基于物聯(lián)網(wǎng)的中央空調(diào)末端溫控器

　　摘要：當人們不在家忘記關閉空調(diào)時，空調(diào)仍然工作，造成了電能的浪費以及影響了空調(diào)的使用壽命，而且有時人們所調(diào)的溫度并不合適，不能有一個合適的溫度體驗而且也會造成電能的浪費。因此文中基于物聯(lián)網(wǎng)的設計了一種中央空調(diào)末端溫控器。該溫控器采用STM32為主控，利用ZigBee關鍵技術，將中央空調(diào)末端風扇盤管進行物聯(lián)，做到并存管理與控制。該控制系統(tǒng)不但可以對樓內(nèi)房間加裝有中央空調(diào)系統(tǒng)末端的溫度控制器通過無線網(wǎng)絡進行自動化控制和監(jiān)管，還可以根據(jù)使用者所設的溫度、風力和房間的總人數(shù)完成房內(nèi)的中央空調(diào)的自我管理，降低能耗。

　　關鍵詞：中央空調(diào);紫峰協(xié)議;溫控裝置;STM32;物聯(lián)網(wǎng);溫度體驗

　　0引言

　　隨著社會的發(fā)展，中央空調(diào)的選用越來越普遍，中央空調(diào)在給人們帶來更加人性化環(huán)境的同時也產(chǎn)生了相當大的能耗。據(jù)估計，在裝有中央空調(diào)的建筑樓中，中央空調(diào)的能耗占整棟建筑物能耗的50%以上。目前，消費市場上的中央空調(diào)溫度控制器大都是單獨分散的控制裝置，不具備互聯(lián)人工智能管控和監(jiān)管功能，在房間較長時間無人時不能變動空調(diào)設備工作方式、工作狀況或自動關機，更無法根據(jù)房間人數(shù)，自動變動空調(diào)設備的工作狀況。因此，現(xiàn)階段的中央空調(diào)大體上是人工控制方法，這種操控方法缺少恰當?shù)牟倏嘏c監(jiān)控，常存在房間溫度適宜卻開空調(diào)系統(tǒng)、離去后忘了關空調(diào)設備或空調(diào)系統(tǒng)溫度開得很高或很低的狀況，因而使得室內(nèi)中央空調(diào)利用率不高，導致電力的耗費。

　　中央空調(diào)論文投稿刊物：《制冷與空調(diào)》(月刊)創(chuàng)刊于1990年，由科學技術部主管，中國制冷空調(diào)工業(yè)協(xié)會、中國科學技術交流中心聯(lián)合主辦的專業(yè)性期刊，宗旨和任務：加強行業(yè)管理，密切政府、行業(yè)、企業(yè)聯(lián)系，融信息、技術、管理為一體，促進科技成果轉化，推動制冷空調(diào)行業(yè)技術進步與發(fā)展。刊登內(nèi)容：以實用技術為主，及時報道國家有關技術創(chuàng)新政策，有關行業(yè)發(fā)展的重大技術方向及國內(nèi)外最新技術動態(tài)和成果。是目前國內(nèi)制冷行業(yè)中發(fā)行量大、影響力廣、具有權威性的專業(yè)類技術性品牌期刊。

　　這與現(xiàn)在社會倡導“節(jié)約能源、低碳環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展”的主題，完全不一致。為了消除上述普遍存在的缺陷，采用STM32為主控，借助于ZigBee技術設計一種基于物聯(lián)網(wǎng)中央空調(diào)末端溫控器，將中央空調(diào)末端風扇盤管物聯(lián)[1]，做到統(tǒng)合監(jiān)管與操控。該控制系統(tǒng)不但能對建筑物樓房間加裝有中央空調(diào)系統(tǒng)末端的溫度控制器，通過無線通信展開自動化控制和監(jiān)管，而且房間的中央空調(diào)溫度控制裝置還能根據(jù)使用者設定的溫度、風力和房間的總人數(shù)自主管理房間的中央空調(diào)，以徹底解決使用者節(jié)能意識不高而導致的電力耗費問題。

　　1基于物聯(lián)網(wǎng)中央空調(diào)末端溫控器技術優(yōu)勢

　　(1)選用STM32微處理器和ZigBee芯片建構星型網(wǎng)絡[2]，利用ZigBee技術提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能，在功耗方面控制得比較好，實時性較強;(2)ZigBee的其特點是短距離、復雜度低、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速度，適用于自動化操縱和遠程控制層面，可以內(nèi)嵌各種設備;(3)ZigBee網(wǎng)絡可以接上萬點的組網(wǎng)，可根據(jù)項目需要靈活增減數(shù)量，可以在室內(nèi)安裝多個檢測裝置進行數(shù)據(jù)傳輸，最主要的是成本低，免通信費，運營成本低;(4)監(jiān)測設備性能準確、生產(chǎn)成本較低、易裝配，可達到節(jié)能和減少管理人員人力、物力的目的。

　　2溫控器系統(tǒng)框架設計

　　2.1系統(tǒng)整體設計

　　中央空調(diào)溫控系統(tǒng)由PC機、數(shù)據(jù)檢測模塊、ZigBee網(wǎng)關和中央空調(diào)溫度控制器組成。(1)STM32控制模塊。首先STM32使用用途非常廣泛的ARM內(nèi)核，集成了非常豐富的接口、通信模塊以及其他功能模塊，開發(fā)工具比較齊全，開發(fā)資料也比較豐富，在功耗方面控制得比較好，另外，實時性比較強[3]，對各種流行的嵌入式操作系統(tǒng)比較支持，且各大嵌入式操作系統(tǒng)網(wǎng)站基本上都會提供支持，其相應的代碼非常強大。(2)傳感器組件。傳感器結點只與協(xié)調(diào)器彼此之間通過點對點的方式來無線通信，所以在處理程序中須要設置點對點通信。感應器模塊的CC2530通過感光感應器來獲取光強度信息，然后調(diào)用發(fā)送函數(shù)用串流的方式將光照數(shù)據(jù)發(fā)給協(xié)調(diào)器。(3)協(xié)調(diào)器模塊。協(xié)調(diào)器和傳感器控制模塊之間采用廣播形式。有無線信號接收時，調(diào)用處理信息函數(shù)，提取溫度高低和室內(nèi)人數(shù)數(shù)據(jù)，利用CC2530模塊實時發(fā)送溫度人數(shù)信息。

　　2.2ZigBee技術

　　ZigBee網(wǎng)絡是一種低速度、短距離、低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡，具有星型、樹形、網(wǎng)狀等多種拓撲結構。傳統(tǒng)樹狀互聯(lián)網(wǎng)傳送路徑固定，如果某根節(jié)點壞了，由于網(wǎng)絡傳輸路徑不能進行自動調(diào)整，會對后續(xù)葉節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸將造成嚴重的影響。為提升控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，使用網(wǎng)狀網(wǎng)作為該系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構。

　　2.3ZigBee入網(wǎng)流程

　　節(jié)點入網(wǎng)可選擇區(qū)域內(nèi)信號最強的父節(jié)點加入互聯(lián)網(wǎng)，成功加入后，會得到一個網(wǎng)絡IP，并通過這個IP進行信息的接收和發(fā)送。網(wǎng)絡拓撲關系和IP會留存在各自的FLASH中。選擇一個合適的ID后，設備的上層會請求MAC層對物理層和MAC層的phyCurrentChannel，macPANID等PIB特點進行適當?shù)脑O置。

　　3中央空調(diào)溫控系統(tǒng)軟件設計

　　3.1主程序設計

　　中央空調(diào)控制設備的軟件工程由在Keil開發(fā)環(huán)境下用C語言的各個組件程序構成，主要包含溫濕度傳感器AM2305的單總線應用程序、人體內(nèi)紅外線傳感器的檢驗程序、繼電器的控制程序、ZigBee組件的組網(wǎng)程序和STM32的串口驅動程序等[4]。

　　3.2系統(tǒng)子程序設計

　　3.2.1控制主機子程序設計

　　控制主機的串口接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)顯示及參數(shù)閾值設置，判斷接收到的各個環(huán)境參數(shù)是否超過設定的閾值，未超過閾值為正常狀態(tài)，超過閾值為異常狀態(tài)[5]，進行語音告警，同時打開調(diào)控模塊，進行對應位置點環(huán)境參數(shù)的調(diào)控。

　　3.2.2按鍵子程序檢測

　　系統(tǒng)循環(huán)檢測是否有按鍵按下，用戶可通過鍵盤來設置各參數(shù)的報警閾值[6]。設定完成后，控制主機通過接收到ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)流，對數(shù)據(jù)流進行提取、整理、分析、對比。當檢測到獲取的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)為安全狀態(tài)，OLED顯示屏顯示正常數(shù)據(jù)[7];若檢測到的數(shù)據(jù)超過設定的閾值，語音模塊發(fā)出警報提示，用戶采取相應措施。

　　3.2.3OLED顯示子程序設計

　　系統(tǒng)主機通過I2C總線傳輸指令，首先對顯示模塊初始化，然后進行清屏處理。緊接著通過調(diào)用庫函數(shù)來進行顯示屏的顯示。對計劃好的數(shù)據(jù)顯示方式設置初始位顯示坐標。然后調(diào)用OLED庫函數(shù)進行顯示。

　　3.2.4自動控制子程序設計

　　首先通過按鍵為室內(nèi)環(huán)境參數(shù)設置合適的閾值;然后系統(tǒng)進行循環(huán)掃描檢測，與設定好的參數(shù)閾值做對比。如果其中某一位置點的某個參數(shù)異常時，系統(tǒng)開啟繼電器，來打開滅火外接設備進行環(huán)境參數(shù)調(diào)控;當室內(nèi)環(huán)境參數(shù)達到正常狀態(tài)，繼電器關閉，空調(diào)設備停止工作。

　　3.2.5WiFi傳輸子程序設計

　　系統(tǒng)使用WiFi模組中燒錄機智云的GAgent固件，這個固件庫把復雜的傳輸協(xié)議和交互都交給了封裝，WiFi模組與主機MCU之間的交互只有串口透傳[10]，所以只需將需要上傳至云平臺的數(shù)據(jù)打包，通過調(diào)用封裝好的庫函數(shù)，將數(shù)據(jù)轉發(fā)至云平臺。

　　4結語

　　基于ZigBee的中央空調(diào)溫控設備利用人體紅外感測器采集房子內(nèi)部人數(shù)狀況，其裝設于建筑的每間房內(nèi)，調(diào)控每個房子空調(diào)設備的溫度和風力等變量。將總控中心放置在控制中心，對整棟樓的中央空調(diào)溫度展開監(jiān)測和監(jiān)管。使用者操控終端為手機或PC機，PC機通過互聯(lián)網(wǎng)與中央空調(diào)溫度總控中心進行數(shù)據(jù)和命令傳輸。手機通過互聯(lián)網(wǎng)與中央空調(diào)溫度總控中心展開數(shù)據(jù)和指令傳送。中央空調(diào)溫度總控中心通過ZigBee互聯(lián)網(wǎng)與各個中央空調(diào)溫度控制裝置展開通信。管理人員可以在使用者操控終端上加裝客戶端應用程序，根據(jù)需要通過使用者操控終端輸入指令和信息。然后中央空調(diào)溫度總控制室通過ZigBee無線網(wǎng)絡對每個房子的中央空調(diào)溫度控制裝置展開監(jiān)控，實時掌握使用情況;也可通過中央空調(diào)溫度控制中心對中央空調(diào)溫度控制裝置進行操控，開啟每個房間的中央空調(diào)、設定中央空調(diào)溫度控制裝置的溫度、風力、工作方式、定時自動關機等參數(shù)。

　　參考文獻

　　[1]楊晶.基于物聯(lián)網(wǎng)的中央空調(diào)SCADA系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].贛州：江西理工大學，2013.

　　[2]張朋，賀煥林，王艷霞，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的中央空調(diào)SCADA系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2014(6)：24-29.

　　[3]趙傳奇.基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)建筑物變形監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學，2018.

　　作者李乾龍1，龍馨2，龍光利1

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