安徽建筑大学 土木工程学院 安徽合肥 23060
摘要：针对温控能耗占我国建筑总能耗的55%~60%的现状且呈现出逐年增长趋势的问题，因此，有必要设计一套相对智能且低能耗的温控系统。基于综合分析众多控制单元后，设计选择了具有低能耗、低成本、高性能、集成度高和体积小等优点的STM32单片机控制单元。系统分为三层，第一层为数据采集系统；第二层为核心处理系统即STM32单片机同时搭载LCD智能面板进行智能人机交互系统；第三层是新风系统。该系统可以根据室内外温度及室内人数实现温度实时监控和传送，数据存储和分析，调节和反馈等功能。试验结果表明：本设计具有操作方便、节能效果显著、智能化程度高等特点。
关键词：STM32单片机；楼宇集中温控；节能设计；智能化
Energy-saving design of building centralized temperature control based on STM32
Fang Yuanwei，Wang Hao，Li Randong
（Anhui Jianzhu University School of Civil Engineering Anhui Province Hefei 230601）
Absrtact：In view of the fact that the energy consumption of temperature control accounts for 55% to 60% of the total energy consumption of buildings in our country and shows the increasing trend year by year，it is necessary to design a relatively intelligent and low energy consumption temperature control system.Based on the comprehensive analysis of many control units，STM32 MCU control unit with the advantages of low energy consumption，low cost，high performance，high integration and small size is designed and selected.The system is divided into three layers，the first layer is data acquisition system；the second layer is the core processing system，that is，STM32 MCU carrying LCD intelligent panel simultaneously for intelligent human-computer interaction system；the third layer is the fresh air system.The system can realize real-time temperature monitoring and transmission，data storage and analysis，regulation and feedback according to indoor and outdoor temperature and indoor population.The test results show that the design has the characteristics of convenient operation，remarkable energy saving effect and high intelligence.
0 引言
近年来建筑能耗逐年上升，建筑行业面临节能减排的任务。而当前对温控的节能研究大多集中于对设备的技术革新尤其是对执行温控调节功能的设备，已经出现大量研究成果，例如新风机系统[1]。以及随着通信技术和物联网技术的发展，温控系统向智能化，可视化，操作更简便，加强人机互动等方面发展，此外智能传感器不断发展通过情景的感知和上下文感知等技术来识别用户状态和环境[2]，从而对中心处理器发出不同指令。
值得注意的是，研究忽视了对温控数据收集的思考以及温控过程的整体把握，没有形成一套体系，更没有对传统的温控结构加以改造。为此，在智能化的趋势下，本文的目的在于从温控源头和过程出发，利用图像和遥感等技术，细化数据类型，重新设计一种楼宇集中温控节能系统并针对此系统开发出一套楼宇集中温控节能管理办法。
1.相关技术解析
1.1整体结构设计
集中温控系统一般常用上位机直接控制相对复杂的温控设备的二层结构[3]，但这样的结构存在几个明显缺陷：温控设备要求极高、地理位置受限、性价比低。因此我们设计出三层的结构方案并对每层进行设备优化及管控技术和方法的创新同时兼顾智能化的特点。
图1 传统温控结构图
图2 优化温控结构图
1.2温度调节设计
温度调节数据来源分为两部分：温度检测单元和红外检测单元。温度检测单元细分室外和室内检测单元，都使用DS18B20传感器设备，其独特的单线接口方式、低使用电压、温度数据数字化外显等特点符合绿色、智能的设计理念[4] [5]。红外检测单元使用热像仪，楼宇中的目标通过辐射进入感受器进而转换为电信号，最终形成图像即热图[6]。温度检测单元所采集到的室内室外的实时温度，红外检测单元所形成的热图统一传输进入STM32单片机进行处理。处理完成后对新风机系统下达指令进行相应的温度调节，具体情况如下：如果室外空气足够低，即可充分利用其作为冷源；如果外部温度不达标则进行二级调节，置于室内的四个温度检测单元将对楼宇进行温度检测，所得数据将反馈到STM32，STM32会进一步通过设定算法进行再次处理，最后根据数据结果先对风机发出指令，进行第二级调节；置于室内的温度检测单元仍会继续反馈数据，若根据反馈数据判断出二级调节效果不佳则STM32对风阀发出指令，开启风阀，进行第三级调节。
1.3智能控制设计
本系统将LCD智能控制面板内嵌于STM32单片机中来实现智能化管理[7]- [9]，通过WIFI、热图分析等手段实现温度远程调控、系统是否运行等功能。
图3 集中温控节能调节流程图
2.楼宇节能方案设计
1.进行初期预使用，同时配合调查问卷、楼宇常规日常表等对系统设定合理的模式并优化参数。
2.对空闲或使用率不高的教室重视。较高层的教室除了课程安排外几乎不被使用或使用率不高，对此可考虑不开启温控系统。
3.从初始温度达到适宜温度的时间进行精细化管理，可提前参考天气气温变化，热图分析、教室面积大小、窗户朝向等因素[10]。
3.实验结果和分析
通过对传统系统和优化系统分别进行模拟环境试运营即在一个简化的模型中（无人员流动、空间相对较小，相对密闭）对系统进行测试得到实时耗电量以及实时温度等数据并绘制图像。
图4 实时能耗与实时温度变化图
通过对比试验数据发现在相同的起始外界环境温度（35℃）下达到相同的设定温度（26℃），优化模式所需的时间更短，这是基于优化模式的温度感受器更先进，数据来源更丰富，处理方式更细化，正因如此，初期传统模式粗犷的温控调节使温度下降快于优化模式与此同时优化模式在初期需要收集整合大量数据使得耗电量增长快于传统模式但运行到后期，优化模式依靠初期细化的数据以及层层递进的温控步骤使得电量的使用更精细化从而降低能耗。
对比实验数据验证基于STM32温控系统能有效降低能耗，同时分析实验数据大体得到两种运行模式：休眠模式、工作模式。
图6 工作模式流程图
4.结束语
针对我国建筑行业能耗现状以及日常生活中所遇到的麻烦对传统的温控系统在节约能耗、智能化管理等方面进行了优化设计，并运用对比试验的方法总结了一套适合本系统的运行模式和节能措施，相对于传统的温控体系，新系统依靠精细化的数据分类，注重温控源头和过程的调节对整体的影响，此外人机互动更频繁，运行模式可因地制宜，这能够为节能减排设计提供一定的技术支持。
5.参考文献
[1]陈祖铭，舒力帆，李志明，陈宇轩.多联机空调系统新风的节能设计研究[D].华南理工大学建筑设计研究院，2017，12，15.
[2]肖鹏.智能楼宇节能系统的设计与实现[D]南京邮电大学，2018，11，14
[3]基于集中式智能化温控系统的设计及实现[J]湖北第二师范学院学报，2015，02
[4]雷雪梅，数字温度传感器DS18B20的结构及应用简介，科技创新与应用[J]，2017.02
[5]李玮瑶，王小辉.基于DS18B20的关联型温度检测系统的设计与实现[J].电子设计工程，2015（15）：93-95.
[6]王琳，基于热舒适指标的空调系统实时节能舒适控制方法研究[D]，湖南大学，2017-05-23
[7]Jianxin Zhang；Hailin Li；Kai Ma Design of PID temperature control system based on STM32[J] IOP期刊，2018
[8]陈玉敏，谢玮，孟宪民.基于 STM32 的温度控制实验设计[J].现代电子技术，2016，39（12）：37-40.
[9]刘绍丽 王献合.基于STM32单片机的智能温度控制系统的设计[D].湖北文理学院理工学院，2018.
[10]张振国.空房模式下客房温控及节能措施研究[D]重庆大学，2012，05，01
论文作者:方远威,王浩,李冉东
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年12期
论文发表时间:2019/10/9
标签：温度论文; 系统论文; 节能论文; 数据论文; 模式论文; 楼宇论文; 单元论文; 《建筑学研究前沿》2019年12期论文;