贵州大学电气工程学院 杨朝磊 王民慧

基于Zig Bee的太阳能热水器电辅助加热控制系统设计

贵州大学电气工程学院 杨朝磊 王民慧

在常年阴雨天气较多的地区，太阳能热水器经常供热不足，且安装分散，不便于管理，而采用电热水器来供热水能耗大，不利于节能。针对以上问题，本文研究了一种基于ZigBee的太阳能热水器电辅助加热控制系统，当太阳能供热不足时，开启电加热器对水温进行调节，以满足用户需求。传感器节点和数据收集终端以CC2530为核心处理器，以ZigBee无线传输技术为通信手段，形成了一个无线传感网络。同时利用LabVIEW软件设计了上位机管理系统，以实现对温度的远程监控。研究结果表明，该系统稳定可靠，具有一定的研究价值和实用价值。

太阳能热水器；控制系统；ZigBee；无线通信

太阳能热水器对天气有很强的依赖性，在阴天或多雨的季节，常常会出现对管道的水加热不足的问题，难以满足用户的用水需求[1]。而则采用电热水器来供热水虽然具有安装、使用方便等特点，但是能耗非常大。针对上述问题，本文提出了一种基于ZigBee的太阳能热水器辅助加热控制系统，采用太阳能和电辅助加热的方案来对热水器的水温进行控制。传感器节点通过温度传感器和水位传感器来获取当前水箱的温度值和水位值，再通过ZigBee无线网络将信息传输给数据收集终端，数据收集终端进而将数据通过串口传输到上位机进行显示和存储；同时，采用LabVIEW软件设计了上位机管理系统，用户可在PC机上实时监控各个不同区域的热水器的水箱温度和水位，当太阳能加热的水温不能满足用户需求时，可将手动或自动加热指令通过数据收集终端下发各个传感器节点，使之控制电加热器开始加热；当太阳能功能充足时，会自动停止电加热器，并将相关信息发送给用户，防止电能消耗。此外，当水箱水位不在设定值范围时，传感器节点会进行自动控制，无需用户干预。传感器节点和数据收集终端均增设了PA功放模块[2]，通信距离可达2Km，大多数情况下能够完全覆盖需要供热水额区域，不需要远程布线，便于设备维护和管理。本系统简化了硬件设计，操作方便，实用性强。

基于ZigBee的太阳能热水器辅助加热控制系统具体功能有：(1)实现对水箱温度和水位的实时监测；(2)当太阳能热水器对管道的水加热温度不够时，控制继电器模块开启电辅助加热，保证水温满足用户要求；(3)在进行电辅助加热时，自动开启防干烧检测，防止水箱干烧导致火灾等事故发生；(4)将所采集的信号发送给控制终端，同时接受终端命令，并执行相应操作。数据收集终端通过串口与PC及机通信。ZigBee控制节点和终端处理器均采用CC2530作为主控芯片，传感器节点和数据收集终端组成星形网络，从而用户通过PC机即可实时远程监控各个水箱的温度和水位情况。系统结构图如图1所示。

传感器节点采用某公司开发的无线通信集成模块ZG-Mx为控制模块，ZG-Mx以CC2530芯片为核心控制器，利用内部ADC采集外部传感器信号[3]，经过处理后通过RF收发器发送给数据处理终端；同时通过RF收发器接收数据终端命令，通过相应的I/O口输出模拟控制信号，驱动电加热模块或电磁阀控制模块执行相应的开/闭动作。该模块才用K型热电偶和CYW11液位器分别进行温度检测和水位检测，通过继电器和电磁阀分别进行温度控制和水位控制。其电路示意图如图2所示。

图1 总体设计方案框图

图2 控制节点电路示意图

数据终端亦采用某公司开发的无线通信集成模块ZG-Mx为控制模块，数据收集终端通过USB转串口模块与PC机通信，将接收到的无线数据信息通过串口传输到PC机；同时也可从串口读取用户发出的数据指令，再通过RF收发器发送给网络中的对应的某个传感器节点，从而使控制节点执行相应动作。其硬件电路如图3所示：

控制节点上电后自动扫描加入数据终端所建立的无线通信网络，入网成功后不断采集传感器数据并发送给数据终端，采集的数据包括水温数据、水位数据、电加热防烧干检测等；当收到数据终端传输过来的数据指令时，根据指令类型执行相应的动作，包括水温保持设置、自动/手动加热等。其程序流程图如图4所示。

图3 数据终端硬件设计图

图4 控制节点软件流程图

图5 据终端软件流程图

数据终端上电后，首先启动初始化程序，建立一个新的ZigBee无线通信网络，并允许各个控制子节点加入网络[4]。当收到控制节点发送过来的无线数据后，通过串口转发给上位机，由上位机对数据进行处理；当从串口读出上位机的数据指令后，再转发给网络中的某个控制节点。其程序流程图如图5所示。

上位机软件采用LabVIEW软件来设计。采用LabVIEW编程，可以充分利用计算机的资源，发挥其强大的数据处理功能，用户可根据自己的需求定义或设计出具有特色功能控制或显示仪器[5]。用户可登录上位机系统，对界面进行操作，通过发出自动/手动加热、或保温设置等指令，实现对热水器的水温和水位进行远程监控。测试结果如图6所示：

图6 机测试结果

与传统的太阳能热水器电辅助加热控制器相比，本文所提出的控制器引入了ZigBee无线通信技术，管理人员可通过一台PC机对多个建筑物的太阳能电辅助加热控制器进行集中管理，解决了远程布线的困难，同时使得控制工作变得更加智能化，大大减减少管理工作负担。该系统不仅保证了用户对热水的需求，同时还降低了电能的不必要消耗，与单一的电加热控制方式相比具有一定的节能效果。综上所诉，该系统具有一定的研究意义和实用价值。

[1]胡丰光.浅析我国太阳能热水器产业的发展[J].科技资讯,2015(19): 206-207.

[2]黄玉立.基于CC2591的无线通信前端设计及实现[D].电子科技大学,2011.

[3]陈克涛,张海辉,张永猛,张杰,吴婷婷.基于CC2530的无线传感器网络网关节点的设计[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2014(05): 183-188.

[4]孙彩云.基于ZigBee的无线组网技术研究[D].中北大学,2011.

[5]陈树学,刘萱.LabVIEW宝典[M].北京:电子工业出版社,2011,3.

杨朝磊（1992—），贵州平塘人，硕士研究生，现就读于贵州大学电气工程学院。