0 引言

　　地鐵作為一種安全、快捷、高效、環(huán)保的交通工具，已成為許多大城市解決交通問題的首要選擇[1，2]。目前地鐵已成為我國城市公共交通的重要方式，并逐漸成為城市現(xiàn)代化建設(shè)的重要符號。我國有40余個(gè)城市正在進(jìn)行地鐵的建設(shè)和規(guī)劃，到2020年，我國城市地鐵里程將達(dá)到近6 000 km[1]。

　　目前，地鐵車庫的供暖主要采用燃?xì)廨椛涔┡?/a>和散熱器+暖風(fēng)機(jī)供暖兩種主要的供暖方式[3，4]。地鐵車庫供暖常用的恒溫控制方法是在每臺供暖設(shè)備設(shè)置獨(dú)立的控制端進(jìn)行溫度控制，隨著運(yùn)營時(shí)間的增長，可能會出現(xiàn)各種各樣的問題，需要員工定期對采暖設(shè)備和線纜故障進(jìn)行逐一排檢來保證其運(yùn)行安全。由于車庫場地大，所以巡查困難，每臺供暖設(shè)備的溫度控制端都需要人員專門去開關(guān)和設(shè)定，具體的溫度需要現(xiàn)場測量和記錄，耗費(fèi)大量的人力物力。

　　本文針對燃?xì)廨椛涔┡绞?，基?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/STM32" title="STM32" target="_blank">STM32和CAN總線技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種既可單臺運(yùn)行也可多臺聯(lián)合群控運(yùn)行的恒溫集控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對地鐵供熱設(shè)備的集中監(jiān)控、獨(dú)立設(shè)置、自動運(yùn)行、節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展、功耗檢測和故障保護(hù)預(yù)警等功能。

1 地鐵車庫恒溫集控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　地鐵車庫恒溫集控系統(tǒng)由PC客戶端、信息集控器、溫控器和溫度采集器等四部分組成。PC客戶端實(shí)現(xiàn)對車庫供暖系統(tǒng)分區(qū)管理、溫度上下限設(shè)定、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和預(yù)警信息的顯示。信息集控器實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)溫度和溫控信息的收發(fā)。溫度采集器與溫控器之間、溫控器與信息集控器之間均使用CAN總線通信[5，6]。信息集控器和PC客戶端之間的通信采用TCP/IP協(xié)議。地鐵車庫恒溫集控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1  地鐵車庫恒溫集控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

　　系統(tǒng)啟動時(shí)首先通過溫控器設(shè)定燃?xì)廨椛涔┡O(shè)備的啟動溫度下限、關(guān)閉溫度上限和供暖設(shè)備功率，當(dāng)被供暖廠房溫度低于設(shè)定溫度下限時(shí)，溫控器開啟燃?xì)廨椛涔┡O(shè)備；當(dāng)環(huán)境溫度高于溫控器設(shè)定的溫度上線時(shí)，燃?xì)廨椛涔┡O(shè)備停止運(yùn)行。

2 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 溫度采集器設(shè)計(jì)

　　溫度采集器的溫度采集芯片采用工業(yè)級的TMP75芯片。TMP75溫度輸出采用I2C數(shù)字接口，工作溫度范圍為-40 ℃～+125 ℃，工作電壓為2.7 V～5.5 V，分辨率最高可設(shè)為0.062 5 ℃。CAN收發(fā)器采用具有電鍍隔離的ISO1050芯片，ISO1050傳輸速率可達(dá)1 Mb/s，具有2500 VRMS隔離。電源模塊采用TPS62175同步降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，具有4.75 V～28 V寬工作輸入電壓，可提供500 mA的輸出電流。TPS62175第5引腳FB可設(shè)定芯片輸出電壓，依據(jù)公式R1=R2(Vout/Vref-1)和常用電阻阻值表，并為降低功耗和保證FB引腳的輸入電流大于5 ?滋A，選擇編程電阻V1=787 kΩ、R2=150 kΩ和FB參考電壓Vref=800 mV，編程后的輸出電壓Vout=5 V。微控制器采用STM32F103RBT6，它具有20 KB SRAM、128 KB Flash、72 MHz主頻以及I2C等多種接口，可以滿足μC/OS－II的運(yùn)行要求。I2C接口外接傳感器TMP75，CAN接口外接ISO1050收發(fā)器。溫度采集器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2  溫度采集器的結(jié)構(gòu)框圖

　　在溫度采集器和溫控器上各設(shè)置一個(gè)120 Ω終端匹配電阻以減少回波反射，在CAN總線接口終端處添加SM712ESD靜電保護(hù)二極管，增加浪涌防護(hù)能力[7]。

　　2.2 溫控器設(shè)計(jì)

　　溫控器主要完成接收傳感器發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)、監(jiān)控燃?xì)廨椛涔┡O(shè)備運(yùn)作以及與信息集控器數(shù)據(jù)交互等功能。溫控器主芯片采用STM32F207VET6微控制器。該芯片為LQFP100封裝，主頻120 MHz，具有2路CAN接口、24通道12 bit ADC、2通道12 bit D/A、132 KB SRAM和1 MB Flash Memory。CAN總線接口的1路接口接溫度采集器總線，另1路接信息集控器總線。功率檢測電路是2路最大檢測功率為4 000 W、輸出0 V～3.3 V的模擬信號電路，其電流互感器TA1420-04額定輸入電流20 A、輸出電流5 mA，用IC法獲得前級采樣電壓，通過LM358組成的全波精密整流電路和濾波電路獲得直流輸出電壓信號。人機(jī)交互鍵盤為5獨(dú)立按鍵鍵盤，顯示器采用工業(yè)級LCD1602顯示器；電路設(shè)計(jì)采用外部I2C串行接口存儲器AT24C02，可保證溫控器運(yùn)行配置信息斷電不丟失；溫控器采用ISO1050CAN收發(fā)器和B0505S-1W隔離電源，可以降低車庫中機(jī)車運(yùn)行時(shí)對恒溫集控系統(tǒng)的干擾，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。溫控器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3  溫控器結(jié)構(gòu)框圖

　　2.3 信息集控器設(shè)計(jì)

　　信息集控器的硬件電路采用成熟模塊設(shè)計(jì)。信息集控器可以管理8個(gè)以上的類以及64個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)中一臺信息集控器最多管理16臺溫控器。信息集控器有1路10/100 M以太網(wǎng)接口，1路全速USB2.0接口，一個(gè)SD卡槽，2路CAN總線接口，1個(gè)7寸TFTLCD液晶觸摸屏。溫控器可以隨時(shí)接入信息集控器的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，并被信息集控器指定標(biāo)識ID。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 溫度采集器從站軟件設(shè)計(jì)

　　恒溫集控系統(tǒng)采用CAN2.0A標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)幀由7段組成，仲裁段有11位標(biāo)識符[6]。依據(jù)CAN報(bào)文標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，編寫發(fā)送一幀數(shù)據(jù)幀函數(shù)。

　　根據(jù)意法半導(dǎo)體提供的驅(qū)動庫編寫溫度采集器收發(fā)數(shù)據(jù)的程序。溫度采集器采用μC/OS－II嵌入式操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個(gè)基于優(yōu)先級調(diào)度的搶占式的實(shí)時(shí)內(nèi)核，并在這個(gè)內(nèi)核之上提供最基本的系統(tǒng)服務(wù)，如信號量、郵箱、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、中斷管理等[8]。運(yùn)用該系統(tǒng)創(chuàng)建3個(gè)任務(wù)：任務(wù)1發(fā)送CAN總線消息；任務(wù)2接收CAN總線消息；任務(wù)3讀取溫度信息并發(fā)送給主機(jī)。系統(tǒng)任務(wù)創(chuàng)建流程如圖4所示，溫度讀取發(fā)送任務(wù)流程如圖5所示。

圖4  從站系統(tǒng)任務(wù)創(chuàng)建流程

圖5  溫度讀取和發(fā)送流程

　　3.2 溫控器CAN主站軟件設(shè)計(jì)

　　每個(gè)溫控器只偵聽過濾3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)幀ID標(biāo)識符：標(biāo)識符A用來偵聽廣播信息，標(biāo)識符B用來建立和信息集控器間的通信，標(biāo)識符C備用。每臺設(shè)備接收的廣播幀過濾器的設(shè)置固定統(tǒng)一。

　　溫控器是在μC/OS－II系統(tǒng)下運(yùn)行的。系統(tǒng)開始創(chuàng)建6個(gè)任務(wù)，分別是CAN數(shù)據(jù)處理任務(wù)、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)、按鍵處理任務(wù)、人機(jī)交互任務(wù)、功率檢測任務(wù)和LCD數(shù)據(jù)更新任務(wù)。CAN數(shù)據(jù)處理任務(wù)是核心任務(wù)，它的消息郵箱由CAN總線接收中斷函數(shù)發(fā)送。

　　溫控器系統(tǒng)任務(wù)程序創(chuàng)建流程如圖6所示，CAN數(shù)據(jù)處理任務(wù)程序流程如圖7所示。

圖6  溫控器系統(tǒng)任務(wù)創(chuàng)建程序流程

圖7  CAN數(shù)據(jù)處理任務(wù)程序流程

　　3.3 信息集控器軟件設(shè)計(jì)

　　信息集控器通過廣播幀為每臺入網(wǎng)的溫控器設(shè)備分配唯一ID過濾標(biāo)識符。信息集控器軟件主要對PC發(fā)送的數(shù)據(jù)和溫控器發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。PC發(fā)送的信息為更改溫控器的配置信息和請求更新數(shù)據(jù)信息。信息集控器轉(zhuǎn)發(fā)配置信息至每臺注冊過的溫控器，并接收梳理每臺溫控器發(fā)送的實(shí)時(shí)控制信息，然后再把整理好的信息轉(zhuǎn)發(fā)給PC。

　　信息集控器系統(tǒng)軟件在運(yùn)行時(shí)主要處理8個(gè)系統(tǒng)任務(wù)和1個(gè)硬件中斷任務(wù)。μC/OS CORE開啟后系統(tǒng)主要任務(wù)運(yùn)行流程如圖8所示。

圖8  主要任務(wù)運(yùn)行流程

　　3.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　基于Visual Studio 2012設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件，即地鐵車庫恒溫集控系統(tǒng)監(jiān)控軟件。上位機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)對車庫供暖系統(tǒng)分區(qū)管理，每個(gè)溫控器監(jiān)控設(shè)備開啟溫度或停止溫度的上下限溫度限制設(shè)定，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、能耗統(tǒng)計(jì)、故障報(bào)警和保護(hù)，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和預(yù)警信息的多重顯示方式，可拓展檢測其他功能傳感器數(shù)據(jù)（本系統(tǒng)增加了CO2傳感器數(shù)據(jù)）。該軟件還設(shè)計(jì)了和其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的接口。

　　圖9為地鐵車庫恒溫集控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖?？v軸是溫度，量程從10 ℃～20 ℃；橫軸是時(shí)間軸。在本次測試中，溫度上限設(shè)置為18 ℃，下限設(shè)置為15 ℃。設(shè)定帶方塊的曲線為曲線A，帶三角的曲線為曲線B。曲線A是辦公區(qū)域的燃?xì)廨椛涔┡O(shè)備運(yùn)作產(chǎn)生的溫度監(jiān)控曲線，曲線B是由大廳的燃?xì)廨椛涔┡O(shè)備運(yùn)作產(chǎn)生的溫度監(jiān)控曲線。辦公區(qū)域的熱源相對復(fù)雜，有大功率電熱暖氣，大廳的熱源相對單一，但是兩個(gè)區(qū)間可通過玻璃門聯(lián)通。燃?xì)廨椛涔┡O(shè)備是9點(diǎn)開啟，軟件監(jiān)控至16點(diǎn)45分。從圖中可以看出，這兩個(gè)區(qū)域的溫度比較穩(wěn)定地控制在15 ℃～18 ℃范圍內(nèi)。

圖9  地鐵車庫恒溫集控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖

4 結(jié)論

　　本文針對燃?xì)廨椛涔┡到y(tǒng)的供暖方式，基于STM32和CAN總線設(shè)計(jì)了一種新型的地鐵車庫恒溫集控系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明：溫度采集器能夠準(zhǔn)確地采集傳輸實(shí)時(shí)溫度，溫控器可以控制溫度在給定的溫差內(nèi)波動，信息集控器可以實(shí)時(shí)處理來自PC和溫控器的信息，PC軟件可以獨(dú)立或批量管理設(shè)置溫控器運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對地鐵供熱設(shè)備的集中監(jiān)控、獨(dú)立設(shè)置、自動運(yùn)行、節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展、功耗檢測和故障保護(hù)預(yù)警等功能，具有很好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。本套系統(tǒng)適用于機(jī)車車庫、大面積的廠房等使用燃?xì)廨椛涔┡到y(tǒng)供暖的場所。系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)都為數(shù)字信息，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和兼容性。

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