CN114756575B - 一种用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统 - Google Patents

一种用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统，属于信息采集、物联网以及信息传输技术领域。所述系统引入物联网传输单元及云端控制模块采集数据、分析夜间回水、上水及碳计量，包括主控制器模块、保护模块、云端控制模块和采暖热水模块；主控制器模块经数据交互子模块与云端控制模块相连；数据交互子模块与电源子模块、指示灯子模块、传感器子模块分别相连；云端控制模块与采暖热水模块及外部水净化器顺序相连；云端控制模块与保护模块相连。所述系统夜间控制集热管中热水的回流，提高热量利用率，并在合理时间段上水，避免因水温与集热管温差过大所导致集热管炸裂，增加使用寿命；兼具有良好功能和稳定性。

Description

一种用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统
技术领域
本发明涉及一种用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统，属于信息采集、物联网以及信息传输技术领域。
背景技术
为了解决空气污染问题，近几年国家在北方地区广泛推行“煤改气”、“煤改电”，每年投入几百亿的预算，使千万户农村居民实现清洁采暖。但是“煤改气”、“煤改电”的成本高昂。改造供暖方式已经成为了关乎民生福祉的大事。2021年，鼓励支持可再生能源与其它采暖方式互补，鼓励在小城镇和农村优先使用太阳能供暖系统。
由于全球范围内对能源需求的持续增长,以及传统能源(例如煤、石油和天然气)对环境所产生的负面影响，人们开始寻求替代性的可再生资源,其中主要是对太阳能、风能、生物能源和海洋能源的开发利用。太阳能行业目前发展平稳,这归功于全世界人类环境保护意识的日益增强,同时也得益于各国政府推行的企业激励措施,鼓励企业开发技术,利用可再生资源来生产能源。
我国一直积极推动清洁能源的生产,促进太阳能产业的建立和发展。太阳能是一种清洁、高效、取之不尽用之不竭的新能源，与常规能源相比有三大优点：
1、它是人类可利用的最丰富的能源；
2、无论何处都有，可以就地开发利用，不存在运输问题；
3、太阳能是一种洁净的能源，在开发利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡；
但是传统物联网系统存在以下问题：
1、夜间热量散失：物联网系统夜间会在集热管中存水，不会进行排空，这部分水本身携带有在白天吸收的太阳能，在夜晚它们存留在集热管中，没有太阳光作为热源，其热量会散失到周围环境中去，这就导致了集热管部分白天收集的热量在夜间散失，造成资源浪费；
2、上水时间不固定造成能源浪费或导致集热管炸裂：传统太阳能上水控制系统较为简单，即设备在到达指定时间后自动打开水泵向集热管中上水，但由于每天日出时间不同、天气不同，每天固定时间段上水会引发一下问题：如果上水时间太早，早于日出时间，此时环境温度为一天中的最低值，集热管中的水温会在日出前下降，日出后需要更长的时间加热到合适的温度，造成加热时间过长，能源浪费；如果上水时间太晚，日出后一段时间上水，这种情会损失一部分太阳能集热的时间，甚至导致集热管炸裂：因为集热管一般由玻璃构成，在阳光照射时会吸收热量，使其温度快速上升至数百度，若此时将冷水注入集热管会导致集热管与水冷热冲击，引起炸管，造成设备损坏；
3、物联网系统无法根据用户需求分房间、分时段供暖，供暖无法调节；
4、不具备碳计量功能；太阳能采暖行业未来有很大的碳排放市场，系统不具备碳计量功能就不能得到减排数据，具有碳计量功能的采暖系统，能得到减排数据，从而提前布局碳交易市场。
面对传统工艺无法解决的问题，日益发展的物联网技术为解决该类问题提供了解决思路。
发明内容
本发明的目的在于针对传统太阳能热水以及供暖装置夜间集热管存水导致白天收集的热量散失、白天上水时间不精确导致冷热冲击集热管炸裂、且无法进行碳计量的问题，提出了一种用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统，所述系统引入物联网传输单元采集大量热水器数据，同时引入云端控制模块分析夜间回水、上水判定以及碳计量，节省能源的同时按时上水，实现碳消耗的精确计量。
为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案。
所述用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统，包括主控制器模块、保护模块、云端控制模块和采暖热水模块；
其中，主控制器模块包括电源子模块、指示灯子模块、传感器子模块及数据交互子模块；
其中，数据交互子模块包括天线单元和物联网传输单元；
保护模块包括防冻加热单元、故障报警单元；
云端控制模块包括用户交互单元、指令单元、数据处理单元和数据获取单元；
所述数据处理单元包括回水分析单元、碳计量单元、上水时间判定单元和故障分析单元；
采暖热水模块包括电动阀门、水泵、散热单元、水箱、辅助热源及太阳能集热器；
其中，水箱包括保温水箱和开水水箱；
所述主控制器模块中电源子模块包括水泵继电器单元、加热管继电器单元和光耦隔离单元；
所述主控制器模块中指示灯子模块包括设备运行指示灯、上水指示灯和故障指示灯；
所述主控制器模块中传感器子模块，包括房间温度传感器、压力水位传感器、防冻温度传感器、开水箱温度传感器、光照强度传感器、集热器温度传感器、恒温水箱温度传感器和电机电流传感器；
主控制器模块通过数据交互子模块与云端控制模块相连；数据交互子模块与电源子模块、指示灯子模块、传感器子模块分别相连；主控制器模块通过电路控制采暖热水模块；采暖热水模块与外部水净化器通过管道相连；云端控制模块与保护模块相连；用户交互单元与指令单元相连，数据处理单元与数据获取单元相连，数据处理单元与指令单元相连；
传感器子模块中的光照强度传感器和集热器温度传感器将采集的数据由电信号的形式传递给数据交互子模块，数据交互子模块通过无线网络将数据传递给数据处理单元中的回水分析单元；
数据处理单元将数据处理结果传递给指令单元，指令单元将指令通过数据交互子模块传递给水泵继电器单元，继电器通过开关电路完成对水泵的控制。并同时指令单元将指令同步传递给用户交互单元，使得与用户交互单元相连的界面中能实时更新设备状态；
数据获取单元获取当天的日出时间，将时间传递给数据处理单元，数据处理单元中点上市时间判定单元将处理结果传递给指令单元，指令单元通过数据交互子模块将指令传递给光照强度传感器，光照强度传感器和集热器内温度传感器将采集的数据通过数据交互子模块传递给数据处理单元，数据处理单元再将处理结果通过数据交互子模块传递给水泵和上水指示灯，设备进行上水工作；
物联网系统上水时，压力水位传感器采集水压，恒温水箱温度传感器采集水温数据，数据交互子模块通过网络将传感器数据传输至云端控制模块；数据处理单元中的碳计量单元结合压力水位传感器测得的水压，计算出上水时保温水箱中的水量；
物联网系统回水时，保温水箱中的压力传感器采集此刻水压，恒温水箱温度传感器采集此刻水温数据，传感器数据通过数据交互子模块传输至云端控制模块，碳计量单元计算得出结果；
防冻温度传感器将采集到的数据通过数据交互子模块传递给数据处理单元数据，处理单元将运行结果传递给指定单元指令，单元下达指令给加热管继电器单元和保护模块中的防冻加热单元，开启防冻加热；
电机电流传感器采集设备电流信号，通过数据交互子模块传递给数据处理单元中的故障分析单元，数据处理单元将结果传递给指定单元，指令单元通过下达指定给故障报警单元和故障指示灯，实现故障报警；
用户界面将开水功能指令传输给用户交互单元，用户交互单元接受指令，通过指令单元和数据交互子模块将指令传达给主控制器模块，主控制器模块开启加热管继电器单元，并通过电路控制辅助热源对开水箱内的水进行加热，开水箱温度传感器采集开水箱内水温数据，并通过数据交互子模块传递给数据处理单元，达到温度后，指令单元下达停止加热指令，通过数据交互子模块传递给主控制器模块，主控制器模块关闭加热继电器单元，同时通过电路控制停止辅助热源的加热；
房间温度传感器采集房间温度，传感器数据通过数据交互子模块传递给数据处理单元，若温度未达到指定采暖温度，指定单元下达采暖指令，通过数据交互子模块传递给主控制器模块，主控制器模块通过电路控制散热单元。开始进行采暖。
外部水净化器中的水通过管道进入保温水箱，保温水箱中的水通过水泵到达太阳能集热器内进行加热，通过电动阀门打开使集热器中的热水回流至保温水箱；
采暖热水模块通过太阳能集热器利用太阳能对外部水进行加热获得生活热水，供给日常生活使用或直接利用外部水进行采暖；
主控制器模块获取设备运行状态与云端指令数并通过获取的数据调控与显示外部设备的工作状态；
所述主控制器模块中电源子模块的功能为通过水泵继电器单元控制水泵的工作，通过加热管继电器单元控制集热管的工作，进而控制集热管中热水的回流与流入；光耦隔离单元的功能为防止继电器之间因电压差距过大，造成设备损坏；
指示灯子模块为显示设备的工作运行状态；传感器子模块的功能为收集设备运行数据、外界环境数据，供以物联网传输单元或数据处理单元进行决策；数据交互子模块的功能为实现主控制器模块、云端控制模块、保护模块以及采暖热水模块间的信息交互，同时在断网时由主控制器模块负责决策；
保护模块的功能为对系统以及外部设备的工作状态状态进行保护与提醒；
所述保护模块中防冻加热单元的功能为通过加热管外部包裹的伴热带对管道进行加热，防止管道内水结冰导致水管破裂；故障报警单元的功能为在设备故障时进行报警；软化水设备单元的功能为祛除水垢，延长设备使用寿命；断网保护单元的功能为判断设备是否联网，若联网，则将传感器收集的数据上传至云端控制模块，主控制器模块负责执行云端控制模块发送的指令；否则由主控制器模块接收传感器数据，并判断数据是否达到设定工作阈值，从而决定工作模式；
云端控制模块通过用户交互单元获取用户指令，并传递给用户设备运行的信息；通过数据处理单元分析传感器子模块收集的数据，对上传的用户数据进行分析处理并反馈；通过数据获取单元获取互联网天气信息，根据日出日落时间调整太阳能集热管的上水时间和排空时间，通过指令单元下发指令；
所述物联网系统的夜间回水，具体步骤如下：
S1、测量光照强度，具体为：
通过光照强度传感器测量光照强度数据，并将数据通过数据交互子模块传递给数据处理单元；
S2、判断当前光照强度是否小于预设光照门限值；具体为：
数据处理单元中的回水分析单元判断S1获得的光照强度数据是否小于预设光照门限值，若小于门限值，则跳至S3；否则，跳至S1；
S3、太阳能集热器中的温度传感器测量集热管内水的温度；
S4、回水分析单元根据集热管内水的温度判断当前温度是否呈下降趋势；若是，则跳至S5；否则，跳至S1；
S5、指令单元下达打开排空阀门命令，电动阀门打开，集热管内的存水回流至保保温水箱；
至此，从S1到S5，完成了夜间回水的过程。
所述物联网系统采取按时上水的措施，具体步骤如下：
步骤A、数据获取单元获取当天的日出时间；
步骤B、数据处理单元判断时间是否到达日出时间；若是，则光照强度传感器在日出时间开始工作；否则跳至步骤A；
步骤C、光照强度传感器采集光照数据，数据处理单元根据光照强度传感器采集到的光照强度是否大于预设光照门限值；若大于，则集热器内温度传感器开始采集温度，跳至步骤D；若小于，则跳至步骤C，光照强度传感器继续采集数据；
步骤D、数据处理单元根据集热器内温度传感器采集的温度，判断温度是否达到温度门限值，若是，则指令模块下达启动水泵进行上水工作的指令；否则，继续执行步骤D，继续判断集热器内温度传感器采集的温度是否达到温度门限值；
至此，从步骤A到步骤D完成了按时上水的过程。
所述物联网系统的碳计量过程具体步骤如下：
步骤a、测量上水时的水压和水温，具体为：
上水时外部水净化器中冷水进入保温水箱，压力水位传感器采集水压，恒温水箱温度传感器采集水温数据；
步骤b、上传传感器数据，具体为：数据交互子模块通过网络将数据传输至云端控制模块；
步骤c、数据处理单元中的碳计量单元结合步骤a中压力水位传感器测得的水压，计算出上水时保温水箱中的水量；
步骤d、物联网系统回水时，保温水箱中的压力传感器采集此刻水压，恒温水箱温度传感器采集此刻水温数据；
步骤e、将回水时的传感器测得的水压数据和水温数据通过数据交互子模块传输至云端控制模块，碳计量单元计算出回水时保温水箱中水量；
步骤f、碳计量单元将回水后保温水箱中水位与上水时的做差即可得到本次上水回水过程中热水消耗量；
步骤g、碳计量单元计算节碳量，具体为：
根据式（1）计算从上水到回水之间产生的采暖系统通过太阳能产生的热量；
（1）
其中，为水的密度，Cp为水的比热容，i为太阳能热水器总台数，j为太阳能热水器i的年有效使用天数；
根据式（2）计算节碳量：
（2）
其中，为辅助电热设备的热效率；/>为所在地区的中国区域电网准线排放因子，/>为节碳量；
至此，从步骤a到步骤g完成了碳计量过程。
有益效果
本发明提出的一种用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统，与现有物联网系统相比，具有如下有益效果：
1.所述系统能在夜间控制集热管中热水的回流，提高热量的利用率，具体通过获取网络天气数据、传感器数据，进行实时的数据交互，使得设备的调控更为精准，有效地减少能量损失；所述系统引入物联网传输单元，使得大量热水器数据得以被采集，从而计算采暖系统碳排放量；所述系统较市场上同类型产品能减少40%左右的热量损耗，尤其是在环境温度较低的条件下（如冬季），相当于节省了白天所收集的热量的一半；
2.所述系统能在合理时间段上水，避免因水温与集热管温差过大所导致的集热管炸裂的现象，增加系统的使用寿命；通过采用断网、联网下两种不同运行模式，使得系统兼具有良好功能和稳定性；
3.所述系统结合了市场原有各款控制器的优点后，创新性地增加了网络传输功能，所述系统通过云端控制模块，使用户能够根据自身情况调整太阳能设备的工作状态，使系统具备个性化及定制化特点；应用窄带物联网实现太阳能采暖，实现了室内覆盖，低功耗，广连接的采暖热水系统，使得大量末端微传感器实时采集，即时上传水温数据并获得反馈信息成为可能；
4.所述系统能实时采集光强、时间和水温信息并上传至云端，通过阿里云服务器进行大数据处理分析来综合判断是否还有充足光照来维持正向热传导，夜间热传导方向改变，转为散热，则通过反馈信息智能控制水泵、电动阀门等设备，将高温热水从太阳能集热器回流到蓄热水箱，不让热水在寒冷的户外过夜，实现热能回收功能。
附图说明
图1为本发明一种用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统组成示意图；
图2为本发明一种用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统夜间回水功能流程图；
图3为本发明一种用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统按时上水功能流程图；
图4为本发明一种用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统碳计量功能流程图；
图5为本发明一种用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统实施例1中参数设定示意图；
图6为本发明一种用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统实施例1中运行界面示意图；
图7为本发明一种用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统实施例1中历史数据界面示意图；
图8为本发明一种用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统实施例1中故障报警界面示意图；
图9为本发明一种用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统实施例2中运参数设定示意图；
图10为本发明一种用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统实施例2中故障报警界面示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明一种用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统进行详细说明。
实施例1
本实施例针对传统太阳能热水以及供暖夜间集热管存水导致白天收集的热量散失、白天上水时间不精确导致冷热冲击集热管炸裂、且无法进行碳计量的问题，提出了一种用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统，如图1所示。
所述一种用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统，包括主控制器模块、保护模块、云端控制模块和采暖热水模块；
其中，主控制器模块包括电源子模块、指示灯子模块、传感器子模块、数据交互子模块；
其中，数据交互子模块包括天线单元和物联网传输单元；具体实施时，控制芯片使用的是PIC18F4520，驱动芯片为ULN1803；
保护模块包括防冻加热单元、故障报警单元；
云端控制模块包括用户交互单元、指令单元、数据处理单元、和数据获取单元；云端控制模块的用户交互单元，具体实施时，使用物联网芯片LTE CAT-1（WH-GM5模组）；
其中，所述数据处理单元包括回水分析单元、碳计量单元、上水时间判定单元和故障分析单元；
采暖热水模块包括电动阀门、水泵、散热单元、水箱、辅助热源及太阳能集热器；
其中，水箱包括保温水箱和开水水箱；
所述主控制器模块中电源子模块包括水泵继电器单元、加热管继电器单元和光耦隔离单元；
具体实施时，使用的继电器为松乐SRD-12VDC-SL-C，使用的光耦隔离芯片为TLP521，开关电源为220V输入，12V和5V双路输出；
所述主控制器模块中指示灯子模块包括设备运行指示灯、上水指示灯和故障指示灯；
所述主控制器模块中传感器子模块，包括房间温度传感器、压力水位传感器、防冻温度传感器、开水箱温度传感器、光照强度传感器、集热器温度传感器、恒温水箱温度传感器和电机电流传感器；
具体实施时，温度传感器使用的是PT100高精度防水传感器，压力传感器使用的是4-20MA数显耐高温型压力传感器，电机电流传感器使用的是互感器测量电流GTA04Z；
所述用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统中各组成部分的连接关系如下：
主控制器模块通过数据交互子模块与云端控制模块相连；数据交互子模块与电源子模块、指示灯子模块、传感器子模块分别相连；云端控制模块与采暖热水模块相连；采暖热水模块与外部水净化器通过管道相连；云端控制模块与保护模块相连；用户交互单元与指令单元相连，数据处理单元与数据获取单元相连，数据处理单元与指令单元相连；
所述用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统各部分组成功能如下：
采暖热水模块的功能为利用太阳能对外部水进行加热，从而获得生活热水，供给日常生活使用或直接利用外部水进行采暖；
主控制器模块获取设备运行状态与云端指令数据，并通过获取的数据对外部设备的工作状态进行调控与显示；
所述主控制器模块中电源子模块的功能为通过水泵继电器单元控制水泵的工作，通过加热管继电器单元控制集热管的工作，进而控制集热管中热水的回流与流入；光耦隔离单元的功能为防止继电器之间因电压差距过大，造成设备损坏；
指示灯子模块的功能为显示设备的工作运行状态；传感器子模块的功能为收集设备运行数据、外界环境数据，供以物联网传输单元或数据处理单元进行决策；数据交互子模块的功能为实现主控制器模块、云端控制模块、保护模块以及采暖热水模块间的信息交互，同时在断网时由主控制器模块负责决策；
保护模块的功能为对系统以及外部设备的工作状态状态进行保护与提醒；
所述保护模块中防冻加热单元的功能为通过加热管外部包裹的伴热带对管道进行加热，防止管道内水结冰导致水管破裂；故障报警单元的功能为在设备故障时进行报警；软化水设备单元的功能为祛除水垢，延长设备使用寿命；断网保护单元的功能为判断设备是否联网，若联网，则将传感器收集的数据上传至云端控制模块，主控制器模块负责执行云端控制模块发送的指令；否则由主控制器模块接收传感器数据，并判断数据是否达到设定工作阈值，从而决定工作模式；
云端控制模块的功能为通过用户交互单元获取用户指令，并传递给用户设备运行的信息；通过数据处理单元分析传感器子模块收集的数据，对上传的用户数据进行分析处理并反馈；通过数据获取单元获取互联网天气信息，根据日出日落时间调整太阳能集热管的上水时间和排空时间，通过指令单元下发指令；
针对传统物联网系统夜间集热管存水导致白天收集的热量散失的问题，所述物联网系统采取夜间回水的措施，如图2所示，具体步骤如下：
步骤1、测量光照强度；具体为：
通过光照强度传感器测量测量此刻光照强度数据，并将数据通过数据交互子模块传递给数据处理单元；
步骤2、判断当前光照强度是否小于预设光照门限值；具体为：
数据处理单元中的回水分析单元判断步骤1中获得的光照强度数据是否小于预设光照门限值；如果小于门限值，则跳至步骤3；否则，跳至步骤1；
步骤3、集热器中的温度传感器测量集热管内水的温度；
步骤4、回水分析单元根据集热管内水的温度判断当前温度是否呈下降趋势；若是，则跳至步骤5；否则，跳至步骤1；
步骤5、指令单元下达打开排空阀门命令，电动阀门打开，集热管内的存水回流至保保温水箱；
至此，从步骤1到步骤5完成了夜间回水的过程。
针对白天上水时间不精确导致冷热冲击集热管炸裂的问题，所述物联网系统采取按时上水的措施，如图3所示，具体步骤如下：
步骤A、服务器获取当天的日出时间；
步骤B、数据处理单元判断时间是否到达日出时间；若是，则光照强度传感器在日出时间开始工作；否则跳至步骤A；
步骤C、光照强度传感器开始采集光照数据；处理单元根据光照强度传感器采集到的光照强度是否大于预设光照门限值；若大于，则集热器内温度传感器开始采集温度，跳至步骤D；若小于，则跳至步骤C，光照强度传感器继续采集数据；
步骤D、数据处理单元根据集热器内温度传感器采集的温度，判断温度是否达到温度门限值，若是，则指令模块下达启动水泵进行上水工作的指令；否则，继续执行步骤D，继续判断集热器内温度传感器采集的温度是否达到温度门限值。
至此，从步骤A到步骤D完成了按时上水的过程。
针对传统物联网系统无法计算碳消耗的问题，所述物联网系统在工作中碳消耗的计算过程，如图4所示，具体步骤如下：
步骤a、测量上水时的水压和水温；具体为：
上水时外部水净化器中冷水进入保温水箱，压力水位传感器、恒温水箱温度传感器采集分别采集水压和水温数据；
步骤b、上传传感器数据；具体为：数据交互子模块通过网络将数据传输至云端控制模块；
步骤c、数据处理单元调用碳计量单元处理数据，具体为：
碳计量单元通过压力水位传感器、恒温水箱温度传感器采集水压、水温数据计算出上水时保温水箱中水量；
步骤d、物联网系统回水时，保温水箱中的压力传感器采集此刻水压，恒温水箱温度传感器采集此刻水温数据T_H；
步骤e、将回水时的传感器测得的水压数据和水温数据通过数据交互子模块传输至云端控制模块，碳计量单元计算出回水时保温水箱中水量；
步骤f、碳计量单元将回水后保温水箱中水位与上水时的做差即可得到本次上水回水过程中热水消耗量V_ij；
步骤g、碳计量单元计算节碳量；具体为：
根据式（1）计算从上水到回水之间产生的采暖系统通过太阳能产生的热量Q_System；
其中，ρ为水的密度，Cp为水的比热容，i为太阳能热水器总台数，j为太阳能热水器i的年有效使用天数；
根据式（2）计算节碳量，其中，η_auxiliary为辅助电热设备的热效率；EF_(electricity,CO2)为所在地区的中国区域电网准线排放因子，V_reduction为节碳量；
至此，从步骤a到步骤g完成了碳计量的过程。
所述物联网系统的采暖过程步骤如下：
步骤S1、云端控制模块中的数据处理单元或用户交互单元下达采暖指令；
步骤S2、恒温水箱温度传感器采集水温，输出据处理单元判断水温是否达到采暖温度；若是，则启动散热单元；否则启动辅助热源，对保温水箱中的水进行加热。
至此，从步骤S1到步骤S2完成了采暖的过程；
主控中心模块通过物理线路连接的方式与保护模块、外部太阳能装置连接；通过局域网/城域网/自主网的方式与云端控制模块以及用户控制终端相连接；
所述基于物联网的太阳能热水采集装置通过互联网，基于用户设定的参数和平台经过大数据分析所得到的结果来协调各个模块的运作，优化太阳能加热和热水储存利用的过程；具体优化方式如下：当水箱中的水温低于用户设定的温度时，系统会启用太阳能加热模块，若太阳能不充足，无法有效加热时，则会使用电能辅助或者地热能辅助的方式进行加热；系统也会根据环境温度、水压、电流、集热管温度参数自动对整个系统进行保护，若环境温度过低，则通过伴热带加热水管防止管内存水结冰引起的水管破裂；若水压较小（水位过低），则通过水泵进行上水操作；若电路电流超过额定值，则进行短路报警并关闭电源；若网络连接断开，则将数据传输至单片机进行处理，并由单片机对系统进行控制。系统还配有专门的物联网模块，通过物联网模块，平台可以将经过大数据算法以及深度学习算法优化后的参数传回到各个太阳能系统之中，从而根据用户的使用习惯进行优化。
本实例阐述了将本发明装置配置给某医院的采暖情形，为该单位配套建设太阳能采暖+空气源热泵工程。所述装置具体实施时，如图1所示，主要包括采暖热水模块、主控制器模块、保护模块以及云端控制模块这四个大模块。
具体实施时，传感器子模块中的房间温度传感器放置在阳光直射不到且与散热单元距离1-2m的地方（侧送风高度宜为1.5m，听送风高度宜为1.0m），获取房间内的温度。
传感器模块中包含解耦电路、多路模拟开关电路、接口电路组成的采集电路和对应的传感器；信息预处理单元的信息压缩单元对采集的信息进行压缩，再经存储单元对数据存储，具体通过与主控中心模块（STM32单片机）串行通信的SD卡实现存储，再通过网络向主控中心模块发送数据，对温度、水位、电流的分析在动态信息提取处理模块中实现，具体实施时，提取特征后再构建分类器进行识别与提示。由多传感器提取出的动态信息和静态信息，经信息后处理模块综合处理输出给提醒及显示模块对用户进行全方位的温度、采暖提醒。
所述采暖装置具体实施时，考虑到医院的范围大，房间多，温度需求多样化，房间温度传感器需要放置在不同楼层的不同房间、浴室、卫生间等场景。该例所述的采暖模式不需要用水温度传感器。
所述采暖装置的操作过程中，具体包括如下步骤：
步骤A：管理者操作手机app的用户交互单元，通过信息输入模块设置各类参数；
其中，各类参数包括：工作模式、水箱温度、集热循环启动停止温差、防冻温度以及房间温度等，如图5所示。
步骤B：日常使用过程中，用户可以对需采暖房间对应的太阳能热水器进行加热、循环、防冻、排空操作，如图6所示。
当房间的病患觉得房间温度高、空气闷热时，可以“循环”操作。天气急速降温时，可以提前“防冻”操作。
对于不需要暖气的时间段，可以“排空”操作后关闭系统，节省成本。
步骤C:在使用一段时间后，管理员可以查看传感器收集、主控模块整合的数据，具体为：
如图4所示，房间温度传感器、防冻温度传感器、压力水位传感器、集热器温度传感器以及恒温水箱温度传感器收集、测量的温度、水位数据经过天线单元的LTE Cat.1模块(WH-GM5模组)处理传输到云端处理器，云服务器可以将数据整合成节能曲线、水箱温度曲线、集热器温度曲线、防冻温度曲线反馈到用户的手机app的能耗检测界面。
步骤D：保护模块提取动态信息，具体为：电机电流传感器提取动态信息，即基于采集到的传感器信息提取通信信息、水箱温度传感器电流信息、集热器温度传感器电流信息、防冻温度传感器电流信息，判断并给出动态信息类别，如图8所示，具体为：
D.1 通信测量及监控单元判断通信传感器测量的数据结果是否超出通信设定的正常范围，若不是，则判断该“通信”模块情况正常；
D.2 水箱温度传感器电流测量及监控单元判断水箱温度传感器PT100的电流数据结果是否超出传感器设定的正常范围，若不是，则判断该“水箱温度传感器”模块情况正常；
D.3 集热器温度传感器电流测量及监控单元判断集热器温度传感器PT100的电流数据结果是否超出传感器设定的正常范围，若不是，则判断该“集热器温度传感器”模块情况正常；
D.4 防冻温度传感器电流测量及监控单元判断集热器温度传感器PT100的电流数据结果是否超出传感器设定的正常范围，若不是，则判断该“防冻温度传感器”模块情况正常；
步骤E:采暖季开始前，按量添加硅磷晶到罐内。采暖完毕后，将罐内硅磷晶取出来，去除其中发白，氧化，碎粒等无用的杂质，将整粒透明的球体晒干，放置于干燥阴凉处，待采暖季再次在添加到罐内，药量不够，可以补充至第1次的投加量。
经测算，在晴朗的天气情况下，太阳能集热管可循环2.8次左右，最后一次温度可达到设定值的80%，传统太阳能因夜间不回水，导致最后一次循环集热管收集的热量全部散失，80%÷200%=40%，我们实现夜间回水，相比于同类型产品能减少40%左右的热量损耗。以2022年2月18日的采暖设备运行数据为例，全天共进行上水回水三次，上水温度分别为2℃、5℃和6℃，回水温度分别为65℃、72℃和43℃，热水消耗量分别为2500L、3100L、2200L，计算，根据Q_System=[2500*1*4.186*(65-2)]+[3100*1*4.186*(72-5)]+[2200*1*4.186*(43-6)]=1869467.6J=5.2*〖10〗^((-4) ) MWh， 辅助电热设备的热效率η_auxiliary为96%，所在地区的中国区域电网准线排放因子EF_(electricity,CO2)=0.9419tCO2/MWh，节碳量为V_reduction=Q_System/(k*η_auxiliary )*EF_(electricity,CO2)=5.097t。
实施例2
本实例阐述了将本发明所述一种基于物联网的太阳能热水采暖装置配置给某酒店的用水情形，为酒店提供热水及监控太阳能热水器的工作状况。所述装置具体实施时，如图1所示，主要包括采暖热水模块、主控制器模块、保护模块以及云端控制模块这四个大模块。
具体实施时，传感器子模块中的压力水位传感器（4-20A数显耐高温型）放置于水箱内接近底部的位置，开水箱、恒温水箱温度传感器（PT100高精度防水型）放置于水箱内进水口与辅助热源之间。
传感器模块中包含解耦电路、多路模拟开关电路、接口电路组成的采集电路；信息预处理单元的信息压缩单元对采集的信息进行压缩，再经存储单元对数据存储，具体通过与主控中心模块（STM32单片机）串行通信的SD卡实现存储，再经蓝牙模块向主控中心模块发送数据，对温度、水位、电流的分析在动态信息提取处理模块中实现，具体实施时，提取特征后再构建分类器进行识别与提示。由多传感器提取出的动态信息和静态信息，经信息后处理模块综合处理输出给提醒及显示模块对用户进行全方位的温度、用水提醒。
所述健康监测装置具体实施时，考虑到酒店的房间多、用水量大，需要按需增加储热水箱，水箱内胆底部厚度为2mm，内壁厚度为2.mm，外侧厚度为0.6mm，板材为食用级SUB304/2B不锈钢板焊接，50mm厚聚氨酯发泡保温
此外，考虑到酒店楼宇范围大、热水管道较长，热损失5-10%，需要增加10%的太阳能集热面积。同时可存储多余热量，应对阴雨天气，保证春、夏、秋三个季节太阳能系统提供充足热能，基本不启动电辅助加热。
所述热水装置的操作过程中，具体包括如下步骤：
步骤A：管理者操作手机app的用户交互单元，通过信息输入模块设置各类参数；其中，如图9所示，各类参数包括：工作模式、水箱温度、集水箱水位热循环启动停止温差、防冻温度以及房间温度等。
步骤B：日常使用过程中，用户可以对需采暖房间对应的太阳能热水器进行加热、循环、防冻、排空操作，如图6所示。
天气急速降温时，可以提前“防冻”操作。
在冬日天气不佳或用水量超出额定量，会启动辅助加热模块，增加热水的产量。
步骤C:在使用一段时间后，管理员可以查看传感器收集、主控模块整合的数据，具体为：
楼层热水温度传感器、防冻温度传感器、压力水位传感器、集热器温度传感器以及恒温水箱温度传感器收集、测量的温度、水位数据经过天线单元的LTE Cat.1模块(WH-GM5模组)处理传输到云端处理器，云服务器可以将数据整合成节能曲线、水箱温度曲线、集热器温度曲线、防冻温度曲线反馈到用户的手机app的能耗检测界面，如图7所示。
步骤D：保护模块提取动态信息，具体为：电机电流传感器提取动态信息，即基于采集到的传感器信息提取通信信息、水箱温度传感器电流信息、集热器温度传感器电流信息、防冻温度传感器电流信息、用水温度传感器电流信息、恒温水箱传感器电流信息、水泵电流信息和辅助加热模块电流信息，判断并给出动态信息类别，如图10所示，具体为：
D.1 通信测量及监控单元判断通信传感器测量的数据结果是否超出通信设定的正常范围，若不是，则判断该“通信”模块情况正常；
D.2 水箱温度传感器电流测量及监控单元判断水箱温度传感器PT100的电流数据结果是否超出传感器设定的正常范围，若不是，则判断该“水箱温度传感器”模块情况正常；
D.3 集热器温度传感器电流测量及监控单元判断集热器温度传感器PT100的电流数据结果是否超出传感器设定的正常范围，若不是，则判断该“集热器温度传感器”模块情况正常；
D.4 防冻温度传感器电流测量及监控单元判断集热器温度传感器PT100的电流数据结果是否超出传感器设定的正常范围，若不是，则判断该“防冻温度传感器”模块情况正常；
D.5 用水温度传感器电流测量及监控单元判断集热器温度传感器PT100的电流数据结果是否超出传感器设定的正常范围，若不是，则判断该“用水温度传感器”模块情况正常；
D.6 恒温水箱传感器电流测量及监控单元判断集热器温度传感器PT100的电流数据结果是否超出传感器设定的正常范围，若不是，则判断该“恒温水箱传感器”模块情况正常；
D.7 电机电流传感器判断水泵和辅助加热模块的电流数据结果是否超出点击电流设定的正常范围，若不是，则判断该“水泵”和“辅助加热”模块情况正常；
步骤E：食品级硅磷晶按量一次投加，一般每3个月检查一次，少于30%补满。第4次检查补充时，先将硅磷晶罐内杂质去除后再补满。
由于系统实现了按时上水功能，使我们的太阳能采暖设备有效的解决了炸管的问题，使得传统的普通真空集热管可以在我们设备上长久稳定运行，一根普通真空集热管成本为10元，而抗冷热冲击性能好的U型管成本为50元，我们采用普通真空集热管，大大降低了设备成本。
以上结合两个具体实施例对本发明进行了详细描述。所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种用于回水储热和碳计量太阳能采暖的物联网系统，其特征在于：包括主控制器模块、保护模块、云端控制模块和采暖热水模块；
所述主控制器模块包括电源子模块、指示灯子模块、传感器子模块及数据交互子模块；所述数据交互子模块包括天线单元和物联网传输单元；所述保护模块包括防冻加热单元、故障报警单元；所述云端控制模块包括用户交互单元、指令单元、数据处理单元和数据获取单元；所述数据处理单元包括回水分析单元、碳计量单元、上水时间判定单元和故障分析单元；所述采暖热水模块包括电动阀门、水泵、散热单元、水箱、辅助热源及太阳能集热器；所述水箱包括保温水箱和开水水箱；
所述电源子模块包括水泵继电器单元、加热管继电器单元和光耦隔离单元；
所述指示灯子模块包括设备运行指示灯、上水指示灯和故障指示灯；
所述传感器子模块，包括房间温度传感器、压力水位传感器、防冻温度传感器、开水箱温度传感器、光照强度传感器、集热器温度传感器、恒温水箱温度传感器和电机电流传感器；
主控制器模块通过数据交互子模块与云端控制模块相连；数据交互子模块与电源子模块、指示灯子模块、传感器子模块分别相连；主控制器模块通过电路控制采暖热水模块；采暖热水模块与外部水净化器通过管道相连；云端控制模块与保护模块相连；用户交互单元与指令单元相连，数据处理单元与数据获取单元相连，数据处理单元与指令单元相连；
所述光照强度传感器和集热器温度传感器将采集的数据由电信号的形式传递给数据交互子模块，数据交互子模块通过无线网络将数据传递给数据处理单元中的回水分析单元；
数据处理单元将数据处理结果传递给指令单元，指令单元将指令通过数据交互子模块传递给水泵继电器单元，继电器通过开关电路完成对水泵的控制并同时指令单元将指令同步传递给用户交互单元，使得与用户交互单元相连的界面中能实时更新设备状态；
数据获取单元获取当天的日出时间，将时间传递给数据处理单元，数据处理单元中点上市时间判定单元将处理结果传递给指令单元，指令单元通过数据交互子模块将指令传递给光照强度传感器，光照强度传感器和集热器内温度传感器将采集的数据通过数据交互子模块传递给数据处理单元，数据处理单元再将处理结果通过数据交互子模块传递给水泵和上水指示灯，设备进行上水工作；
物联网系统上水时，压力水位传感器采集水压，恒温水箱温度传感器采集水温数据，数据交互子模块通过网络将传感器数据传输至云端控制模块；数据处理单元中的碳计量单元结合压力水位传感器测得的水压，计算出上水时保温水箱中的水量；
物联网系统回水时，保温水箱中的压力传感器采集此刻水压，恒温水箱温度传感器采集此刻水温数据，传感器数据通过数据交互子模块传输至云端控制模块，碳计量单元计算得出结果；
所述物联网系统的夜间回水，具体步骤如下：
S1、测量光照强度，具体为：
通过光照强度传感器测量光照强度数据，并将数据通过数据交互子模块传递给数据处理单元；
S2、判断当前光照强度是否小于预设光照门限值；具体为：
数据处理单元中的回水分析单元判断S1获得的光照强度数据是否小于预设光照门限值，若小于门限值，则跳至S3；否则，跳至S1；
S3、太阳能集热器中的温度传感器测量集热管内水的温度；
S4、回水分析单元根据集热管内水的温度判断当前温度是否呈下降趋势；若是，则跳至S5；否则，跳至S1；
S5、指令单元下达打开排空阀门命令，电动阀门打开，集热管内的存水回流至保保温水箱；
至此，从S1到S5，完成了夜间回水的过程；
所述物联网系统采取按时上水的措施，具体步骤如下：
步骤A、数据获取单元获取当天的日出时间；
步骤B、数据处理单元判断时间是否到达日出时间；若是，则光照强度传感器在日出时间开始工作；否则跳至步骤A；
步骤C、光照强度传感器采集光照数据，数据处理单元根据光照强度传感器采集到的光照强度是否大于预设光照门限值；若大于，则集热器内温度传感器开始采集温度，跳至步骤D；若小于，则跳至步骤C，光照强度传感器继续采集数据；
步骤D、数据处理单元根据集热器内温度传感器采集的温度，判断温度是否达到温度门限值，若是，则指令模块下达启动水泵进行上水工作的指令；否则，继续执行步骤D，继续判断集热器内温度传感器采集的温度是否达到温度门限值；
至此，从步骤A到步骤D完成了按时上水的过程；
所述物联网系统的碳计量过程，具体步骤如下：
步骤a、测量上水时的水压和水温，具体为：
上水时外部水净化器中冷水进入保温水箱，压力水位传感器采集水压，恒温水箱温度传感器采集水温数据；
步骤b、上传传感器数据，具体为：数据交互子模块通过网络将数据传输至云端控制模块；
步骤c、数据处理单元中的碳计量单元结合步骤a中压力水位传感器测得的水压，计算出上水时保温水箱中的水量；
步骤d、物联网系统回水时，保温水箱中的压力传感器采集此刻水压，恒温水箱温度传感器采集此刻水温数据；
步骤e、将回水时的传感器测得的水压数据和水温数据通过数据交互子模块传输至云端控制模块，碳计量单元计算出回水时保温水箱中水量；
步骤f、碳计量单元将回水后保温水箱中水位与上水时的做差即可得到本次上水回水过程中热水消耗量；
步骤g、碳计量单元计算节碳量，具体为：
根据式（1）计算从上水到回水之间产生的采暖系统通过太阳能产生的热量；
（1）
其中，为水的密度，Cp为水的比热容，i为太阳能热水器总台数，j为太阳能热水器i的年有效使用天数；
根据式（2）计算节碳量：
（2）
其中，为辅助电热设备的热效率；/>为所在地区的中国区域电网准线排放因子，/>为节碳量；
至此，从步骤a到步骤g完成了碳计量过程。
2.根据权利要求1所述的物联网系统，其特征在于：外部水净化器中的水通过管道进入保温水箱，保温水箱中的水通过水泵到达太阳能集热器内进行加热，通过电动阀门打开使集热器中的热水回流至保温水箱；采暖热水模块通过太阳能集热器利用太阳能对外部水进行加热获得生活热水，供给日常生活使用或直接利用外部水进行采暖。
3.根据权利要求1所述的物联网系统，其特征在于：主控制器模块获取设备运行状态与云端指令数并通过获取的数据调控与显示外部设备的工作状态；所述电源子模块通过水泵继电器单元控制水泵的工作，通过加热管继电器单元控制集热管的工作，进而控制集热管中热水的回流与流入；光耦隔离单元的功能为防止继电器之间因电压差距过大，造成设备损坏。
4.根据权利要求1所述的物联网系统，其特征在于：指示灯子模块为显示设备的工作运行状态；传感器子模块的功能为收集设备运行数据、外界环境数据，供以物联网传输单元或数据处理单元进行决策；数据交互子模块的功能为实现主控制器模块、云端控制模块、保护模块以及采暖热水模块间的信息交互，同时在断网时由主控制器模块负责决策。
5.根据权利要求1所述的物联网系统，其特征在于：保护模块对系统以及外部设备的工作状态状态进行保护与提醒；所述防冻加热单元通过加热管外部包裹的伴热带对管道进行加热，防止管道内水结冰导致水管破裂；故障报警单元在设备故障时进行报警；软化水设备单元祛除水垢，延长设备使用寿命；断网保护单元判断设备是否联网，若联网，则将传感器收集的数据上传至云端控制模块，主控制器模块负责执行云端控制模块发送的指令；否则由主控制器模块接收传感器数据并判断数据是否达到设定工作阈值，从而决定工作模式。
6.根据权利要求1所述的物联网系统，其特征在于：云端控制模块通过用户交互单元获取用户指令，并传递给用户设备运行的信息；通过数据处理单元分析传感器子模块收集的数据，对上传的用户数据进行分析处理并反馈；通过数据获取单元获取互联网天气信息，根据日出日落时间调整太阳能集热管的上水时间和排空时间，通过指令单元下发指令。
7.根据权利要求1所述的物联网系统，其特征在于：防冻温度传感器将采集到的数据通过数据交互子模块传递给数据处理单元数据，处理单元将运行结果传递给指定单元指令，单元下达指令给加热管继电器单元和保护模块中的防冻加热单元，开启防冻加热；
电机电流传感器采集设备电流信号，通过数据交互子模块传递给数据处理单元中的故障分析单元，数据处理单元将结果传递给指定单元，指令单元通过下达指定给故障报警单元和故障指示灯，实现故障报警。
8.根据权利要求1所述的物联网系统，其特征在于：用户界面将开水功能指令传输给用户交互单元，用户交互单元接受指令，通过指令单元和数据交互子模块将指令传达给主控制器模块，主控制器模块开启加热管继电器单元，并通过电路控制辅助热源对开水箱内的水进行加热，开水箱温度传感器采集开水箱内水温数据，并通过数据交互子模块传递给数据处理单元，达到温度后，指令单元下达停止加热指令，通过数据交互子模块传递给主控制器模块，主控制器模块关闭加热继电器单元，同时通过电路控制停止辅助热源的加热。
9.根据权利要求1所述的物联网系统，其特征在于：房间温度传感器采集房间温度，传感器数据通过数据交互子模块传递给数据处理单元，若温度未达到指定采暖温度，指定单元下达采暖指令，通过数据交互子模块传递给主控制器模块，主控制器模块通过电路控制散热单元开始进行采暖。
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