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摘要：本文介绍了一种新型的家庭换热型温度控制器，以单片机为主控制单元，基于FreeRTOS嵌入式系统，采用RF无线通讯方式来收集、传输住户的室内温度，使用NTC温度传感器测量管网进、出水温度，使用压力传感器采集管网水压，利用GPRS通信模块进行远程温度控制和数据采集。该温控器能够实现住户室内温度的采集和设置，并且通过上位平台实现采集数据的整理和统计，能够对系统整体运行状态和系统故障进行有效的分析和判断，促进系统的优化和故障的排除，同时能够稳定的保持住户室内的温度，温度偏差在±0.6℃。
关键词：温度控制；单片机；FreeRTOS系统；家庭换热
Abstract：Paper introduces a new type of household heat temperature controller, is given priority to with single-chip microcomputer control unit, Embedded system based on FreeRTOS, adopts the wireless communication methods to collect, transfer, household indoor temperature, NTC temperature sensor is used to measure the pipe inlet and outlet temperature, the use of pressure sensor gathering pipe network water pressure, using the GPRS communication module can realize remote temperature control and data acquisition. The temperature controller can enable the indoor temperature acquisition and setting, and through the platform to realize the data sorting and statistics, to the running state of the system as a whole and system analysis, and judgment of fault effectively, promote the optimization and failure of elimination of system, at the same time to maintain the indoor temperature, the stability of the temperature deviation in the ±0.6 ℃.
Key words：Temperature control；microcomputer；FreeRTOS system；Heat transfer
引言
随着生活水平的提高，人们对供热质量的要求越来越高，越来越多样化。而现阶段下，传统的供热模式热效率低，耗能大，成本高，污染严重。供热时间和温度不能精确控制，供暖舒适度较差，较少考虑分户温度调节控制，没能实现节能的目标。为了提高住户供热质量，降低供热成本，减少环境污染，实现节能减排。采用换热型控制系统进行供热的优化控制，不仅能够达到远程监控的目的，同时，为人性化的供暖方案提供了可能。
1简介
1.1FreeRTOS嵌入式系统
FreeRTOS 由 Richard Barry 开发，是一个开源的、可移植的、小型的嵌入式实时操作系统内核。FreeRTOS 既支持抢占式多任务，也支持协作式多任务。它适用于多种微处理器，微控制器和数字处理芯片（官方支持>30个嵌入式系统架构）。同时，该系统源代码开放、设计小巧，简单易用，适合系统开发。FreeRTOS被广泛应用于微处理器、微控制器和数字信号处理器。
1.2换热型温度控制器工作原理
换热型温度控制器通过自身设定温度值与房间采集温度比较，若采集值大于设定值，房间温度过高则进行关阀、关泵动作，阻止一次侧和二次侧热量交换，停止向二次侧住户提供热量。若设定值大于采集值，房间温度过低，则进行开阀、开泵动作，开启一次侧和二次侧热量交换，同时向二次侧住户提供热量。如图1所示。
图1 温控器工作原理图
2温控器硬件结构及核心
2.1换热型温控器硬件结构
换热型温控器由stm8单片机做为主控单元、GPRS通讯模块、无线通讯模块、NTC温度传感器、压力传感器、阀控单元和LCD显示单元构成，完成室温数据和管网数据的采集、控制输出、数据通信等功能，通过LCD显示屏能够直观的了解换热型温控器的工作状态。换热型温控器通过GPRS与管理监控中心服务器进行数据传输，通过无线通讯模块与温控终端进行数据传输，以此实现数据间的通讯。如图2所示。
图2 换热型温控器硬件结构
2.2主控单元硬件设计
换热型温度控制器MCU芯片采用STM8S207C8T6作为核心控制器，这款控制器是8位单片机，工作频率最高可达到24MHz，64k字节Flash程序存储器，1k字节的EEPROM数据存储器，2.95~5.5V工作电压，完全满足对FreeRTOS嵌入式系统的要求，并且可通过软件设置多种省电模式满足低功耗的应用要求。
图3 主控单元硬件电路
本设计中主控单元STM8S207C8T6为5V电压供电，外接一个频率为24MHz晶振电路，为芯片提供稳定的时钟频率。主控单元硬件电路如图3所示。
3温控器软件部分
3.1温控器软件设计目标
换热型温控器的软件主要作用就是配合其硬件功能，保证温控器稳定可靠的运行，达到设计要满足的要求。换热型温控器通过室温、管网水温和水压等数据的处理进行一次侧管网上阀门的开关和二次侧住户管路上循环泵的启停，当室温低于设置温度时，阀门开启为住户提供热水源并开启循环泵为住户提升室内温度，当室温高于设置温度时，阀门关闭停止为住户提供热水源并停止循环泵工作从而使热水源集中供给到未达到设置温度值的住户家中，并且通过GPRS可以实现温度的远程设置，同时能够检测房间的温度变化，以此提高供热的效率和实现温度的精准控制。
3.2温控器软件任务划分
换热型温控器的软件基于FreeRTOS嵌入式系统，根据温控器功能，控制程序主要划分为7部分。
该控制系统分任务划分为：
（1）数据采集任务：定时发送采集温控终端的命令，并将实时室温数据与设置的温度阀值做比较，同时设置事件标志位。
（2）水温/压力采集任务：采集管网水温、水压实时数据，并将水温、水压实时数据与水温、水压阀值做比较，同时设置事件标志位。
（3）阀控任务：根据事件标志组的运行条件执行阀和循环泵的启停。
（4）GPRS通讯任务：处理来自平台的设置和采集数据，并上传至平台。
（5）显示任务：实时显示管网水温、水压数据和循环泵的运行状态。
（6）温度数据接收任务：接收房间实时温度的数据。
（7）GPRS数据接收任务：接收平台下发的设置和采集数据命令。
其中（1）数据采集任务、（2）水温/压力采集任务、（5）显示任务，是运行过程中的周期性任务。（3）阀控任务、（4）GPRS通讯任务、（5）显示任务、（6）温度数据接收任务和（7）GPRS数据接收任务是事件触发任务。温控系统的软件结构图如图4所示。
图4 温控系统软件结构图
3.3 温控器软件任务优先级分析
在FreeRTOS系统中，可以使用的任务优先级的数量和分配没有软件限制。
在系统软件中（3）阀控任务的执行是由（1）数据采集任务和（2）水温/压力采集任务通过事件标志组来判断。因此，系统运行过程的控制精度主要取决于房间温度数据采集的频率和稳定性。在系统中，串口接收/发送和模拟信号采集均与中断服务程序（ISR）关联，实时性要求比较高。其中，串口接收处理任务是关键任务和紧迫任务，遗漏接收内容是不允许的。模拟信号采集任务是紧迫任务，但不是关键任务，即使遗漏一个数据也不会产生重大影响。阀控任务是依据数据采集和模拟信号采集的标志位来执行的，执行动作慢一些影响不大，而执行动作的准确性尤为重要。在串行口发送任务中，CPU是主动方，上传信息延时一些也没有影响，只要将数据发送出去即可。显示任务是人机接口任务，实时性要求很低。
根据以上分析，各个任务的优先级分配如表1所示。
3.4温控器软件性能分析
FreeRTOS系统的性能主要体现在系统中各个任务的调度时间和执行时间的确定性。在系统硬件平台确定的情况下，软件执行的实时性完全取决于多任务调度算法。
非实时系统软件的程序通常分成两部分，即前台程序和后台程序。后台程序是一个无限的循环，循环中调用相应的函数完成相应的操作。前台程序通过中断来处理事件。当处理多个事件时，前后台系统的实时性会差一些。因为前后台系统认为所有的任务具有相同的优先级别，而且任务的执行又是通过FIFO队列排队，对实时性要求高的任务不能立刻得到处理。
与非实时系统相比，FreeRTOS系统最大的特点在于，系统执行的正确性不仅仅在于计算的逻辑或结果的正确性，还取决于系统产生结果的时间。如图5所示。
图5 程序执行对比图
考虑到系统的极端情况，在串口1数据接收方面，当系统中串口1中断、串口2中断和ADC中断同时产生的时候，通过图5可看出，串口1中断接收温度数据到串口数据处理程序在实时系统和非实时系统下响应时间的对比。温控器程序在FreeRTOS实时系统下，相比前后台程序执行下，消除了其他处理程序对数据处理程序延时滞后执行的影响，减少了温度数据处理的响应时间，同时温度数据是阀控任务执行的条件，温度数据处理响应时间的减少直接影响了阀门和循环泵执行的响应时间，对温控器整体控制的实时性有了很大的提升。
3.5水温/水压采集任务流程图及程序
水温/水压采集任务流程图如图6所示。
图6 水温/水压采集任务流程图
void task_ADC(voidvoid*pvParameters)
{
EventBits_t EventValue；
while(1)
{
uint16_t ADC_Read[3]={0}；
ADC_Read_WaterPower(&ADC_Read[0])； //二次侧水压
ADC_Read_Temperature1(&ADC_Read[1])； //一次侧水温
ADC_Read_Temperature2(&ADC_Read[2])； //二次侧水温
if(store_WaterPower[0]<ADC_Read[0])
{
xEventGroupClearBits(EventGroupHandler,EVENTBIT_2)；
//不符合启动条件
}
else
{
xEventGroupSetBits(EventGroupHandler,EVENTBIT_2)；
//符合启动条件
}
vTaskDelay(1000)；
}
}
4 测试与分析
根据系统硬件及软件设计，对温控器的硬件电路和软件系统进行测试，在不同的水压条件下，程序可以进行正常的执行动作，能够准确显示阀门和循环泵的工作状态等相关数据，如图7所示。
图7 水压测试
测试同时验证了温控器与平台的通讯、控制等功能。通过GPRS通讯，温控器每间隔1小时上传给平台温控器相关数据和住户房间实际温度变化数据，如图8所示。
图8 平台数据
根据实际测试数据的分析，当设定温度设置为23℃时，实测温度平均值T=22.9℃。该温控器能够稳定的维持住户室内的温度，实测温度与设定温度最大偏差在±0.6℃。
5结束语
本设计基于FreeRTOS嵌入式系统设计，建立了友好的可视化界面，集自动化控制技术、无线通讯技术、GPRS通讯技术于一体。系统实时性好，且具有低成本、高性能的特点。经过测试，整个系统运行稳定，实现了采集、控制和数据处理等功能，提高了供热质量，为后续的系统维护提供了有力的数据依据。
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作者简介
代亮（1989-），男，乌鲁木齐市，本科，助理工程师。研究方向：嵌入式。Email:172922629@qq.com
王磊（1968-），男，乌鲁木齐市，本科，高级工程师。研究方向：工业控制工程。
冶志强（1987-），男，乌鲁木齐市，本科，助理工程师。研究方向：控制工程。
基金项目：新疆维吾尔自治区科研机构创新发展专项基金
项目名称：分置式城市供热系统中管控产品的研发配套及产业化
项目代码：2015010
论文作者:代亮,王磊,冶志强
论文发表刊物:《电力设备》2018年第8期
论文发表时间:2018/7/6
标签：温度论文; 系统论文; 温控器论文; 数据论文; 水压论文; 实时论文; 水温论文; 《电力设备》2018年第8期论文;