CN108224816A - 一种太阳能热水器集中供热信息采集与显示系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能热水器集中供热信息采集与显示系统及其控制方法，该系统包括用户单元、主机单元、远距离显示单元和远程服务器；太阳能热水器的水箱内壁设置有温度传感器和多个液位传感器，液位传感器分别设置在不同的高度；水箱底部设置有电加热器；多个用户单元分别设置在每个用户处；用户单元和远距离显示单元均与主机单元相连，远程服务器通过无线数据通信的方式与主机单元相连；水箱底部还设置有进水管路和出水管路，出水管路分为多个支路管路，支路管路分别延伸至每个用户处；主机单元控制用户单元，进而实现对每个支路管路的流量、温度和开关的控制。本发明功能全面，智能化程度高，能有效提高太阳能集中供水系统的管理效率，具有很高的经济价值。
Description
技术领域
本发明涉及热水器智能供水技术领域，尤其涉及一种太阳能热水器集中供热信息采集与显示系统及其控制方法。
背景技术
太阳能集中供水系统在很多应用场景中得到广泛采用，例如校园宿舍的集中供水，以及高档小区的集中供水。但是现有技术中采用的集中供水系统，往往智能化程度低、功能单一，一般仅能够实现对热水的控制开启和关闭的功能。但是在现实应用场景中，需要针对大量复杂、多变的数据进行处理，以应对各种各样的突发情况。而且现有技术中的集中供水系统，一般需要人工进行水量使用情况的检查，然后针对各个用户的使用情况进行针对性的调整和收费，控制难度大，并且需要消耗大量的人力和物力，不仅浪费时间，而且浪费成本。另外，现有技术中的集中供水系统，一般采用的是单机系统，缺乏联网，以及远程进行数据查看及控制的功能。
因此，针对现有技术中的大量不足，亟需研发出一种功能更加全面，智能化程度更高，且能够远程进行查看和控制的集中供水系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种太阳能热水器集中供热信息采集与显示系统及其控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种太阳能热水器集中供热信息采集与显示系统，该系统包括用户单元、主机单元、远距离显示单元和远程服务器；其中：
太阳能热水器包括太阳能制热单元和集中供水的水箱，水箱内壁设置有温度传感器和多个液位传感器，液位传感器分别设置在不同的高度；水箱底部设置有电加热器，温度传感器、液位传感器和电加热器均与主机单元相连；
用户单元设置有多个，分别设置在每个用户处；用户单元和远距离显示单元均与主机单元相连；用户通过IC智能热水卡激活用户单元，进而用户获取热水，同时用户单元实时显示IC智能热水卡的余额；
远程服务器通过无线数据通信的方式与主机单元相连，远程服务器上设置有上位机，通过上位机实时显示系统的工作状态，并实现对IC智能热水卡的缴费充值；
水箱底部还设置有进水管路和出水管路，出水管路分为多个支路管路，出水管路的支路管路分别延伸至每个用户处；
主机单元用于控制水箱内的水温，控制方法包括：太阳能逐时制热和电加热器制热；通过基于PSO改进BP神经网络的太阳能制热单元逐时制热量预测方法，预测太阳能制热单元的制热量，若太阳能制热量足够则停止电加热器工作，不足则开启电加热器工作。
进一步地，本发明的水箱底部的进水管路中设置有温度传感器和电磁阀，出水管路中设置有流量传感器和电磁阀；进水管路和出水管路中的温度传感器、电磁阀和流量传感器均与主机单元相连。
进一步地，本发明的每个支路管路中的出水口位置均设置有温度传感器、流量传感器和电磁阀，温度传感器、流量传感器和电磁阀均与各自用户处对应的用户单元相连。
进一步地，本发明的用户单元包括核心板模块，以及与核心板模块均相连的CAN总线通信模块、电磁阀通断控制模块、水流量传感器模块、电源模块、温度检测模块以及预留外接串口通信模块；每个用户处的支路管路中，电磁阀通断控制模块与支路管路的电磁阀相连，水流量传感器模块与支路管路的流量传感器相连，温度检测模块与支路管路的温度传感器相连。
进一步地，本发明的主机单元包括核心板模块，以及与核心板模块均相连的电源模块、CAN总线通信模块、两路温度检测模块、水流量检测模块、液位检测模块、电磁阀通断控制模块、电加热器控制模块、无线通信模块和远程数传模块；其中：
两路温度检测模块分别与进水管路中的温度传感器以及水箱内壁上的温度传感器相连；电磁阀通断控制模块与进水管路和出水管路中的电磁阀均相连；液位检测模块与水箱中的液位传感器相连；电加热器控制模块与水箱中的电加热器相连。
进一步地，本发明的远距离显示单元包括核心板模块，以及与核心板模块均相连的电源模块、LCD显示模块和远程数传模块。
进一步地，本发明的该系统还包括电源单元，电源单元包括+3.3V、+5V和+7.5V的电源转换电路。
进一步地，本发明的每个用户单元上均连接有水表，用户单元与水表之间通过RS485串行总线相连。
进一步地，本发明的主机单元中设置有GPRS通信模块，主机单元与远程服务器之间依次通过GPRS网络和Internet数据网实现无线数据通信。
本发明提供一种太阳能热水器集中供热信息采集与显示系统的控制方法，包括以下步骤：
主机单元通过无线数据通信的方式与远程服务器进行数据交换，显示各个楼栋的总用水情况，以及水箱供水的工作情况；
主机单元接收来自水箱的液位传感器信号，并通过远距离显示单元实时显示水箱水位；
主机单元接收来自水箱的温度传感器信号，并通过远距离显示单元实时显示水箱水温；
主机单元控制进水管路电磁阀的开关状态，控制方法包括：正常控制和强制控制；正常控制：当水箱水位低于阈值时，打开电磁阀进水，当水位达到阈值上限时，关闭电磁阀，停止进水；当水温超过阈值时，打开电磁阀进水，当水温将至阈值下限或水箱满水时，挂比比电磁阀，停止进水；
主机单元控制水箱内的水温，控制方法包括：太阳能逐时制热和电加热器制热；远距离显示单元对水温及控制状态进行实时显示；其中：
通过基于PSO改进BP神经网络的太阳能制热单元逐时制热量预测方法，预测太阳能制热单元的制热量，若太阳能制热量足够则停止电加热器工作，不足则开启电加热器工作；
电加热器进行水温加热控制方法包括：正常控制和强制控制；正常控制：当水温低于阈值时，电加热器开始加热，水温达到阈值上限时停止加热；强制控制：人工打开或关闭电加热器的开关；
用户缴费充值IC智能热水卡，通过IC智能热水卡激活用户单元，打开与用户单元相连的电磁阀，用户获取热水；用户单元实时显示IC智能热水卡的余额。
进一步地，本发明的基于PSO改进BP神经网络的太阳能制热单元逐时制热量预测方法具体为：
1)初始化：建立BP神经网络拓扑结构的太阳能制热单元逐时制热量预测模型，包含4个输入因子：分别为预测日的日期号、预测时的时刻、预测时的外界温度以及云量大小；1个输出因子：为预测时的太阳能制热单元制热量；并设置模型参数，包括粒子群的种群规模N、学习因子c1、c2；
2)将PSO粒子映射为对应的权值和阈值
3)计算粒子适应度；
以均方误差MSE来表示适应值函数用于评价种群中各个粒子的个体质量,其中MSE的计算公式为：
式中N为训练样本数；ym,n、cm,n分别代表第n组数据集的神经网络第m个输出节点的输出期望值和输出实际值；M代表神经网络的输出节点数量；
4)个体极值与全局极值的更新；
对粒子群中个体粒子的适应值做出判断，假如粒子当代适应值比上一代适应值更优则将当代适应值置为个体最优并进行个体极值的更新；评价粒子群中的最优适应值，假如当前代最优适应值比上一代的最优适应值更优则将当代最优适应值置为全局最优进行全局极值的更新；
5)更新粒子速度与位置；并将速度限制在[-Vmax,Vmax]内，位置限制在[Xmin,Xmax]内；
6)输出结果；
判定满足网络性能要求的MSE是否小于设定值，或者网络迭代次数达到最大，不满足任意一个条件就返回到步骤3)继续网络训练，若满足其中一个要求则停止迭代输出最优解的结果；
7)输出预测结果的太阳能制热单元逐时制热量。
进一步地，本发明的该方法中还包括上位机的控制方法：
上位机设置有两台，一个实现主机单元与远程服务器的通信，一个实现物业的缴费充值功能；
(1)第一上位机：主机单元通过GPRS通信，与该上位机相连，对整个楼栋的供水情况以及水箱状况进行显示，并且对于主机单元的工作情况及是否发生故障进行显示，如若主机单元发生故障，远程服务器端弹出报警窗口或者发出报警信号；
(2)第二上位机：该上位机用来管理用户的IC智能热水卡充值，用户缴费过后，物业通过管理主机来控制充卡机器来进行充值，生成不同用户的充值的记录。
进一步地，本发明的该方法中还包括检测液位传感器和温度传感器工作状态的方法，具体为：
将两个液位传感器按照相同高度安装并且捆绑在一起进行安装，主机单元接收来自水箱的两路液位传感器信号，并且显示屏显示这两路信号的状态，包括：“水位正常”或“水位故障”；“水位正常”是指两路都有信号，并且两路传感器信号的相对水位一致；如果有一路信号异常或者两路传感器信号的相对水位高度不一致，即发生水位故障，此时进行报警，并且关闭进水管路的电磁阀同时发出故障信号到远程服务器端进行通知；
将两个温度传感器按照相同高度安装，主机单元接收来自水箱的两路温度传感器信号，并且显示这两路信号的状态，包括：“温度正常”或“温度故障”；“温度正常”情况是指两路都有信号，并且两路传感器信号的相对温度差异不超过10℃；如果有一路信号异常或者两路传感器信号的相对温度差异超过10℃，则为“温度故障”，此时进行报警同时发出故障信号到远程服务器端进行通知。
本发明产生的有益效果是：本发明的太阳能热水器集中供热信息采集与显示系统及其控制方法，通过液位传感器对水箱内的水量进行监控，能够实现自动调整水箱水量的功能；通过流量传感器检测各个用户的用水量数据，不需要人工上门进行用水量的检测；通过温度传感器采集水箱内的热水温度，实现对水温的自动调节；通过与主机单元相连的远距离显示单元对系统的各个功能进行实时显示，直观方便，使管理员对用户的用水情况的管理更加高效；通过无线数据传输的方式实现主机单元与远程服务器之间的数据传输，能够对系统进行远程监控，并针对某些指定的数据进行保存和修改；另外，本发明中的控制方法，通过基于PSO改进BP神经网络的太阳能制热单元逐时制热量预测方法，实现对太阳能制热量的预测，进而实现太阳能制热和电加热器制热之间的智能切换，有效的提高了制热效率，并且能够有效的降低制热消耗的电量；该系统功能全面，智能化程度高，能够有效提高太阳能集中供水系统的管理效率，具有非常高的经济价值。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例的硬件框图；
图3a是本发明实施例的电源电路a；
图3b是本发明实施例的电源电路b；
图3c是本发明实施例的电源电路c；
图4是本发明实施例的RS485总线通讯部分原理图；
图5是本发明实施例的主控核心模块电路图；
图6是本发明实施例的模型拓扑图；
图中：1-用户单元，2-主机单元，3-远距离显示单元，4-远程服务器，5-温度传感器，6-液位传感器，7-电加热器，8-电磁阀，9-流量传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的太阳能热水器集中供热信息采集与显示系统，该系统包括用户单元1、主机单元2、远距离显示单元3和远程服务器4；其中：
太阳能热水器包括太阳能制热单元和集中供水的水箱，水箱内壁设置有温度传感器5和多个液位传感器6，液位传感器6分别设置在不同的高度；水箱底部设置有电加热器7，温度传感器5、液位传感器6和电加热器7均与主机单元2相连；
用户单元1设置有多个，分别设置在每个用户处；用户单元1和远距离显示单元3均与主机单元2相连；用户通过IC智能热水卡激活用户单元1，进而用户获取热水，同时用户单元1实时显示IC智能热水卡的余额；
远程服务器4通过无线数据通信的方式与主机单元2相连，远程服务器4上设置有上位机，通过上位机实时显示系统的工作状态，并实现对IC智能热水卡的缴费充值；
水箱底部还设置有进水管路和出水管路，出水管路分为多个支路管路，出水管路的支路管路分别延伸至每个用户处；
主机单元2用于控制水箱内的水温，控制方法包括：太阳能逐时制热和电加热器制热；通过基于PSO改进BP神经网络的太阳能制热单元逐时制热量预测方法，预测太阳能制热单元的制热量，若太阳能制热量足够则停止电加热器工作，不足则开启电加热器工作。
水箱底部的进水管路中设置有温度传感器5和电磁阀8，出水管路中设置有流量传感器9和电磁阀8；进水管路和出水管路中的温度传感器5、电磁阀8和流量传感器9均与主机单元2相连。每个支路管路中的出水口位置均设置有温度传感器5、流量传感器9和电磁阀8，温度传感器5、流量传感器9和电磁阀8均与各自用户处对应的用户单元1相连。
如图2所示，用户单元1包括核心板模块，以及与核心板模块均相连的CAN总线通信模块、电磁阀通断控制模块、水流量传感器模块、电源模块、温度检测模块以及预留外接串口通信模块；每个用户处的支路管路中，电磁阀通断控制模块与支路管路的电磁阀8相连，水流量传感器模块与支路管路的流量传感器9相连，温度检测模块与支路管路的温度传感器5相连。
主机单元2包括核心板模块，以及与核心板模块均相连的电源模块、CAN总线通信模块、两路温度检测模块、水流量检测模块、液位检测模块、电磁阀通断控制模块、电加热器控制模块、无线通信模块和远程数传模块；其中：
两路温度检测模块分别与进水管路中的温度传感器5以及水箱内壁上的温度传感器5相连；电磁阀通断控制模块与进水管路和出水管路中的电磁阀8均相连；液位检测模块与水箱中的液位传感器6相连；电加热器控制模块与水箱中的电加热器7相连。
远距离显示单元包括核心板模块，以及与核心板模块均相连的电源模块、LCD显示模块和远程数传模块。该系统还包括电源单元，电源单元包括+3.3V、+5V和+7.5V的电源转换电路。每个用户单元1上均连接有水表，用户单元1与水表之间通过RS485串行总线相连。主机单元2中设置有GPRS通信模块，主机单元2与远程服务器4之间依次通过GPRS网络和Internet数据网实现无线数据通信。
在本发明的另一个具体实施例中：
太阳能热水器集中供热信息采集与显示系统是通过嵌入式控制技术，用户单元对用户用水量、进水温度信息进行采集，主机单元采集水箱水温变化、液位变化等信息，各用户单元通过通讯总线与主机单元相互通信，主机单元通过长距离数传模块与显示单元通信，主机单元经过信息处理之后对各用户的供热情况进行计费并将用电量等信息显示在显示屏上，并且主机单元通过GPRS通信方式与远程服务器通信，实现远程监控供热的系统。
1、本系统实现以下功能：
(1)用户单元
●通过流量传感器检测本用户的用水量数据；
●用水温度数据采用流量传感器A感应的水箱水温；
●与主机通过现场总线通信，获取用电量数据；
●通过电磁阀通断控制模块控制对用户是否正常供热；
(2)主机单元：
●热水器出水量检测；
●水箱进水温度和出水温度检测；
●水箱液位检测；
●通过控制电磁阀以及电加热器实现对水箱水温的调节；
●根据进水水温、出水水温以及出水量换算出用水量和用电量；
●通过现场总线与最多21个用户单元进行通信，读取各用户单元的用水量数据；
●通过远程数传模块给远距离显示单元发送显示数据；
●支持设置按户均摊热水空循环损耗，损耗参数可自定义；
●主机可实现分时段计费；
●具备外接通信接口；
●具备定时保存功能；
●通过GPRS通信方式与远端服务器通信。
(3)远距离显示单元：
●通过远程数传模块接收主机单元发送过来的显示数据；
●将显示数据直观地显示在显示屏上。
(4)远程服务器
●通过TCP/IP与主机单元通信；
●实现对供热系统的远程监控；
●对某些指定数据进行保存。
2、系统的硬件结构：
系统整体在硬件上分为三大模块，主机单元、远距离显示单元和用户单元，主机单元和用户单元通过CAN总线进行通信，主机单元和远距离显示单元通过远程数传模块进行通信。
(1)用户单元
用户单元包括STM32核心模块、CAN通信、电磁阀通断控制模块、水流量传感器模块、电源模块、温度检测模块以及预留外接串口通信模块。
其中STM32核心模块暂定以STM32F103C8T6芯片为主控芯片，水流量传感器为485水表。
(2)主机单元
主机单元包括STM32核心板模块、电源模块、CAN通信模块、、2路温度检测模块、水流量检测模块、3路液位检测模块、电磁阀通断控制模块、电加热器控制模块、GPRS通信模块、远程数传模块。
(3)远距离显示单元
远距离显示单元包括STM32核心板模块、电源模块、LCD显示模块、远程数传模块。
(4)电源部分硬件设计
整个系统以+12V电源供电，其中系统各单元自身的正常工作需要+5V以及+3.3V的电源供电，同时监控主机单元和监控用户单元需要给485水表提供+6V至+10V的工作电源，因此设计+5V电源电路、+3.3V电源电路以及+7.5V电源电路，如图3所示。由图可看到，+5V电源电路以降压型开关稳压电源芯片LM2576-5.0V为主芯片，配以外围电路；+3.3V电源电路以降压型电源芯片ASM1117-3.3V为主芯片；+7.5V电源电路以直流降压芯片MP2359位主芯片，给外围485水表供电。
(5)RS485通讯部分
本系统中RS485通讯部分主要是用作主机单元、用户单元跟485水表的通讯需求，主机单元和用户单元通过85总线发出数据请求，而485水表进行通讯应答，RS485通讯硬件原理图如图4所示。如图所示，该部分硬件电路设计以工业级MAX3485作为RS485总线的处理器，MAX3485的485_TX，485_RX引脚接到主控芯片的相应引脚，同时RE引脚作为MAX3485收发使能端，并且在外围设置一120欧姆的电阻提高抗干扰性。
(6)GPRS通讯模块
在本系统，位于楼宇处的模块需要与监控中心得服务器单元进行远程通讯，综合安装方便性、通讯稳定性、通讯速率、功耗以及功能需求等考虑，以SIM900A GPRS模块为主机单元和远程服务器单元之间的通讯模块在硬件上，SIM900A模块与主控核心模块的通讯方式为串口通讯，接USART1串口，并且给模块提供+5V直流电源。
(7)主控核心模块硬件设计
主机单元、用户单元以及远距离显示单元的主控芯片均为STM32F103系列，因此主控核心模块的硬件电路基本一致，以监控用户单元为例进行介绍，电路图如图4所示。由图可见该模块主要由主控芯片、复位电路、晶振电路、下载调试电路、电容滤波电路等组成。
本发明实施例的太阳能热水器集中供热信息采集与显示系统的控制方法，包括以下步骤：
主机单元通过无线数据通信的方式与远程服务器进行数据交换，显示各个楼栋的总用水情况，以及水箱供水的工作情况；
主机单元接收来自水箱的液位传感器信号，并通过远距离显示单元实时显示水箱水位；
主机单元接收来自水箱的温度传感器信号，并通过远距离显示单元实时显示水箱水温；
主机单元控制进水管路电磁阀的开关状态，控制方法包括：正常控制和强制控制；正常控制：当水箱水位低于阈值时，打开电磁阀进水，当水位达到阈值上限时，关闭电磁阀，停止进水；当水温超过阈值时，打开电磁阀进水，当水温将至阈值下限或水箱满水时，挂比比电磁阀，停止进水；
主机单元控制水箱内的水温，控制方法包括：太阳能逐时制热和电加热器制热；远距离显示单元对水温及控制状态进行实时显示；其中：
通过基于PSO改进BP神经网络的太阳能制热单元逐时制热量预测方法，预测太阳能制热单元的制热量，若太阳能制热量足够则停止电加热器工作，不足则开启电加热器工作；
电加热器进行水温加热控制方法包括：正常控制和强制控制；正常控制：当水温低于阈值时，电加热器开始加热，水温达到阈值上限时停止加热；强制控制：人工打开或关闭电加热器的开关；
用户缴费充值IC智能热水卡，通过IC智能热水卡激活用户单元，打开与用户单元相连的电磁阀，用户获取热水；用户单元实时显示IC智能热水卡的余额。
基于PSO改进BP神经网络的太阳能制热单元逐时制热量预测方法具体为：
1)初始化：建立BP神经网络拓扑结构的太阳能制热单元逐时制热量预测模型，包含4个输入因子：分别为预测日的日期号、预测时的时刻、预测时的外界温度以及云量大小；1个输出因子：为预测时的太阳能制热单元制热量；并设置模型参数，包括粒子群的种群规模N、学习因子c1、c2；
2)将PSO粒子映射为对应的权值和阈值
3)计算粒子适应度；
以均方误差MSE来表示适应值函数用于评价种群中各个粒子的个体质量,其中MSE的计算公式为：
式中N为训练样本数；ym,n、cm,n分别代表第n组数据集的神经网络第m个输出节点的输出期望值和输出实际值；M代表神经网络的输出节点数量；
4)个体极值与全局极值的更新；
对粒子群中个体粒子的适应值做出判断，假如粒子当代适应值比上一代适应值更优则将当代适应值置为个体最优并进行个体极值的更新；评价粒子群中的最优适应值，假如当前代最优适应值比上一代的最优适应值更优则将当代最优适应值置为全局最优进行全局极值的更新；
5)更新粒子速度与位置；并将速度限制在[-Vmax,Vmax]内，位置限制在[Xmin,Xmax]内；更新的公式为：
Vid t+1＝Vt id+c1r1(pt id-xt id)+c2r2(pt gd-xt id)
xid t+1＝xt id+vid t+1
式中c1、c2为学习因子；r1、r2为均匀分布在(0,1)区间的随机数；Vt id为粒子速度，Vid t+1为更新后的粒子速度，xt id为粒子位置，xid t+1为更新后的粒子位置；
6)输出结果；
判定满足网络性能要求的MSE是否小于设定值，或者网络迭代次数达到最大，不满足任意一个条件就返回到步骤3)继续网络训练，若满足其中一个要求则停止迭代输出最优解的结果；
7)输出预测结果的太阳能制热单元逐时制热量。
该方法中还包括上位机的控制方法：
上位机设置有两台，一个实现主机单元与远程服务器的通信，一个实现物业的缴费充值功能；
(1)第一上位机：主机单元通过GPRS通信，与该上位机相连，对整个楼栋的供水情况以及水箱状况进行显示，并且对于主机单元的工作情况及是否发生故障进行显示，如若主机单元发生故障，远程服务器端弹出报警窗口或者发出报警信号；
(2)第二上位机：该上位机用来管理用户的IC智能热水卡充值，用户缴费过后，物业通过管理主机来控制充卡机器来进行充值，生成不同用户的充值的记录。
该方法中还包括检测液位传感器和温度传感器工作状态的方法，具体为：
将两个液位传感器按照相同高度安装并且捆绑在一起进行安装，主机单元接收来自水箱的两路液位传感器信号，并且显示屏显示这两路信号的状态，包括：“水位正常”或“水位故障”；“水位正常”是指两路都有信号，并且两路传感器信号的相对水位一致；如果有一路信号异常或者两路传感器信号的相对水位高度不一致，即发生水位故障，此时进行报警，并且关闭进水管路的电磁阀同时发出故障信号到远程服务器端进行通知；
将两个温度传感器按照相同高度安装，主机单元接收来自水箱的两路温度传感器信号，并且显示这两路信号的状态，包括：“温度正常”或“温度故障”；“温度正常”情况是指两路都有信号，并且两路传感器信号的相对温度差异不超过10℃；如果有一路信号异常或者两路传感器信号的相对温度差异超过10℃，则为“温度故障”，此时进行报警同时发出故障信号到远程服务器端进行通知。
在本发明的另一个具体实施例中：
楼顶主机：
(1)GPRS通信模块：
1.楼顶主机通过GPRS通信与云端服务器通信，显示各个楼栋的总的用水情况，以及楼顶的供水系统的工作情况，若系统出现故障，服务器可以收到相应的警报。楼顶主机也能够接收到来自服务器的远程控制信息(例如远程控制进出水的电磁阀的开关)。
(2)2路水位检测模块：楼顶主机接收来自水箱的两路电阻式水位传感器信号(这两个传感器按照相同高度安装并且捆绑在一起安装)，并且显示屏要显示这两路信号的状态(“水位正常”或“水位故障”)；“水位正常”情况是指两路都有信号，并且两路传感器信号的相对水位基本一致。在正常情况下，水位信号取两路传感器信号的平均值；如果有一路信号为零(很小)或者两路传感器信号的相对水位高度不一致，即发生水位故障，这时须报警(一共有20％，50％，80％三个水位线，报警方式：在显示屏中显示“水位故障”，同时报警指示灯亮！)，并且关闭进水口的电磁阀同时发出故障信号到服务器端进行通知，另外，利用红外模块方便地能够设置水位参数，如水箱满箱的对应参数，水箱空箱的对应参数等。(此处设置为20％以下进水，80％以上停止进水。)
(3)2路温度检测模块：楼顶主机接收来自水箱的两路温度传感器信号(这两个传感器按照相同高度安装)，并且要显示这两路信号的状态(“温度正常”或“温度故障”)；“温度正常”情况是指两路都有信号，并且两路传感器信号的相对温度差异不超过10℃；在正常情况下，温度信号取两路传感器信号的平均值；如果有一路信号为零(很小)或者两路传感器信号的相对温度差异超过10℃，则为“温度故障”，这时须报警同时发出故障信号到服务器端进行通知(报警方式：在显示屏中显示“温度故障”，同时报警指示灯亮！)，另外，利用红外模块方便地能够设置温度参数，如水箱停止加热的对应温度，水箱加热的最低温度等。
(4)485进水冷水表与热水出水表：楼顶主机接收水箱进水以及出水的信号，将用进出水水量发给服务端进行显示，并显示是否在进水或无进水的状态：“进水”或“无进水”。
1.检测冷水表的工作情况：通过开关电磁阀观察一段时间的流量变化情况，如果电磁阀开启时，冷水表流量长时间没有变化，即冷水水表发生故障。
2.检测出水口的热水表工作情况：在服务端设置一个检测的按键，当按下检测按键后，等待用户打开用水，如果一段时间内服务器接收到了流量的变化情况，并且变化的量较大，即可说明热水出水口水表工作正常。
(5)楼顶主机控制水箱冷水进水管电磁阀正常控制：
1.当水箱水位只剩20％时，打开电磁阀进水；当水箱水位达到水箱的80％时，关闭电磁阀，停止进水。
2.当水温达到75℃时，打开电磁阀进水；进水至水温降至65℃或水箱满水时停止进水。
强制控制：
1.要设置强制开通电磁阀或强制关闭电磁阀的按键或开关，从而根据水表流量变化观察电磁阀的工作状态是否正常(安装在电路板上，只供维修人员使用)。
2.要设置强制的冷水进水口的开关的水龙头，安装在电磁阀前面，方便维修人员检修时，可以手动的关闭进水口。
(6)楼顶主机控制水箱辅助电加热器
正常控制：当水箱水温低于50℃时加热，至75℃时停止加热。
强制控制：要设置强制开关，可人工打开加热器或关闭加热器(安装在电路板上，只供维修人员使用)。
加热的期间要显示“加热”，“保温”的工作状态，并且主机上设置了电加热器的开关按钮，方便人为的打开与关闭电加热器。
(7)高亮LED报警系统
1.当水位以及水温检测模块发生故障时，需要发出报警信号。
2.当电磁阀的工作发生故障时(检测方法：当开启或者关闭进水口的电磁阀时，进水冷水表的示数如果一直没有发生变化，即是电磁阀发生了故障。)，需要发出报警信号。
(8)7寸LCD显示屏
1.对水位水温检测模块的工作状态进行显示，并且显示当前水温以及水位。
2.对电加热器的工作状态进行显示，即加热或者保温。
3.对报警信息进行显示，即系统工作发生故障，显示具体模块故障信息。
4.对进水口电磁阀的工作状态进行显示，显示进水状态。
用户端：
用户机采用一个集刷卡、电磁阀通断、流量计算功能为一体的IC智能热水表。用户通过缴费充值IC卡来获取热水，每次充值过后只需刷一次卡，刷卡机上便会显示出已经充值的金额，随着用户的使用，逐渐扣费，直到金额为零时，刷卡机自动断掉用户的供水，并且具有余额不足提醒功能。(其中包括IC卡智能热水表，充值机，IC卡，以及充值系统)
强制控制：要在用户机之前设置一个手动的龙头开关，以方便维修人员进行维修时，可以手动关闭进水口。
服务器端(物业管理机)：
整个系统中需要两个上位机，一个实现GPRS与服务器的通信，一个实现物业的缴费充值功能。
(1)第一上位机(放置在物业部或公司)：楼顶主机单元通过GPRS通信，与该上位机相连，将整个楼栋的供水情况以及水箱状况进行显示，并且对于楼顶主机的工作情况是否发生故障进行显示，如若主机单元发生故障，服务器端需要弹出报警窗口或者发出报警信号。第一上位机如果放置在物业部，应该可以管理整个小区的各个楼栋，如果放置在公司则应该可以管理各个小区。
(2)第二上位机(放置在物业部)：该上位机用来管理用户的IC卡充值。用户缴费过后，物业通过管理主机来控制充卡机器来进行充值，生成不同用户的充值的记录。
智能制热功能：
在雨雪天以及多云天气和春秋季节时，太阳辐射弱，太阳能供热系统单独依靠太阳能制热单元制热水的话可能会不能满足用户用热水需求，因此需要太阳能制热单元与辅助加热器的联合工作。当系统运行在此模式下时，辅助加热器会根据适当的条件进行启停操作以满足系统的制热水需求：太阳能制热单元制热量足够则停止辅助加热器工作，不足则开启辅助加热器工作。设计辅助加热器的启停条件是系统在此种工作模式下的关键，若辅助加热器未及时开启会造成制热量的不足造成用户用热水水温偏低，若辅助加热器开启时间过长则会造成常规能源的浪费，不能最大化地利用太阳能。因此需要设计一套制热控制策略以尽可能多地利用太阳能，而整套的控制策略的核心以及难点在于对太阳能制热单元制热量的预测。
1、太阳能制热单元逐时制热量预测影响因素
在太阳能制热单元中，对制热单元制热量产生影响的因素多种多样，并且每种因素的实际情况也是处于变化之中，具有不确定性。所有与制热量有关的因素(包括直接的和间接的)都会对太阳能制热单元的太阳能制热量有影响，比如系统的安装位置，自然环境因素，系统设备因素，历史数据等。总的来说，影响太阳能制热单元逐时制热量的各项因素有以下几个：
1)太阳能制热单元的集热面积，这与用户需求有关系，在设备安装完成之后为定值；
2)天气因素，比如云量大小、温度大小等外界天气因素会对制热量产生影响；
3)太阳能制热单元的集热效率也会对制热量产生影响，不过这一因素也是系统安装完成之后即可确定；
4)太阳能供热系统的热水循环管道热量损耗还有水箱热量散失也对制热量产生影响。
5)制热时对应的日期与时刻，不同日期、不同时刻的太阳辐射强度不同，直接影响到太阳能制热单元的制热量。
对以上因素进行归纳，主要可以分为内扰、外扰两大方面:
1)内扰是指设备本身因素造成太阳能制热量的变化，它包括设备的安装位置，管道循环热损耗，水箱保温情况，集热管集热面价大小，集热管集热效率等。这些因素之间又有相互联系，使得太阳能制热量预测具有一定的复杂性和随机性。
2)外扰是指外界因素造成的太阳能制热量的变化，它包括外界温度，天气云量大小，制热时间点，制热日期点，历史制热数据，太阳辐射大小等。这些因素从宏观上看存在一定的规律或者说有一定的周期性，但是某些因素从各自的自身出发又有很大的不确定性，比如太阳辐射大小，无法给出某一时刻的确定值，这有增加太阳能制热量的复杂性和难度。
综上，逐时太阳能制热量是一个具有复杂性，多变量性，不确定性，动态性的随机性模型。复杂性和多变量是指它的影响因素有很多，而且这些因素处于不断变化的过程中，并且各因素之间相互影响。由于影响它的因素处于变化中，而且这些变化的不确定性、难于预知性，使得逐时太阳能制热量也具有随机性。同时，在逐时太阳能制热量预测系统中，具体的的时间段内又有着不同的变化因素，这也意味着其具有时间性，因此在进行逐时太阳能制热量预测时往往要在众多的因素中选出最必要的、准确的、影响力的因素，从而简化输入以提高预测速率。
2、基于PSO改进BP神经网络的太阳能制热单元逐时制热量预测
(1)PSO与BP神经网络优缺点分析
PSO算法经过了二十多年的发展，有其自身优势，同时在不同领域得到了应用，其中对神经网络的优化是其中一个。
而PSO算法具有算法结构简单、实现难度较低、通用性好以及搜索速度快等特点，在解决复杂优化问题时有其自身优势，其所存在的优点正好可以对BP神经网络存在的缺陷进行改进，改善其泛化映射能力。
(2)PSO优化BP神经网络具体形式
目前应用PSO算法改进BP神经网络的方式主要有以下两种：第一种是对网络的训练过程进行优化；第二种是对神经网络的网络结构进行优化，包含网络的隐含层数、节点数，这种方法较为复杂，并且网络结构的变化会很大程度上影响算法的收敛速度。本发明选用第一种方法改进BP神经网络。
(3)输入变量的选取
在预测模型中，合理的输入变量选取可对预测效果产生积极影响。因此在选择预测系统的输入变量时要考虑以下几点要求：
1)可预测性，选择的因子必须在现有科技下能够实现短期预测；
2)关联性，选取的因子必须与太阳能制热量有密切的联系；
3)精炼性，输入因子的数量直接影响预测系统的预测运行时间，因此输入因子的选择必须是与预测结果相关性较大的。
在太阳能制热系统中，对太阳能制热量产生影响的因素很多，包括设备的地理位置，天气情况、云量、气温等气象因子，太阳能集热管单管集热效率、集热管总数量、热水循环管道的热损耗等设备因素。由于地理位值、设备自身因素一般在设备安装完成之后就为确定值，因此确定值不作为输入量，只考虑诸如天气情况、气温、日期等对太阳能制热单元制热量产生较大影响的因子。综合以上分析，太阳能制热单元制热量预测模型以下输入项：
1)预测日期：预测时日期；
2)预测时刻：预测时的时间；
3)气温：预测时的外界环境温度；
4)云量：预测时刻云量情况；
(4)太阳能制热单元逐时制热量预测网络拓扑结构
由以上分析，建立的太阳能制热单元逐时制热量预测模型，包含4个输入因子：分别为预测日的日期号、预测时的时刻、预测时的外界温度以及云量大小；1个输出因子：为预测时的太阳能制热单元制热量；隐层节点数z由输入层神经元个数x、输出层神经元个数y以及常数b决定，最后将b确定为5。公式为：
网络拓扑如图6所示；
PSO算法优化神经网络的网络训练过程如下：
1)初始化：建立BP神经网络拓扑结构的太阳能制热单元逐时制热量预测模型，包含4个输入因子：分别为预测日的日期号、预测时的时刻、预测时的外界温度以及云量大小；1个输出因子：为预测时的太阳能制热单元制热量；并设置模型参数，包括粒子群的种群规模N、学习因子c1、c2；
2)将PSO粒子映射为对应的权值和阈值
3)计算粒子适应度；
以均方误差MSE来表示适应值函数用于评价种群中各个粒子的个体质量,其中MSE的计算公式为：
式中N为训练样本数；ym,n、cm,n分别代表第n组数据集的神经网络第m个输出节点的输出期望值和输出实际值；M代表神经网络的输出节点数量；
4)个体极值与全局极值的更新；
对粒子群中个体粒子的适应值做出判断，假如粒子当代适应值比上一代适应值更优则将当代适应值置为个体最优并进行个体极值的更新；评价粒子群中的最优适应值，假如当前代最优适应值比上一代的最优适应值更优则将当代最优适应值置为全局最优进行全局极值的更新；
5)更新粒子速度与位置；并将速度限制在[-Vmax,Vmax]内，位置限制在[Xmin,Xmax]内；更新的公式为：
Vid t+1＝Vt id+c1r1(pt id-xt id)+c2r2(pt gd-xt id)
xid t+1＝xt id+vid t+1
式中c1、c2为学习因子；r1、r2为均匀分布在(0,1)区间的随机数；Vt id为粒子速度，Vid t+1为更新后的粒子速度；xt id为粒子位置，xid t+1为更新后的粒子位置；
6)输出结果；
判定满足网络性能要求的MSE是否小于设定值，或者网络迭代次数达到最大，不满足任意一个条件就返回到步骤3)继续网络训练，若满足其中一个要求则停止迭代输出最优解的结果；
7)输出预测结果的太阳能制热单元逐时制热量。
该方法通过太阳能供热系统制热控制策略，能使供热系统有效的利用太阳能完成制热水任务从而减少常规电能的消耗。并且建立了控制策略所需的太阳能制热单元制热量预测模型，在Matlab上做了仿真实验，达到了较好的预测效果。
综上所述，本发明的太阳能热水器集中供热信息采集与显示系统及其控制方法，通过液位传感器对水箱内的水量进行监控，能够实现自动调整水箱水量的功能；通过流量传感器检测各个用户的用水量数据，不需要人工上门进行用水量的检测；通过温度传感器采集水箱内的热水温度，实现对水温的自动调节；通过与主机单元相连的远距离显示单元对系统的各个功能进行实时显示，直观方便，使管理员对用户的用水情况的管理更加高效；通过无线数据传输的方式实现主机单元与远程服务器之间的数据传输，能够对系统进行远程监控，并针对某些指定的数据进行保存和修改；另外，本发明中的控制方法，通过基于PSO改进BP神经网络的太阳能制热单元逐时制热量预测方法，实现对太阳能制热量的预测，进而实现太阳能制热和电加热器制热之间的智能切换，有效的提高了制热效率，并且能够有效的降低制热消耗的电量；该系统功能全面，智能化程度高，能够有效提高太阳能集中供水系统的管理效率，具有非常高的经济价值。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种太阳能热水器集中供热信息采集与显示系统，其特征在于，该系统包括用户单元(1)、主机单元(2)、远距离显示单元(3)和远程服务器(4)；其中：
太阳能热水器包括太阳能制热单元和集中供水的水箱，水箱内壁设置有温度传感器(5)和多个液位传感器(6)，液位传感器(6)分别设置在不同的高度；水箱底部设置有电加热器(7)，温度传感器(5)、液位传感器(6)和电加热器(7)均与主机单元(2)相连；
用户单元(1)设置有多个，分别设置在每个用户处；用户单元(1)和远距离显示单元(3)均与主机单元(2)相连；用户通过IC智能热水卡激活用户单元(1)，进而用户获取热水，同时用户单元(1)实时显示IC智能热水卡的余额；
远程服务器(4)通过无线数据通信的方式与主机单元(2)相连，远程服务器(4)上设置有上位机，通过上位机实时显示系统的工作状态，并实现对IC智能热水卡的缴费充值；
水箱底部还设置有进水管路和出水管路，出水管路分为多个支路管路，出水管路的支路管路分别延伸至每个用户处；
主机单元(2)用于控制水箱内的水温，控制方法包括：太阳能逐时制热和电加热器制热；通过基于PSO改进BP神经网络的太阳能制热单元逐时制热量预测方法，预测太阳能制热单元的制热量，若太阳能制热量足够则停止电加热器工作，不足则开启电加热器工作。
2.根据权利要求1所述的太阳能热水器集中供热信息采集与显示系统，其特征在于，水箱底部的进水管路中设置有温度传感器(5)和电磁阀(8)，出水管路中设置有流量传感器(9)和电磁阀(8)；进水管路和出水管路中的温度传感器(5)、电磁阀(8)和流量传感器(9)均与主机单元(2)相连。
3.根据权利要求1所述的太阳能热水器集中供热信息采集与显示系统，其特征在于，每个支路管路中的出水口位置均设置有温度传感器(5)、流量传感器(9)和电磁阀(8)，温度传感器(5)、流量传感器(9)和电磁阀(8)均与各自用户处对应的用户单元(1)相连。
4.根据权利要求3所述的太阳能热水器集中供热信息采集与显示系统，其特征在于，用户单元(1)包括核心板模块，以及与核心板模块均相连的CAN总线通信模块、电磁阀通断控制模块、水流量传感器模块、电源模块、温度检测模块以及预留外接串口通信模块；每个用户处的支路管路中，电磁阀通断控制模块与支路管路的电磁阀(8)相连，水流量传感器模块与支路管路的流量传感器(9)相连，温度检测模块与支路管路的温度传感器(5)相连。
5.根据权利要求2所述的太阳能热水器集中供热信息采集与显示系统，其特征在于，主机单元(2)包括核心板模块，以及与核心板模块均相连的电源模块、CAN总线通信模块、两路温度检测模块、水流量检测模块、液位检测模块、电磁阀通断控制模块、电加热器控制模块、无线通信模块和远程数传模块；其中：
两路温度检测模块分别与进水管路中的温度传感器(5)以及水箱内壁上的温度传感器(5)相连；电磁阀通断控制模块与进水管路和出水管路中的电磁阀(8)均相连；液位检测模块与水箱中的液位传感器(6)相连；电加热器控制模块与水箱中的电加热器(7)相连。
6.根据权利要求1所述的太阳能热水器集中供热信息采集与显示系统，其特征在于，远距离显示单元包括核心板模块，以及与核心板模块均相连的电源模块、LCD显示模块和远程数传模块。
7.一种采用权利要求1所述的太阳能热水器集中供热信息采集与显示系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
主机单元通过无线数据通信的方式与远程服务器进行数据交换，显示各个楼栋的总用水情况，以及水箱供水的工作情况；
主机单元接收来自水箱的液位传感器信号，并通过远距离显示单元实时显示水箱水位；
主机单元接收来自水箱的温度传感器信号，并通过远距离显示单元实时显示水箱水温；
主机单元控制进水管路电磁阀的开关状态，控制方法包括：正常控制和强制控制；正常控制：当水箱水位低于阈值时，打开电磁阀进水，当水位达到阈值上限时，关闭电磁阀，停止进水；当水温超过阈值时，打开电磁阀进水，当水温将至阈值下限或水箱满水时，挂比比电磁阀，停止进水；
主机单元控制水箱内的水温，控制方法包括：太阳能逐时制热和电加热器制热；远距离显示单元对水温及控制状态进行实时显示；其中：
通过基于PSO改进BP神经网络的太阳能制热单元逐时制热量预测方法，预测太阳能制热单元的制热量，若太阳能制热量足够则停止电加热器工作，不足则开启电加热器工作；
电加热器进行水温加热控制方法包括：正常控制和强制控制；正常控制：当水温低于阈值时，电加热器开始加热，水温达到阈值上限时停止加热；强制控制：人工打开或关闭电加热器的开关；
用户缴费充值IC智能热水卡，通过IC智能热水卡激活用户单元，打开与用户单元相连的电磁阀，用户获取热水；用户单元实时显示IC智能热水卡的余额。
8.根据权利要求7所述的太阳能热水器集中供热信息采集与显示系统的控制方法，其特征在于，基于PSO改进BP神经网络的太阳能制热单元逐时制热量预测方法具体为：
1)初始化：建立BP神经网络拓扑结构的太阳能制热单元逐时制热量预测模型，包含4个输入因子：分别为预测日的日期号、预测时的时刻、预测时的外界温度以及云量大小；1个输出因子：为预测时的太阳能制热单元制热量；并设置模型参数，包括粒子群的种群规模N、学习因子c1、c2；
2)将PSO粒子映射为对应的权值和阈值
3)计算粒子适应度；
以均方误差MSE来表示适应值函数用于评价种群中各个粒子的个体质量,其中MSE的计算公式为：
式中N为训练样本数；ym,n、cm,n分别代表第n组数据集的神经网络第m个输出节点的输出期望值和输出实际值；M代表神经网络的输出节点数量；
4)个体极值与全局极值的更新；
对粒子群中个体粒子的适应值做出判断，假如粒子当代适应值比上一代适应值更优则将当代适应值置为个体最优并进行个体极值的更新；评价粒子群中的最优适应值，假如当前代最优适应值比上一代的最优适应值更优则将当代最优适应值置为全局最优进行全局极值的更新；
5)更新粒子速度与位置；并将速度限制在[-Vmax,Vmax]内，位置限制在[Xmin,Xmax]内；
6)输出结果；
判定满足网络性能要求的MSE是否小于设定值，或者网络迭代次数达到最大，不满足任意一个条件就返回到步骤3)继续网络训练，若满足其中一个要求则停止迭代输出最优解的结果；
7)输出预测结果的太阳能制热单元逐时制热量。
9.根据权利要求7所述的太阳能热水器集中供热信息采集与显示系统的控制方法，其特征在于，该方法中还包括上位机的控制方法：
上位机设置有两台，一个实现主机单元与远程服务器的通信，一个实现物业的缴费充值功能；
(1)第一上位机：主机单元通过GPRS通信，与该上位机相连，对整个楼栋的供水情况以及水箱状况进行显示，并且对于主机单元的工作情况及是否发生故障进行显示，如若主机单元发生故障，远程服务器端弹出报警窗口或者发出报警信号；
(2)第二上位机：该上位机用来管理用户的IC智能热水卡充值，用户缴费过后，物业通过管理主机来控制充卡机器来进行充值，生成不同用户的充值的记录。
10.根据权利要求7所述的太阳能热水器集中供热信息采集与显示系统的控制方法，其特征在于，该方法中还包括检测液位传感器和温度传感器工作状态的方法，具体为：
将两个液位传感器按照相同高度安装并且捆绑在一起进行安装，主机单元接收来自水箱的两路液位传感器信号，并且显示屏显示这两路信号的状态，包括：“水位正常”或“水位故障”；“水位正常”是指两路都有信号，并且两路传感器信号的相对水位一致；如果有一路信号异常或者两路传感器信号的相对水位高度不一致，即发生水位故障，此时进行报警，并且关闭进水管路的电磁阀同时发出故障信号到远程服务器端进行通知；
将两个温度传感器按照相同高度安装，主机单元接收来自水箱的两路温度传感器信号，并且显示这两路信号的状态，包括：“温度正常”或“温度故障”；“温度正常”情况是指两路都有信号，并且两路传感器信号的相对温度差异不超过10℃；如果有一路信号异常或者两路传感器信号的相对温度差异超过10℃，则为“温度故障”，此时进行报警同时发出故障信号到远程服务器端进行通知。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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