原理很简单：房子里的每一个都有自己的锅炉。它可以是煤锅炉，但主要是燃气锅炉。加热系统由一个中央锅炉和分布在整个系统的散热器系统组成。每个住宅房间至少有一个散热器，散热器的最大数量在理论上不受限制，但通常在一层中不超过三个[1]。为了控制整个系统，主要使用一个中央恒温器。它与锅炉（考虑燃气锅炉）的连接是通过两条导线实现的。早期锅炉使用交流电压为230伏，然后在电线中还有一个保护导体。现代锅炉直流电压为12伏。此外，在廉价锅炉的情况下，不使用任何智能通信总线。如果恒温器处理需要通过它的传感器加热，它只连接通向锅炉的两条导线。当恒温器评估足够的温度高度时，它断开电线，从而关闭锅炉。可能所有不超过十年的锅炉都通过控制单元内的内置微处理器对散热器系统向锅炉返回的水温进行评价。如果锅炉温度高于设定温度，则自动停止加热。如果有永久性的电线连接，除了过热之外什么都不发生。
理想的解决方案是使用与[2]和[3]所介绍的水平相同的等温性调节。在这种类型的调节中，系统中的水的温度发生变化。锅炉需要较低的温度来加热水，其消耗的能量较低。该调节由等温曲线给出，该曲线描述了外部温度和加热水温的相互依赖性，这是在房间达到所需温度所需的。对于等温调节，必须有对锅炉水温进行电子控制的可能性。便宜的锅炉只有一个机械电位器。虽然有可能将机械电位器在锅炉控制板上换成数字电位器，但是锅炉不会被检验批准，可能有危险。如果我们不能通过调节确保每个房间的温度不同，客户将感到不舒服，这将意味着高能源成本。现有的可能解决方案根本解决不了这个问题，或者它们依赖于所有房间的敞开式门，所以加热非常昂贵并且通常基于商业方式。
如果自动化系统不是基于自由软件和解决方案，而它使用专有协议，则不可能使系统容易改变。我们揭示了一个公司在一段时间内停止销售系统的风险，因此技术支持就结束了。如果任何一个元素自己断裂，它将不可能购买新的来替代它，我们将不得不改变整个调节系统。这需要建筑工程，也可能有必要改变所有散热器上的阀门元件。关闭整个供暖系统是必要的。
因此，目标应该是在每个房间中单独地扫描温度[4]，并且通过自身的控制单元一致地评价房间是否达到所需的温度。如果这样的话，这个单位必须能够关闭这个房间的暖气。实际上只有一种方法是可能的——通过关闭加热介质进入加热元件的通路[5]。
2 问题分析
最广泛使用的系统是中央锅炉，中央恒温器和加热元件系统的模型。这种集中系统是从其原理上的不良解决方案，因为整个供暖单元（一层楼和房子）是由一个房间的温度控制的。如果我们有两个房间的供暖单元的模型方案，一般情况下，在房间A，我们希望有20°C和房间B 22°C。在使用机械可设置的散热器阀时，可以通过在空房间中保持正确温度的位置进行测试。一旦有一个或更多的人在任何房间，整个管制停止工作。已知人类提供与100 W灯泡相对应的热量。如果房间里有人和一些家用电器打开，它们会产生相当大的热量。这将导致锅炉关闭，在其他房间不会被加热到所需的温度[6]。
两种解决方案是可能的。第一个解决方案在于打开所有房间的门，因此温度均衡。显然，如果有不必要的房间（例如大厅）不必要地加热，这个解决方案是非常不经济的。此外，当目标状态在整个公寓中具有相同的温度时，客户的便利性是重要的。第二个解决方案在于每个房间和每个散热器单独控制的可能性。为了能够再次关闭和打开散热器，必须在其上有一个带有电子控制阀的执行器[7]。电子控制阀根据关闭散热器阀的方式有两种基本类型。第一个是由电力和热电阀供电的阀门。
电动阀包括小型电动马达和小的传动装置，阀活塞被挤压。由于它们的缺点，通常使用材料的传输寿命有限。在改变状态时，它们会产生干扰客户的噪音，尤其是在卧室的情况下。有一个优点是功耗只在状态变化时产生。阀门保持状态时，没有功耗。
自动阀由电动机供电。它们在阀门元件中直接扫描温度，这意味着和散热器间的一定距离，会使得它们不准确。他们有一个显示器和按钮，通过它，客户可以在范围内设定所需的温度和时间。电源由电池提供。热电阀采用与经典机械恒温阀相同的原理。它们有一个对内部热量起作用的元素。一旦元件被加热，它就会膨胀，从而挤压阀活塞。整个过程绝对没有噪音。缺点是保持状态的电力消耗。必须不断地供电加热元件。它比状态变化期间要小很多，但它仍然存在。每一个阀门的消耗通常在2瓦以下，根据制造商不同。另一个重要的选择标准是阀门工作电压。有两种类型：230V交流和24V交流/直流。230V阀需要电源电压。因此，它们的安装只能由具有特定证书的人执行，并且在一层楼中存在危险的电压接线。一个优点是简单和每个房间都有230V电源[8]。24V版本比230V版本安全得多。大多数制造商的阀门通常可以同时使用交流电压和直流电压。控制电压通常是直接从控制单元传输的，在这样的低电压下，发生相对较大的损耗。在带电压后，阀门可以打开或关闭散热器。它们是所谓的NC（正常闭合）和NO（正常开放）类型。从名称上可以清楚地看出，NC型没有电压就关闭了。没有电压就不能打开。最广泛使用的是NC模型，因为散热器只有在它必须加热的情况下才打开。否则，它不会消耗任何能量的阀门。选择阀门时非常重要的参数是它的连接。目前，使用公制螺纹M30times;1.5的连接最为广泛。通常需要使用制造商支持的阀门。现有的解决方案很多，但都有一些不足之处。它们大多是高价格或商业（不免费）的解决方案。无线调节系统的控制是根据单个阀门和中央单元的无线通信原理进行的。该系统采用自动阀，在散热器上直接测量，因此更不准确。一套四个房间可以用大约175美元的价格买到。
来自捷克公司Jablotron的监管要求除了个别阀门中心外，控制单元的价格约为240美元，这是非常昂贵的。无线智能调节系统Fibaro用于各个元件之间的无线通信使用Z波。最便宜的中央控制单元约为320美元。它可以与大量的其他传感器在整个公寓中通信，但是如果我们只需要供热调节，它的价格是难以承受的昂贵。无线调节系统PocketHome具有最便宜的中央控制单元，但问题在于昂贵的控制阀。
3新解决方案
新的解决方案使用单独控制所有加热元件，并扫描每个房间的温度。不可能进行等温线调节，因为没有专业的燃气锅炉干预是不可能的。在分析控制阀之后，我们得出结论，最合适的阀门是热电元件，它不包含任何机械元件。合适的电压是24伏，因为它也可以从中央单元传送电力。使用的导线将是UTP型，因此它可以由无源PoE（以太网供电）供电。从逻辑和技术的角度来看，使用230V交流阀和24V交流/直流是没有问题的。
为了评估关闭散热器，中央单元必须知道房间的确切温度。为了更高精度，在每个房间中可以有更大数量的温度计，中心单元可以计算平均值。对于温度测量，可以使用更多类型的传感器。最便宜的温度传感器是根据周围温度改变其电阻的热敏电阻。有一个NTC版本的基础上，降低电阻值，同时降低温度和PTC版本[9, 10]，同时增加温度，其电阻也上升。为了满足这些需要，必须知道所用热敏电阻的精确特性。然后，最大的问题是使用模拟值。一旦我们使用几厘米长或更短的电源线，我们就达不到所需的精度。因此，必须有热敏电阻，包括电缆校准[11]。第二种变体是具有模拟输出的温度传感器，例如LM35。它使温度重新计算为电压。1°C等于10mV。当我们测量20°C为200mV，它可以很好地测量电压。缺点是校准电缆的要求。优点是直接读取温度，我们不关心温度传感器的内部特性。最好的解决方案是温度传感器在数字总线上通信，这能带来几个优点。最重要的是，我们不必将电缆从中央单元到温度传感器校准。大多数总线的通信受到传输上的校验和机制的保护，从而确保错误传输的值的检测。由于总线特性，可以在一根电缆（总线）上连接更多的温度传感器。最著名的是数字温度传感器Dallas DS18B20。
控制单元作为整个加热系统的大脑。它应该是足够强大的整个系统运行，无故障，廉价和易于编程的。
由于不需要经常记录当前数据，我们将使用单片机控制。它包括一个芯片中的RAM、ROM、处理器和其他支持电路的整个计算机。这将是可能的远程日志，并有机会改变算法值实时加热，但有必要使用板上经典的times;86，或ARM架构。但这会使整个解决方案变得更加昂贵和复杂。在英特尔平台和普通操作系统微软Windows或Linux下，与单线程相比，在单个线程中运行的程序不变的故障率会大大降低。控制单元将使用一个简单的算法。如果房间内测量的温度小于客户所需的温度，则打开散热器。如果锅炉不运行，它就打开它。它控制所有这样的房间。如果至少有一个散热器打开，它总是打开锅炉。反过程是一样的。如果所有散热器都已关闭，则锅炉的机组转动。我们通过中继解决中央单元性能部分。每个散热器上的每个阀门都通过自己的继电器接通。锅炉也有自己的继电器，通过它可以使用各种型号的控制阀。我们不关心所需的230, 24V电压，因为它们是通过继电器来切换的。需要对加热单元的每个房间进行电线分配。单独的电力线必须引导到每个加热单元并加上控制阀门。这将是可能的，使用共同的地，但由于性能，使用电力线为每个加热元件在我们的设计。数字温度计在总线上进行通信，为了运行，只需要两条电源线。它们都连接在该总线上，并且由于它们的通信协议，它们能够与中央控制单元通信。要注意电缆的截面，导致散热器上的阀门。一定没有大的电压降。温度计电路要复杂得多。每个总线对其最大长度、容量、电路类型和直接连接的最大数量的设备都有直接的要求。例如，在总线I2C内，总线最大长度受到不能超过400 PF容量的电缆的限制。分支不是任意的，一些总线启用星型拓扑（以太网），另一些则是总线拓扑（RS-485）。
4解决方案实施
对于具有两个房间的模型，每个包含加热元件的实现，我们需要两个电控阀，中央控制单元和连接电缆。因为我们的测试室很小，我们不需要特别精确，所以我们只在一个房间放一个温度传感器。如果需要更高的精度，则可以在中央控制单元中附加地添加更多的温度传感器并调整RMWRADE。由于电机驱动的阀门噪音大，使用寿命短，所以使用热电驱动的阀门。通过拉伸元件加热进行控制。从安全原因出发，阀门连接到24V直流电源。使用类型为NC（正常闭合，无电压闭合）。由于这一事实，有必要保持阀门供电只需要时间来加热房间到所需的温度。每个散热器都有单独的24V电源。这些电源与中央控制单元内的继电器板相连。对于第三继电器，我们连接锅炉代替原来的恒温器。锅炉将与控制单元电分离，因此我们完全满足安全标准。作为温度传感器，理论上可以使用各种类型的传感器。因为需要知道它们的特性，并且需要对电路电阻进行计算，不使用热敏电阻测试。我们所用的传感器LM35的精度为plusmn;0.75°C[12]，以达到加热调节的目的。我们通过读取图1的电压值来读取温度值。再次，需要在每个房间中进行传感器校准并对测量进行计数。对于每个传感器，必须附加一个单独的数据导体。尽管容易测量，但我们没有长期测试LM35传感器来读取问题数据。
图1 数字万用表LM 35测温方案
图2 在温度转换期间提供电给DS18B20
最实惠的解决方案是将温度传感器DS18B20直接加入电路中。传感器DS18B20通过
1-Wire总线与中央控制单元通信，如图2所示。由于总线，只有一条电缆可以用来与同一层的传感器并联。1-Wire总线总是包含一个主设备和1到n个从设备。
通信总是由主设备和从设备响应的。总线上的操作分时段。总线与I2C相比要慢得多，不适合较大数据传输。然而，它完全适合用于读取来自各个传感器的值(图3)。
图3 用外部电源为DS18B20供电
对于毫不含糊的标识，每一个1-Wire设备都包含世界上唯一的64位序列号（ID）。由于DS18B20功耗很小，所以可以在所谓的“寄生模式”中执行它，我们只将地面和数据导体连接到传感器。功率（ ）通过数据导体传输。所有传感器都内置微型电容器，在总线上逻辑1的情况下充电，然后实现传输。在更长的距离，可以使用三线连接，接地和数据。
作为中央控制单元，我们选择了ARDUNO，具体是ARDUINO纳米板。它与通用Arduino Uno和ARDUIO Duemilanove完全兼容，但尺寸较小，能够直接连接到印刷电路板。测试了几种不同的微型计算机，主要是AVR、PIC和STM32。STM32是大约84MH的32位ARM处理器。对于本调试，它们不必要地强大，而且编程复杂。它们不是在DIL（双列直插式封装）解决方案中产生的，而是仅在SMD（表面安装装置）中产生的，因此它们不适合手工安装。8位PIC单片机本身是低功耗的，问题主要是在小RAM中。通常，它们有256字节RAM。考虑到以太网通信的未来可能的扩展，它太小不够用。从ATMEL公司，特别是ATMEGA328的AVR家族中，最有利的是自带显示的微型计算机。它有2 kb RAM，1 kb EEPROM，它工作在16MH。
考虑到简单的编程，我们使用了Arduino编程语言。这是简单的C 编程。对于Arduino来说，有大量的图书可供参考，并且有极好的社区支持。Arduino Nano有14个输入输出引脚。在EEPROM集成的1 kb EEPROM中结合了所需温度的设置。如果用户想要
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