热计量分户计量信息管理系统的设计.docx

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热计量分户计量信息管理系统的设计

热计量分户计量信息管理系统的设计

摘要

随着国民经济的快速发展，能源的缺口日益增加，采暖作为一重要的能源消耗浪费极大。

这主要是由于我国的供热体制不够完善所造成。

在北方，采暖收费一直都按家庭面积收，这导致很多用户不注重节能，从而造成能源浪费的现象。

因此，采用新型的采暖收费方式迫在眉睫。

本文所设计的热计量分户计量信息管理系统是一种新型的收费方式，可以有效的节约能源中在采暖部分的消耗。

本文的第一章从我国能源消耗的现状和热计量政策的相关法律法规介绍了课题的研究背景，然后介绍了国外供热计量的研究现状。

最后指出本论文的主要工作。

第二章热计量的基本原理。

第三章介绍了热计量分户计量信息管理系统的系统结构，然后通过比较几种无线通信技术的方式，选出本文所用的ZigBee通信技术方式，并做了相关的介绍。

第四章介绍了热计量分户计量信息管理系统硬件实现和软件实现。

第五章对全文做出了总结和未来的工作展望。

关键词:

供热体制；ZigBee；供热计量；

Abstract

Withtherapiddevelopmentofnationaleconomy,thegapofenergyisincreasing.Theheatingasanimportantenergyconsumptionwastegreatly。

Thisismainlyduetotheimperfectioncausedbytheheatingsysteminourcountry.Inthenorthofourcountry,theheatingischargedaccordingtothefamilyarea,whichleadstomanyusersdonotpayattentiontoenergysavingandresultinginenergywastephenomenon.Therefore,theuseofnewtypeofheatingsupplysystemisimminent.

Inthispaper,thedesignofhouseholdheatmeteringandmanagementsystemisanewkindofchargingmethodswhichcaneffectivelysaveenergyconsumptioninthepartofheating。

ThefirstchapterofthisarticlefromthepresentsituationofChina'senergyconsumptionandheatmeteringpolicyofrelevantlawsandregulationsintroducedtheresearchbackground,andthenintroducedthecurrentresearchstatusofheatmetering.Thenpointsoutthemainworkofthisthesis.Thesecondchapterintroducedthebasicprincipleoftheheatmetering.Thethirdchapterintroducedthesystemstructureofhouseholdheatmeteringandmanagementsystem,andthenthroughthewayofcomparingseveralkindsofwirelesscommunicationtechnologytofindthewayofZigBeecommunicationtechnologyusedinthisarticle,andintroducedtherelevanttechnologyofit。

Thefourthchapterpresentstherealizeofthesystem’shardwareandsoftware.Thefifthchapterhasmadeasummarytofulltextandprospectfuturejob.

keywords：

heatingsupplysystem；ZigBee；heatingmetering

第1章绪论

1.1课题背景 

1.1.1我国能源消耗简介

随着工业的不断发展和国民生活水平的不断提高，我国的能源消耗也不断的增加。

我国从2003年到2013年能源消耗情况统计[1]如表1所示：

表12003年到2013年能源消耗情况统计

年份

能源消耗总量（万吨标准煤）

2003

183782

2004

213456

2005

235997

2006

258676

2007

280508

2008

291448

2009

306647

2010

324939

2011

333572

2012

358729

2013

367901

从表1中可以得出结论：

由于工业的发展和经济水平的提高，使得能源消费总量大大的增加。

在国际上，中国政府也不断的强调说明节能减排的重要性。

同时，伴随着居民生活条件的提高，能源的消耗量越来越大。

如何在供暖的方面减少能源的消耗量面临巨大挑战。

同时近年来国家开始搬出对供热体制的改革政策。

1.1.2我国热计量政策法规

2000年，我国城乡建设部在《民用住宅节能管理规定》中对于分户热计量的改革方向做出来相关的说明。

2003年城建部等8部委又颁布了《关于城镇供热体制改革试点工作的指导意见》。

2010年，质检总局、财政部、发展改革委、住房城乡建设部又联合发布了《关于进一步推进供热计量改革工作的意见》[2]。

这一系列的法规政策的颁布说明了国家对采暖节能的重视程度，同时对加大了供热计量的改革力度。

1.2国外供热计量研究现状 

1.2.1国外供热相关政策

供热的方式在各个国家各不相同。

例如，由于加拿大的水资源和电资源丰富，因此他们国家主要采用电供暖的方式[3]。

在美国，采暖方式在不同的地区各不相同。

例如在中部地区往往采用电采暖的方式，而在南部地区往往采用空调采暖制冷方式，在北部地区使用燃气或者燃油的采暖方式。

在石油资源丰富的国家如挪威、瑞典、芬兰、丹麦的欧洲国家，往往采用电采暖的方式。

在一些冬季不太严寒而夏季酷热的地区如葡萄牙和意大利往往采用空调采暖的方式[4]。

而在一些冬季十分严寒的地区如俄罗斯往往采用集中供热的方式。

热计量技术在欧洲得到最早的发展，因此其使用热计量方式的时间也比较早。

另外欧洲的国家十分重视热计量计费的制度的完善。

欧盟部长理事会早在1993年就建筑节能环保指令93/76/EEC，它要求欧洲的各个国家不断的提高计量收费系统，从而达到较少供热方面的能源的消耗的目的[5]。

随后欧盟标准委员会于1994年11月发布了EN835《蒸发式热分配表标准》和EN834《电子式热分配表标准》。

为了保障供热费用的合理、公平和准确，欧洲建立了热费收缴机构，从而完善和维护能源的计量和服务[6]。

1.2.2国外供热计量收费发展

供热计量收费在欧洲的发展经历了三个阶段：

第一阶段：

热源热计量收费阶段。

这个收费方式主要是对采暖的成本和运行成本采取公平的分摊的方式，每个用户按月预缴纳采暖费，在供热期结束后，根据实际的消耗的费用，对每个用户施行多退少补的政策。

第二阶段：

分楼热计量收费阶段。

这种计费方式主要是对每栋楼都统一安装一个热计量表。

然后每栋的热计量费以热计量表实际产生的费用为准，然后每栋楼中的用户的费用分配按照住宅的面积平均分配。

这一阶段的费用支付只是热终端的能耗的计费，没有计入管网热损失费用。

通过这种分配方式可以督促供热企业对供热装置的技术的提高和供热效率的提高，从而降低管网的热损失。

第三阶段：

分户热计量收费阶段。

这种计费方式主要是对每个住宅用户的家中装入热计量表，每户所消耗的热能按照热计量表的实际的读数确定。

这个阶段不仅可以促进供热公司对供热装置的技术和效率的提高，还可以促使每个用户注重热能的节约。

根据相关的数据调查可知，这使得热能耗降低十几个百分点[7]。

欧洲各国目前使用的计量方式主要是第三阶段的计量方式即分户热计量收费。

1.2.3国内供热计量收费发展

我国的热计量制度从2000年开始到现在任然处于探索阶段。

供热计量收费在我国的发展经历可以划分为四个阶段：

第一阶段：

热量仪表安装，试运行阶段。

为了使城乡建设部更好的监管供热节能，我国开始加装热量仪表。

在这个阶段的主要任务就是保障热计量仪表没有堵塞和漏水的现象出现，用户的取暖不会受到影响就满足了要求。

第二阶段：

对运行状态下的热计量仪表进行数据的采集。

在完成第一个阶段的热计量仪表的安装以后，就要对其进行检查，通过对表的状态的观察为以后的热计量计算做准备。

在这个阶段的主要任务就是处理热计量仪表可能出现的读数无法显示、指针失灵、读数显示明显错误等问题。

并且对可能导致这些问题的原因作出总结，从而为下个阶段做好技术准备。

第三阶段：

热计量仪表实际运行阶段。

在这个阶段的主要任务就是在供热系统中安装好用户热计量仪表和总的热计量仪表。

并且对用户所消费的实际的费用数据进行采集，并且分析数据的准确性和可靠性。

在这个阶段需要解决的问题主要是对供热管道安装前冲管、加过滤器、定期清污排渣等周详的工作。

第四阶段：

热计量和热费收缴阶段。

在这个阶段，开始在一些试点城市逐步展开热计量收费的工作。

在试点城市的收费过程中主要解决一些测量过程出现的不合常理的偏差，从而给热供应公司和用户之间造成矛盾。

用户的供热管道上任意一支计量表出现误差都会对整个系统造成后果。

因此，在这个阶段主要是综合分析热计量表的准确性和稳定性[8-10]。

目前为止，我国热计量仪表在使用的过程中出现的问题主要有：

我国的供热的设备条件不足，国外的设备的误差率远远小于我国的，同时还有基础设施条件比较差。

在我国的有些地区的水质比较硬，因此会造成供热管堵塞的现象。

同时，供热一般只在冬季，而在春夏秋这些时候闲置的供热管会出现一些腐蚀和氧化的现象，严重影响设备的寿命。

另外，我国的热计量表还会出现结构或者技术上的问题。

例如，在结构上，用于测量温度的探头球阀与连接短管和过滤管无法匹配。

在设计上，参数设置不够完善，导致很多计量仪表的数据无法准确的显示。

第2章供热计量

2.1热计量的基本原理

热计量根据词的表面意义就知道，其是为了计量热量的一种方式。

热量是热力学工程中对热现象的一个重要概念。

从宏观的方面来看，对于一个封闭的系统，它的状态的变化主要有两种方式：

第一，外界对系统做功；第二，就是系统与外界之间的热传导[11]。

只要系统与外界之间有温度的差异，则就会产生热传导的作用。

通常情况下，由于温度的差异的变化，会使系统从一个平衡状态达到另一个平衡状态。

我们用热量来衡量系统内能变化，如式所示：

Q=U1-U22-1

式2-1中Q表示热量；U1表示平衡状态1的内能；U2表示平衡状态2的内能

在热计量系统的设计中，我们将住宅的供热设备假设为一个封闭的系统。

为了达到增加室内温度的效果，我们要增加散热设备来增加系统内的热量，从而增加整个系统的内能。

当整个系统达到平衡时，通过管道供给的热量Q1等于散热设备传递的热量Q2等于采暖热量Q3，即：

Q1=Q2=Q3；

上式也是供热计量仪表的原理[12]。

根据不同的计量方法，热计量仪表有以下三种方式计量：

第一，计量用户的热量Q1；第二，计量散热设备的热量Q2；第三，计量供热管道的供给热量Q3。

（1）对第一种方式的测量原理主要是可以根据式体现：

2-2

式2-2中：

Q1表示计量用户的热量，单位W/m3·℃；

V表示用户家庭的面积,单位m3；

tn表示在某个时刻所测的用户的室内的温度，单位℃；

tm表示在某个时刻所测的用户的室外的温度，单位℃；

r表示计量仪表的数据采集周期，单位s；

qv表示仪表的常数；

这种测量的方法只要测出室内和室外的温度，然后根据数据的采集周期就可以计算出用户的热量。

这种类型的仪表的优点是测量方法简单，缺点是没有考虑如果用户开窗所带来的热量的消耗的问题。

（2）对于第二种测量方式的原理可以通过式表明：

2-3

式2-3中：

Q2表示散热设备传递的热量，单位W/m3·℃；

β1β2β3β4表示散热设备的常数；

F表示散热设备的面积，单位m3；

A,b表示散热设备实际测量的常数；

tp表示散热设备的平均温度，单位℃；

tn表示室内温度，单位℃；

r表示计量表的采集周期，单位s；

根据上式，我们可以得出，如果要测出散热设备的热量Q2，则只需要测出室内温度tn、散热设备的平均温度tp和计量表的采集周期r就可以了。

（3）对于第三种测量方式的原理也就是本文中的计量表的工作原理可以通过式表明：

2-4

式2-4中：

E表示用户终端所得到实际的热量，单位W/m3·℃；

K表示水的比热和比重的修正值；

Tr表示管道水入的温度，单位℃；

Ts表示管道水回的温度，单位℃；

V表示水在一个时间段内的流量；

在这个式中，我们可以发现管道中水的热量的计量主要是通过对管道中水流过的质量的计算而来。

由于水的热值和水的温度之间的关系是非线性的，所以我们在测量的时候要对修正值K进行实时修正。

同时，在安装热计量仪表的时候也要充分的计算好其安装位置，因为不同的安装位置的水的修正值K各不相同[13]。

2.2热计量仪表的组成

热计量仪表的功能主要是对热量的测量和计算并且显示出所测量的数据。

因此它主要组成部分是测量系统、计算系统、显示、传感部分[14]。

新型的热计量仪表要将数据传给总的计量仪表，因此它还包含通讯系统。

它主要由热水流量计、温度传感器和积分计算器组成。

2.2.1热水流量计

热水流量计的主要功能是对热交换系统中流过的水流量进行测量。

按照具体的测量方式可以分为压差测量、机械测量、超声波测量和电磁测量这几种。

由于本文所采用的测量方式是机械测量的方式，所以在此重点介绍机械测量流量计的原理。

它主要是根据流量计内部的转动速度和水的流速成正比的关系制成。

叶片的转动会产生电磁脉冲信号，然后这种信号被传递到积分计算器中就可以对这种信号进行累积计算就可以得出水的具体的流量多少[15]。

这种类型的流量计应用比较广泛，它的主要优点有损耗小，方便维护。

缺点是对水质要求高，如果水的碱性比较大的时候容易造成流量计叶片的阻塞。

2.2.2温度传感器

对于管道中的水的温度的测量主要通过温度传感器。

它的主要原理就是水的温度和热敏电阻的阻值成比例的关系而制成。

常用的温度传感器的热敏电阻主要有锰电阻、镍电阻、铜电阻和铂电阻等。

这些热敏电阻的温度传感器的优点是性能稳定且具有较宽的测量范围。

主要缺点是元器件具有较差的互易性，温度和阻值之间的非线性现象较严重。

本文中的温度传感器主要采用的材料是铂。

这是由于铂具有误差小，测量准确和漂移小的特点[16]。

常用的型号有PT500和PT100。

2.2.3积分计算器

积分计算器的主要作用是对流过管道的水流量和温度传感器的温度值进行计算。

积分计算器可以对累计运行时间、供回水温差、功率、回水温度、供水温度、瞬时流量、累计流量和累计热量进行存储、分析计算和显示。

随着科技的不断进步和发展，积分计算器的存储容量不仅大大加大而且使用寿命也得到了延长。

由于通信技术的提高，积分器的功能甚至可以由人工抄表转到自动抄表的功能[17]。

第3章热计量系统的技术选择

3.1 热计量系统设计 

热计量分户计量信息管理系统可以通过无线网络将用户家中的表中的数据自动的传送到PC上位机中，然后由上位机对室内和室外的温度以及用户使用的热量进行记录统计的系统。

这种系统的最大特点就是克服了传统的人工抄录的弊端，大大的节省了人力资源。

在这种计量系统中所用的通信技术主要是无线的近距离通信方式。

将用户家中的表通过无线的方式传送到数据采集器，最后再传送到远端的管理系统。

这个系统的主要技术要点体现在以下几个方面：

（1）热计量表要求使用寿命长和低功耗的特点。

（2）热计量仪表能够对有效的记录温度、时间和日期等这些数据，并且及时的将数据转发到数据采集器。

（3）如果系统出现故障要有及时的报警设施，从而让维修的人员在有问题时能够及时的知道并且快速的找出故障的点，从而快速的使系统恢复正常运行。

（4）管理软件的界面要良好且操作容易，维护简单。

3.2 近距离无线通信技术介绍 

目前常见的使用比较普遍的近距离无线通讯技术有比较传统的蓝牙（Bluetooth）、ZigBee和Wi-Fi等等。

下面我们对这三种方式的通讯技术进行比较。

一、蓝牙（Bluetooth）

蓝牙最早于1998年由Intel、IBM、东芝、诺基亚、爱立信联合研究出的一种近距离的无线通信技术。

相对于传统的有线通讯的电缆，蓝牙技术用微波实现无线通讯的方式。

它的主要技术特点有：

（1）工作频段为2.4GHzISM

（2）数据传输速率最高可达2.4GHzISM

（3）功耗低，通信安全

（4）支持语音通信

（5）即插即用，使用方便简单

二、ZigBee通信

2000年IEEE制定了MAC层协议和ZigBee的物理层协议。

ZigBee通信是一种近距离通信方式，它的协议为IEEE802.15.4，如今在医疗、消费电子、家庭智能网络、工业控制等领域得到广泛的应用。

ZigBee通信的主要特点有：

（1）功耗低，通信安全

（2）数据通信可靠性高

（3）工作频段在不同的国家各不相同，我国为2.4GHz

（4）传输速率高

（5）支持语音通信

三、Wi-Fi通信

Wi-Fi通信主要使用的协议是IEEE802.11b，它发布于1999年，是一种有效方便的无线通信方式。

Wi-Fi通信的主要特点有：

（1）数据传输速率快且可靠性高

（2）组网灵活，组网成本低

（3）工作频段为2.4GHz

（4）支持语音通信

通过以上对几种无线通信方式的对比，再根据本文所设计的室内热计量系统的特点，可以得出ZigBee通信方式完全可以符合本文所要求的容量大，自动化管理水平高的要求。

所以本文主要使用的无线通信方式为ZigBee通信。

第4章热计量分户计量系统

4.1 热计量分户计量系统概述

图4-1热计量分户计量系统图

本文所研究的热计量分户计量信息系统如图4-1所示，用户采集器将用户的所使用的热量的值采集过来，然后通过ZigBee无线通信方式传递给热计量表，热计量表将所采集来的用户的信息、时间、日期、热量值再次通过ZigBee无线通讯的方式传递给PC上位机系统，这样可以更加方便供热公司的管理，省去了人力的亲自采集需求。

4.2 系统核心芯片选型 

PIC24FJ128GA010是美国微芯（microchip）公司的一类产品，它是采用精简指令集（RISC），流水线取指令方式，哈弗总线结构。

它治所以能够得到广泛的使用由于其简单易学、低价、低功耗、处理速度快、稳定性好、抗干扰能力强等特点。

它是microchip的主要产品之一。

4.3系统硬件设计 

4.3.1微光供电电路 

如图4-2所示，微光供电电路的原理是采用非晶硅太阳能电池和电池组合供电，为了防止在太阳能电池在没电的时候，锂电池对其反向充电，因此采用D12二极管进行防反。

这个二极管不能是普通的MOS二极管，它应该具有反向阻抗高、正向导通时阻抗低、正向压降低的特点。

因此本设计中采用了肖特基二极管RM731U，它的相关参数为：

1、IF二极管正向电流为1mA时，正向电压VF为0.37V。

在本设计中采用的锂电池型号为CC2477主要组成材料为二氧化锰。

在正常的运行时，ZigBee模块的电压范围为2.5V～3.3V，为了正常有效的工作，本文所采用的太阳能电池板是一种弱输出电压的。

图4-2微光供电电路

4.3.2按键电路 

图4-3中只给出了其中的S3的按键电路，如图所示，利用电阻R13和电容C12组成去抖的硬件电路。

本文设置了5个这样的按键电路，每个按键功能独立，分别为S1、S2、S3、S4和S5。

并将每个按键功能设置为：

S1为向上翻功能键，S2为向下翻功能键，S3为进入菜单功能键，S4为状态选择功能键，S5为设置时间和日期功能键。

图4-3按键电路

4.3.3报警电路

为了整个热计量系统的安全工作，防止出现问题而没能及时觉察的现象，本文对一些重要的部位和数据参数设置了报警电路，以便提醒维修人员的及时维修排除故障。

报警电路的方法就是数据通过单片机采集过来以后，与系统中已经设置的数据进行相比较，如果高于设置的上限值或者低于设置的下限值，则触发报警电路报警，否则就正常运行。

在本文中主要采用蜂鸣器进行报警，所选用的蜂鸣器为电压式蜂鸣器，然后通过单片机经驱动器来促使蜂鸣器发出报警的声音。

压电式蜂鸣器的驱动电流大概是10mA，因此可以采用TTL系列集成电路7406或7407驱动，当单片机输出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫；当单片机输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。

报警电路如图4-4所示：

图4-4三极管驱动的峰鸣音报警电路

三极管驱动的峰鸣音报警电路本设计是为在温湿度测量中对温湿度的上下限超出是的提示报警，但温湿度过限时，单片机输出端口被置0，本系统开始工作。

4.4系统软件设计 

4.4.1PC上位机管理系统设计框图

图4-5PC上位机管理系统设计框图

4.4.2数据库链接

数据库链接代码

ModuleModule1

PublicadminAsBoolean=True

PublicadminisAsString

PublicgradeAsString

PublicFunctionlink（ByVali）AsDataTable

DimsqlconAsNewSqlConnection（"datasource=PC-201103171305\SQLEXPRESS;database=热计量系统信息库;userid=sa;pwd="）'用连接对象连接数据库

DimsqladAsSqlDataAdapter

DimdsAsDataTable

sqlad=NewSqlDataAdapter（i,sqlcon）

ds=NewDataTable'数据集对象

Try

sqlad.Fill（ds）'添加数据

CatchexAsException

MessageBox.Show（ex.Message+Chr（10）+Chr（13）+ex.StackTrace）

EndTry

Returnds

EndFunction

EndModule

4.4.3登录界面

图4-6登录界面

设计过程：

图4-6为计量信息系统的登陆界面，它包括用户名和密码两部分，同时需要用户选择自己的类型进入系统，如果三者不统一则进入不了系统，如果没有用户名可以选择注册。

设计代码：

PrivateSubButton1_Click（ByValsenderAsSystem.Object,ByValeAsS