面向集群应用的太阳能中央热水器控制与管理系统设计

摘要：针对当前太阳能中央热水器信息化程度不高，管理、维护和售后服务困难的问题，提出采用分散检测、集中控制和管理的技术方案；采用嵌入式系统、无线通信、计算机软件和Web等技术，实现系统的可视化管理与操作，对于提高太阳能利用率、降低管理维护成本、统计和发布节能数据、以及促进太阳能光熬利用的推广均具有重要意义。
关键词：集群应用；太阳能热水器；分散监测，集中控翻；可视化管理

0 引言
    《中国太阳能热水器产业发展研究报告》显示，目前我国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和销售国，每年以约30％的速度增长，规模已经达到200亿元。但是形成规模的太阳能热水器主要是家用太阳能热水器，传统的家用太阳能热水器不仅人均占用空间和投资成本大，太阳能以及水的利用率低，信息化程度低、维护管理工作量大，而且还影响原建筑的外观。集群应用的太阳能中央热水器可以很好地克服上述问题，而且还具有产、供热的智能化程度高，供水量大，突发性供水能力强，特别适合于现代生活小区、学校、企业、酒店等单位的应用，已逐步成为太阳能光热利用的主要方向。这种分布于各栋楼宇屋顶的太阳能中央热水器的可靠控制和集中管理，是集群应用的太阳能中央热水器能否得到推广应用的关键技术。本文提出了采用分散检测、集中控制和可视化管理的技术方案，采用嵌入式系统、无线通信、计算机软件和Web等技术，实现对太阳能中央热水器系统的可视化管理与操作，同时为企业提供便捷的售后服务管理手段和方便统计、发布节能数据，对于促进太阳能中央热水器的推广应用具有重要意义。

1 系统设计方案
    本系统的组成如图1所示，它由现场终端、区域集控与管理平台、企业集控与管理中心三部分构成。现场终端包括主控器、线控器、无线数传模块。主控器实施对太阳能热水器的自动控制，并通过无线数传模块与区域集控与管理平台建立通信链路，通过线控器实现系统的现场设置与控制。区域集控与管理平台由安装有控制与管理软件的计算机和无线数传模块组成，其主要任务包括：负责接收来自管辖区域各主控器的数据，并进行协议解析、数据入库和更新管理界面的信息；负责将控制或设置指令发送到指定的主控器；通过Internet或GSM／GPRS方式与企业集控与管理中心实现数据交换；将相关数据同步传输至企业集控与管理中心。企业集控与管理中心由数据服务器、管理计算机和必要显示与打印设备构成，该中心通过区域集控与管理平台和主控器可对任意一台太阳能中央热水器实施测控，查询任意一台热水器的实时数据和历史数据，统计产热与节能数据等。

2 现场终端设计
    现场终端结构如图2所示，由主控微处理器、传感器模块、系统配置与扩展模块、输出控制模块(包括对太阳能产、供热和辅助加热三个子系统的控制)、通信模块(包括线控器和无线数传模块)和供电电路组成。主控微处理器LPC2368根据传感器模块检测的现场与系统的状态及相关参数，与存放在扩展存储器(E2PROM)中的预置数据进行比对运算，获得相应的控制逻辑，通过输出控制模块对太阳能中央热水器进行
控制，实现定温进水、温差循环、防冻保护、增压供水、恒温回水、水位超限和变容辅助加热等工作模式；通过通信模块实现现场与远程操作和测控，为太阳能中央热水器集群应用提供控制与管理所需数据的通信链路。

3 区域集控与管理软件设计
    区域集控与管理软件包括区域控制软件与区域管理软件：其中区域控制软件负责向监控区域内所有主控器发送数据库中的指令，接收、处理、存储来自各主控器的数据，同时通过调用Web服务程序实现与企业集控与管理中心的数据同步。区域管理软件由Web浏览器、Web服务器和数据服务器的管理软件构成，如图3所示。

3．1 区域控制软件设计
    区域控制软件采用．Net编写，按照通信对象的不同，分为数据通信模块和数据同步模块，采用模块化设计实现了数据的接收、发送、处理、存储、显示和同步等功能。区域控制软件的工作流程如图4所示。

3．1．1 数据通信模块
    区域控制平台与所监控区域内所有太阳能热水器之间可采用RS 485和无线数传两种通信方式，可根据工程现场条件选择其一。对于数据通信模块而言，一旦数据传输通信协议确定，其任务就是接收和发送数据。为了保证准确、可靠地传输数据，该模块通过自检定时器获取上一次自检失败的主控器的地址域，以轮询方式向自检失败的主控器发送自检指令。同时该模块对接收的指令数据进行判断，删除指令表中错误和超时的指令，同时对相同的指令进行合并，以消除冗余信息。

    数据通信模块向各个主控器发送的指令还包括查询实时数据、历史数据、历史报警、历史参数设置等指令。该模块处理主控器回送的数据，对数据进行分解、转换等操作，最终执行数据入库，实现数据的更新等。数据通信模块的工作流程图，如图5所示。

3．1．2 数据同步模块
    区域控制平台作为连接区域数据库和企业管理中心数据库的桥梁，通过Web服务实现两个数据库的同步。区域和企业的数据包括当前数据和历史数据。同步区域、企业数据程序流程如图6所示。
3．2 区域管理软件设计
    区域管理软件由Web浏览器、Web服务器和数据服务器管理软件构成。本系统的Web浏览界面采用Flex技术设计，它是目前最流行的RIA(富互联网应用系统)开发技术之一，其优点是客户端可以进行完整的数据处理，界面交互不依赖页面，消息可通过异步请求传递，减少了用户与系统的远程交互频率，与用户的交互更加友好、迅速。
    本系统根据实际需求，基于Flex技术设计的页面包括两大功能：即实现太阳能中央热水器控制系统的参数设置和数据查询功能。当客户端进入Flex浏览界面，浏览器向Web服务器发送请求(参数设置指令和数据查询指令)，Web服务器将需要访问数据库的请求转化SQL语句，并交给数据服务器。数据服务器对接收的数据进行处理，并返回给Web服务器；Web服务器动态生成HTML文档后转发给客户端，浏览器最终以友好的Web页面形式显示出来，实现太阳能热水系统可视化管理。
    此外通过Flex界面可添加国家、省、市等地域信息，添加太阳能中央热水器子系统，记录所有子系统的安装信息。同时为了方便系统的管理，维护系统管理员可被赋予不同的管理权限。

4 企业集控与管理软件设计
    企业集控与管理中心由安装企业集控与管理软件的计算机、数据服务器和必要的显示与打印设备构成，其中企业集控不同于区域集控有专属的控制软件，它不能直接向主控器发送数据，但企业管理软件与区域管理软件的架构完全相同，均在．Net平台上采用Flex设计，提供Web服务、接收Flex界面的控制任务，企业集控与管理中心和区域集控与管理平台通过Web服务实现数据同步。它与区域集控与管理平台的主要区别还体现在管理权限和数据库的规模上。

5 系统功能与特点
    本系统经过实验室长达6个月的测试，各项功能和指标均达到设计要求，除了实现常规太阳能中央热水器的控制功能以外，还具有如下特点：
    (1)实现系统的分散检测、集中控制。每套太阳能热水器的主控器可通过RS 485总线或无线数传模块与区域集控与管理平台进行数据交换，并通过Internet把数据同步上传至企业集控与管理中心。
    (2)系统的可配置性和控制的自适应性。系统可根据不同的安装现场和用户需求，配置不同的部件(包括辅助加热设备、集热板的数目、储水箱的组合和水管的连接方式等)，主控器能够自适应对不同配置的系统实施控制。
    (3)直观的显示界面。系统能够根据不同的安装配置自动生成直观的显示界面，图7、图8是通过Flex界面显示实地安装的系统图。从图中既可看出配置的不同组合，而且系统的工作状态和主要参数均一目了然。

6 结语
    本文提出面向集群应用的太阳能中央热水器控制与管理系统的设计方案，简要介绍现场终端的原理框图和主要作用，详细分析了区域集控与管理软件的设计方法，介绍了系统的主要特点。实验室测试表明，本系统具有性能稳定可靠、操作直观方便、控制迅速精确、报警准确无误等特点。该系统已被福州众望达太阳能技术开发有限公司确定为升级换代产品，目前已应用于该公司的实际项目中。