本实用新型涉及地暖控制装置技术领域，尤其涉及一种基于物联网的分布式电地暖智能控制系统及其工作方法。

　　我国电煤比重与电气化水平偏低，大量的散烧煤与燃油消费是造成严重雾霾的主要因素之一，因此电能替代技术已经越来越受到重视。分散电采暖替代燃煤采暖是电能替代的重要方式之一，已经在北欧、韩国、日本有50多年应用历史，在京津冀、黑龙江等北方供暖地区也有广泛应用。2016年6月八部委颁布的《关于推进电能替代的指导意见》中明确指出：在存在采暖刚性需求的北方地区和有采暖需求的长江沿线地区，重点对燃气(热力)管网覆盖范围以外的学校、商场、办公楼等热负荷不连续的公共建筑，大力推广碳晶、石墨烯发热器件、发热电缆、电热膜等分散电采暖替代燃煤采暖。因此，实施电采暖替代传统燃煤是一场能源消费革命，对落实国家能源战略，促进清洁能源发展意义重大。

　　电地暖作为电采暖的重要方式，是与传统采暖的热循环原理不同的地热采暖，热源来自地下，按照热循环原理，温度向上自然递减。在同等采暖条件下，室温设定可以比空调或一般暖气低2-3℃，使得总耗熊猫体育直播热量低，从而进一步达到节能的目标。此外，电地暖符合足部比头部温度高3-5℃时人体最舒适的中医健康理论和西医研究结果。因此舒适、环保、节能成为电地暖的三把利器，很好的满足了用户的采暖需求。

　　物联网是指通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。将物联网相关技术与电地暖系统结合，可以实现真正意义上的智能控制，使电地暖系统更加的节能化和人性化。

　　1、现有电地暖产品多采用本地温度控制或者恒功率运行模式，它没有很好的解决其能源消耗的问题，在没有需求时，例如家中人员外出时发热电缆依然工作，这样就造成了能源的浪费；

　　2、随着峰谷电价的进一步推行，在用电高峰期运行电地暖系统，将大大增加采暖费用，现有控制系统还没有针对峰谷电价的节能控制模式；

　　3、电地暖多采用本地温度控制，未能实现远程控制，当出门在外时用户不能实时监测系统运行情况，远程调节不便利，系统智能化不高；

　　4、实际使用中，用户对不同房间温度的需求也有所不同，现有温控系统不能针对用户需要实现对每个房间单独的温度控制。

　　本实用新型的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种基于物联网的分布式电地暖智能控制系统及其工作方法。

　　微控制器，其具有内置ZigBee无线通信模块，用于采集所述数字温度传感器、人体红外传感器的数据信息和接收控制指令；

　　手机或个人PC设备，与云平台进行信息交互可实时监控发热电缆运行情况、房间温度、人员状况及对电地暖系统进行实时控制。

　　本实用新型的有益效果是:相对于现有技术，本实用新型的具有以下有益效果：1、电地暖智能控制系统采用ZigBee技术作为无线通信技术，相比于传统的有线通信技术，ZigBee技术具有设备维护方便、故障诊断简单、节约了升级配线的成本，摆脱了电缆的约束，技术人员可以容易地配置各个采集点、控制点来灵活满足用户随机的需求；

　　2、电地暖智能控制系统使用了物联网公司所提供的公有云服务，与我们的系统进行了较好的结合，最终实现了实现网络拓扑、设备管理、系统监控、系统报警、节能优化等功能；云服务的应用，细化了物理资源分配单元，从而提升了分布式系统的密度，提高系统使用效率，降低对物理设备的需求，从而降低IT设备投入，降低能耗节约成本；

　　3、电地暖智能控制系统运行方案可与所在地的峰谷分时电价相结合，有效的规避了用电高峰时段的用电成本，且在夜间用电低谷时段自动储能，更好的起到节能减排的作用；

　　4、电地暖智能控制系统可以在不同的运行模式下切换，具有工作日和假日两种运行模式，可以根据家庭成员的状态使系统运行更加便捷；

　　5、电地暖智能控制系统对室内温度进行控制时，采用分段式管理的方法，把温度分为18-20℃、20-23℃、23-25℃三个阶段；通过对温度传感器采集到温度进行判断，从而控制发热电缆的工作根数，从而实现对电地暖系统高、中、低功率运行的控制；

　　6、电地暖智能控制系统采用人体红外传感器对室内人员情况进行实时监测，当检测到室内长时间无人时，自动切换至节能模式运行，室内有人时则以舒适模式运行；

　　7、电地暖智能控制系统可对区域用户的用电量进行统计，并实现不同小区、不同企业电地暖用电的协调控制，参与需求响应，依据峰谷阶梯电价实现资源的优化配置。

　　下面结合附图及较佳实施例详细说明本实用新型的具体实施方式。如图1所示，控制系统主要由数字温度传感器1、人体红外传感器2、微控制器3、网关4、云平台5、手机或PC设备6、发热电缆及继电器7几个部分组成。

　　该电地暖智能控制系统可以同时应用在有电采暖需求的多个小区或企业，系统主要由用于监测所在区域环境温度的数字温度传感器、用于监测人员有无的人体红外传感器、具有内置ZigBee无线通信模块负责采集数据和接收控制指令的微控制器、负责采集数据上送和控制指令下达的独立网关、由云端服务器构成并可为整个用户群共享的云平台、与云平台进行信息交互可实时监控发热电缆运行情况、房间温度、人员状况及对电地暖系统进行实时控制的手机及PC等个人设备和分设于各个房间的发热电缆及继电器组成。

　　按照物联网体系架构层次划分，我们将电地暖智能控制系统划分为感知层、网络层和应用层三个层次。感知层处于整个物联网体系的最底层，用于感知和识别对象，收集环境信息，由具有感知和识别功能的数字温度传感器、人体红外传感器及微控制器组成；网络层位于整个体系的中间位置，主要用于将环境信息实时准确地传递出去，由各个通信网络组成的融合网络构成，包括ZigBee无线通信模块、网关及云平台；应用层位于整个体系的最上层，将物联网技术与控制技术相结合，通过对网络层发送的信息进行存储、挖掘、处理和应用，最终实现对发热电缆及继电器的智能控制。

　　整个系统是按照如下方式运行的：首先由感知层通过数字温度传感器采集每一个房间的环境温度并转换成电信号传送到微控制器，微控制器将接收到的相关数据通过网络层的ZigBee无线通信模块传输给网关，网关将数据从internet网传输到云服务器，用户可以通过应用层的手机、个人PC等个人设备访问云服务器查看相关数据，个人PC机和手机不仅可以接收到云服务器传输的数据，还可以向云服务器发送反馈指令，从而实现数据的实时传输、实时反馈；云服务器接收到反馈数据后，向微控制器发出指令，控制器通过对发热电缆所连接继电器的控制，最终实现对整个电地暖系统的智能控制。该系统各层次信息传输图如图2所示。

　　整个系统是按照图1所示方式运行的：首先数字温度传感器1采集用户每个房间环境温度，人体红外传感器2监测室内人员有无并转换成电信号传送到微控制器3，然后微控制器将相关数据通过其自带的ZigBee无线，之后网关将数据从internet网传输到云服务器5，这样用户可以通过手机或个人PC设备6访问云服务器查看数据，PC机或手机不仅可以接收到云服务器传输的数据，还可以向云服务器发送反馈数据，从而实现实时传输、实时反馈；云服务器接收到反馈数据后，向微控制器发出指令，微控制器通过对发热电缆7所连接继电器的控制，最终实现对整个电地暖系统的智能控制。

　　信息在网关、云服务器及手机端传输过程如图2所示：用户首先通过手机APP发送连接申请，同时提交用户名密码，确认用户名及密码后，通过云服务器向用户相应网关发送连接信息，网关收到连接信息后回复设备是否就绪，并用过云服务器发送本地客户端地址等信息，手机APP端接收信息后，发送连接申请并传输相关参数，网关接受到信息后，回复确认信息，最终完成连接通道的建立。

　　软件实现：电地暖智能控制系统中软件编程主要包括微控制器端编程、云服务器端编程、手机APP编程三部分：微控制器端编程使用集成开发环境IAR在windows平台进行嵌入式程序开发，主要完成温度、人体红外信号的采集以及温度的分级控制；手机APP编程是在搭建了Android开发环境的Android Studio下开发，Android Studio是谷歌公司推出的Android开发环境，是一个Android集成开发工具，开发者可以在编写程序的同时看到自己的应用在不同尺寸屏幕中的样子；云服务器端编程是在Visual Studio2008开发环境下选用VisualC#(C Sharp)进行开发，C#是微软为NET Framework量身订做的程序语言，它拥有C/C++的强大功能以及Visual Basic简易使用的特性，是第一个组件导向(Component-oriented)的程序语言，和C++与Java一样亦为对象导向(object-oriented)程序语言，主要使用云服务器编程完成了前端数据预处理模块的编程和USB口数据读取编程。

　　为实现智能控制系统对电地暖发热电缆的智能控制，控制端程序流程图如图3所示：

　　用户打开电地暖智能控制APP后即进入登录界面，输入正确的用户名及密码后，进入欢迎主界面，此时有温度控制模式和人员监测模式两种模式可选择。

　　温度控制模式分为手动和自动两种模式：手动模式中，包含预先设置好的工作日模式和假日模式，用户可通过调整不同房间的功率组合，节省不必要的能源损耗；自动模式中，用户可根据自身舒适度，输入理想温度值，使电地采暖根据不同房间温度传感器采集到的温度及人体红外传感器的检测结果，自动调整到用户想达到的室内温度。此外自动模式还具有分段式管理功能，研究结果显示室内舒适的温度标准：夏季室内舒适温度范围24-28℃；冬季室内舒适温度范围18-23℃。基于以上因素我们对室内温度进行分段式管理，把温度分为三个阶段18～20℃为大功率段,20～23℃为中功率段，23～25℃为小功率段；通过控制正常工作的发热电缆的根数，来实现温度控制，并根据温度传感器采集到温度的不同自动选择不同功率方案。

　　选择人员监测模式后，控制系统会根据每个房间人体红外传感器的实时监测情况，进行房间人员有无的判断，进而根据房间人员情况进行舒适模式和节能模式的选择。当家中无人时电采暖可保持最低温度18℃小功率段运行即节能模式运行或者关闭电源；当用户将要回家时可提前用手机或PC等个人设备打开电地采暖系统将其设为舒适模式，将温度升高至适宜的范围。例如当室温在18～21℃时可用大功率将房间温度升高，温度在20～22℃范围可采用中功率供暖，温度到23～25℃可采用小功率保持当前温度。在有人的情况下，电采暖根据18-23℃工作，保持房间最舒适温度23℃。

　　针对峰谷电价进行能量管理：在制定工作日与假日模式电地暖系统加热与储能方案时，我们与所在地的峰谷分时电价相结合，有效的规避了用电高峰时段的用电成本，并最大限度的在夜间用电低谷时段自动储能，更好的起到节能减排的作用，节约波峰时用电量以达到节能、电力“移峰填谷”的目的。

　　以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

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