摘要：设计了一种基于LORA无线技术的供热系统的原理、系统构成及软件设计。该系统有供热信息管控平台、供热信息集中器、阀控器、采集终端等构成；系统充分考虑供热环境的复杂多样性，从网络布局、系统结构上进行多方位的优化设计，采用先进的LORA无线扩频技术，提高无线通信稳定性；组网灵活，降低系统布线成本 ，优化系统结构，对供给温度进行精细化控制，达到节能减排的目的。
关键词：供热系统；LORA无线技术；阀控器；节能减排
Design of a Heating System Based on LORA Wireless Spread Spectrum Technology
Ren Peiqing
(Xinjiang Electronics Research Institute Co., Ltd., Urumqi, Xinjiang 830011)
Absrtact: A heating system based on LORA wireless technology is designed, including its principle, system structure and software design. The system consists of heating information management and control platform, heating information concentrator, valve controller, acquisition terminal, etc. The system fully considers the complexity and diversity of heating environment, carries out multi-directional optimization design from network layout and system structure, adopts advanced LORA wireless spread spectrum technology to improve the stability of wireless communication, flexible networking, reduces the cost of system wiring, and optimizes system structure. Fine control of supply temperature can achieve the goal of energy saving and emission reduction.
Key words: heating system; LORA wireless technology; valve controller; energy saving and emission reduction
1 引言
近十几年来，我国的国民经济取得了飞速的发展，供热技术也随着国家基本建设的发展而发生了很大的变化。随着供热技术的迅速发展，供热系统不仅仅是为了给用户提供热量、满足用户的用热舒适度，更涉及到节能、环保等政府公共设施建设相关的规划要求；运用新的通讯技术，改变传统供热模式，优化供热系统结构，精准控制、节能、减排成为供热系统设计中的重中之重，也是供热系统设计的新趋势。
基于无线LoRa的供热系统集自动控制技术、无线LoRa通讯技术于一体，以用热单元和测控设备为基础，将智能控制技术、物联网技术与供热需求紧密结合而形成的新型的精准智慧供热体系，它能够实现数据采集、自动化控制、数据管理分析和系统综合优化平衡，能够让供热企业实时的了解整个系统的运行状况，使远程现场运行情况一目了然，提高能源综合使用效率，实现按需供热、精准供热。
2 系统概述
2.1 系统构成及简介
供热系统由供热信息管控平台（以下简称管控平台）、供热信息集中器（以下简称集中器）、中继器、阀控器、采集终端构成；供热系统结构框图如图1所示：
图1 供热系统结构框图
供热信息管控平台：管控平台是基于物联网、云计算等信息技术对供热运行的大数据进行分析利用，依托互联网实现各环节信息共享，实现供热系统全面透彻的信息化管理；同时对热网改造提供依据，达到按需供热、按需用热、节能减排。从数据共享的观点出发，实现热源、热网和用户能源统一综合调节管理，实现分级能耗分析及成本核算。从设备管理角度对供热系统异常运行情况自动报警及故障诊断，保证经济、安全运行。同时，供热运行参数、用户能耗等信息可通过互联网上传到各级供热主管部门的管理平台上，企业和用户通过电脑和手机随时查询相关信息，实现供热的政府可管理、企业可控制、用户可调节的智慧化运行模式。
供热信息集中器：集中器是供热系统中数据传输单元，集中器通过LORA无线射频周期性采集阀控器的相关参数；将采集到相关数据以GPRS方式发送到管控平台（数据包括住户的设定温度、实时温度、通断阀状态等）； 同时，管控平台可通过GPRS发送设置命令，对阀控器的控制温度进行设定和修改。
中继器：中继器是一种基于LORA无线扩频技术的数据透传单元，是为在某些特殊场合扩展通讯网络、提高通讯稳定性开发的通讯设备。
阀控器：阀控器是供热系统中的控制单元，也是数据传输单元；阀控器通过LORA无线方式对采集终端进行实时温度的采集，根据设定温度对阀门采取相应的控制策略；同时，收到集中器数据传输命令后，将阀门状态，设定温度，实时温度上传给集中器。设定温度也可进行远程的修改设定。
采集终端：采集终端是供热系统的采集单元，实现实时温度显示，实时温度采集，实时温度上传是供热系统的主要目的，因此，采用精度比较高的DS18B20进行多次温度采样，同时利用LORA无线技术进行数据传输来满足供热系统的控制需求。
LORA无线扩频技术：LoRa是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术，也是诸多LPWAN通信技术中的一种，最早由美国Semtech公司采用和推广。为用户提供一种简单的能实现远距离、低功耗无线通信手段。
2.2 系统的拓扑图
根据实际应用情况，供热系统的系统拓扑图如图2所示，供热系统最大承载量（即单个集中器与多个阀控器通讯的点）由LORA无线通信有效距离、通讯稳定性决定；在实测中，考虑到数据实时性、控制时效性，最大承载量是255个。
图2 系统拓扑图
3 系统硬件设计
3.1 集中器硬件结构
集中器的结构主要由CPU控制单元（MCU）、电源模块、GPRS通讯模块、LORA通讯模块、存储模块、接口模块构成；集中器预留了丰富的标志通讯接口，比如TCP/IP通讯接口，串口、RS485接口等，在某些特殊场合，可通过指定的接口进行数据交换。其硬件结构图如图3所示：
图3 集中器硬件结构图
3.2 阀控器硬件结构
阀控器的结构由CPU控制单元（MCU）、电源模块、LORA通讯模块、存储模块、继电器模块构成；继电器模块采样光电隔离方式驱动，结构更安全可靠；其硬件结构示意图如图4所示：
图4 阀控器硬件结构图
3.3 采集终端硬件结构
采集终端结构由CPU控制单元（MCU）、电源模块、LORA通讯模块、存储模块、显示模块构成；采集模块采用DS18B20温度传感器进行温度采集；其硬件结构示意图如图5所示：
图5 采集终端硬件结构图
4 系统软件设计
系统的基本控制策略，主要是阀控器根据采集的实时温度对阀门进行控制，考虑到环境温度变化是一个大滞后的控制对象，对阀门的控制也采取了一种相对滞后的控制模式，阀门驱动的温度是根据设定温度取一个适当的临界值来控制；当温度上升时，实时温度达到设定值上限后，阀门关闭，此时实时温度还会持续上升，达到平衡后环境温度才会下降；温度下降时，只有实时温度降低到设定值温度下限时，阀门开启；这种策略即能保证正常的供暖需求，同时又降低环境温度突然波动对阀门的启停造成不必要的操作，提高阀门设备使用率。
在系统软件设计过程中，还要注意的问题是无线风暴，也就是无线信号的碰撞问题；在同一时刻，空中只能有一组无线信号；从集中器、阀控器到采集终端，软件设计必须严格按照LORA无线扩频通讯的逻辑时序，发送、接收时间、空中速率都要进行实际测试，以确保通讯的可靠性。
5 结论
经过对供热系统的结构优化，实现了对用户供热的精细化控制，为一些老旧小区供热改造提供了技术方案，降低施工难度，节约成本，达到了节能减排的目的；同时，采用LORA无线扩频技术，组网方式简单、灵活，数据传输稳定性高，为供热企业进一步优化供热控制提供重要的数据支撑。
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任培卿（1987—），男，新疆阜康市，大学本科，助理工程师。主要研究方向自动化测控技术.
论文作者:任培卿
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/16
标签：系统论文; 集中器论文; 温度论文; 技术论文; 通讯论文; 终端论文; 结构论文; 《电力设备》2019年第6期论文;