基于ZigBee的智能型电地暖的设计

摘 要：文章针对目前应用越来越广泛的电地暖供热方式，提出一种新的智能控制设计方案，并对其进行详细的介绍。在入户功率线路上接智能电地暖调配器，它能够实时监控线路上的各项电参量并据此控制各房间电地暖的启停，在每个房间的电地暖加热线缆上安装温控器开关，其能够监控房间温度并接收调配器的指令控制继电器对电地暖进行启停控制，调配器与温控器开关采用无线ZigBee进行数据传输。

关键词：电地暖；调配器；ZigBee

1 概述

现如今城市大气污染问题非常严峻，电能具有容易获取、使用方便以及清洁排放等特点，电地暖采暖技术目前已成为国内外研究重点[1]。为了高效利用电能，提升用户体验，需要对电地暖工作过程进行智能控制。对于一般家庭或住户，入户功率都有一定的限制，而电采暖设备功率通常都比较大，用电高峰时段常出现过载跳闸的现象。同时，在一天当中用户对房间温度的需求也有所不同。现有智能电地暖调配器，缺少功率监测及保护系统和自动温控系统，通讯线路繁杂，没有绿色节能设计。

2 功能概述

基于ZigBee的智能型电地暖主要由两部分构成：智能调配器和温控器开关。

智能电地暖调配器安装在电表之后的入户总功率线路上，它能够实时的监控入户线路的电压、电流、功率以及电能等信息并将这些信息直接显示在液晶显示器上。当电地暖开启且入户线路总功率超过入户最大功率的90%时，按照用户设定的房间优先级向温控器开关发送命令依次切断各房间电地暖，直至总功率降至安全范围。当智能调配器检测到有其他大功率用电器关闭，开启电地暖不会造成功率超限时，在根据优先级依次开启个房间电地暖。智能调配器可以选择“自主模式”、“温控模式”以及“省电模式”。在“自主模式”下，温控器开关完全由用户控制，手动完成电地暖的开启和关闭。“温控模式”下由用户设置房间温度，电地暖把房间加热到预设温度后自动关闭。“省电模式”下，智能调配器根据一天中不同时段用电量的不同依据“削峰填谷”原则，控制电地暖在谷时段用电，减少尖峰时段和峰时段用电量。

温控器开关安装在每个房间的电地暖发热线缆上，控制继电器来实现功率线路的接通和断开，同时通过温度传感器监测每个房间的温度并可以显示在数码管上。在省电模式中，调配器通过ZigBee无线通讯，控制温控器开关的开启和关闭。

3 系统硬件设计

智能型电力负载调配器内部系统包括智能控制系统、数据显示系统、电参量采集系统、用户输入系统和通讯系统。内部系统框图如图1所示。

其中，智能控制系统采用MSP430F149单片机，它具有功耗低、资源丰富、功能强大等特点[2]。数据显示系统采用LCD12864点阵式液晶，能够显示各种数字、汉字以及图形。电参量采集模块使用电流互感器采集功率线路上的电流，在供电电路采集电压，由此计算出当前线路的功率值以及累计使用电能。用户输入系统由两个按键构成，可以用来切换主界面、各房间加热优先级和电地暖的加热模式。通讯系统采用无线ZigBee通讯协议，使用TI公司的CC2480ZigBee通讯芯片[3]。

温控器开关采用STC12C5A60S2单片机作为处理器，DS18B20作为温度传感器，CC2480作为ZigBee通讯芯片，控制一个25A的继电器进行电地暖功率线路的通断，同时通过一组的断码管显示当前房间内温度，配有一个按键在温度模式下能够选择预期加热温度。温控器开关的内部硬件结构图如图2所示。

4 系统程序设计

根据功能设计，智能调配器程序主要包含：各项功能模块初始化函数，液晶显示函数，电参量转换函数，通讯数据收发函数以及中断函数。上电后单片机首先关闭看门狗，对I/O、UART、AD等模块进行初始化。程序每隔一秒更新一次参数，包括总功率线路电参数以及读取温控器开关采集的房间温度。一旦发生功率过大则根据由用户预先设定的房间优先级切断电地暖，直至功率降至安全范围内。当检测到线路中有其他大功率用电器关闭，则依次自动恢复加热。如用户选择“省电模式”，则根据一天中不同时段用电量的不同依据“削峰填谷”原则，自动控制温控器在谷时段用电，减少尖峰时段和峰时段用电量。

温控器开关程序主要包含：各项功能模块初始化函数，断码管显示函数，温度读取函数，通讯数据收发函数以及中断函数。温控器上电后执行各项初始化函数，通过温度传感器每分钟采集一次温度。随时等待接受调配器指令，进行开启或关闭温控器的操作。如用户选择“自主模式”，其可根据体感温度自行决定开启和关闭电地暖的时间，如选择“温控模式”，则在温控器开关上预设加热温度，当该房间达到预设温度后自行切断。

5 结束语

本智能电地暖系统，能够实时监测入户线路的总功率，当开启电地暖使总功率达到上限的90%时，可以根据不同的优先级依次切断对应房间电地暖，防止跳闸。同时还向用户提供不同的供热方式，优化电能使用效率，提升用户使用体验。智能调配器和各房间温控器开关采用ZigBee无线通讯，省去用户室内安装通讯线路。本设计具有良好的控制效果，应用前景广阔。

参考文献

[1]楚军田，申连喜.水地暖与电地暖应用对比研究[J].建筑节能，2014，11：20-23.

[2]杨平，王威.MSP430系列超低功耗单片机及应用[J].国外电子测量技术，2008，27（12）：48-51.

[3]张猛，房俊龙，韩雨.基于ZigBee和Internet的温室群环境远程监控系统设计[J].农业工程学报，2013，S1：171-176.