數(shù)傳模塊技術(shù)在建筑節(jié)能系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究

王學(xué)峰

（赤峰學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)系，內(nèi)蒙古赤峰024000）

數(shù)傳模塊技術(shù)在建筑節(jié)能系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究

王學(xué)峰

（赤峰學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)系，內(nèi)蒙古赤峰024000）

圍繞經(jīng)濟、實用等特點，分析了數(shù)傳模塊技術(shù)在建筑節(jié)能管理系統(tǒng)中的應(yīng)用.與其他數(shù)據(jù)傳輸形式相比具有很高的靈活性和性能價格比，是最有發(fā)展應(yīng)用前景的技術(shù)之一.在建筑節(jié)能管理中，能夠發(fā)揮無線傳輸控制的優(yōu)勢，提高能源的利用率，減少浪費.

無線數(shù)傳模塊技術(shù);自動控制；建筑節(jié)能

1 研究背景

統(tǒng)計表明，我國建筑能耗的總量逐漸上升，在能源消耗總量中所占的比例已從上世紀70年代末的10%上升到近年的30%，而建筑最大的耗能點是采暖和空調(diào).據(jù)資料表明我國在采暖和空調(diào)上的能耗占建筑總能耗的55%以上，特別是北方的采暖能耗所占比例更高.

據(jù)介紹，我國城鄉(xiāng)存有建筑面積是430億平方米，數(shù)量如此之巨的建筑中最樂觀估計達到節(jié)能標準的僅占5%左右，即使是新建筑也有90%以上仍屬于高耗能.與氣候條件相近的發(fā)達國家相比，我國每平方米建筑采暖能耗約為發(fā)達國家的3倍左右，但熱舒適度遠不如人.無論從整個國際經(jīng)濟氣候還是中國宏觀經(jīng)濟大趨勢來看，中國的能源問題已經(jīng)日趨嚴峻，節(jié)約能耗勢在必行.

在建筑節(jié)能系統(tǒng)中，目前國內(nèi)研究、重視比較多的方面是硬件建設(shè)方面.例如，墻壁外加保溫材料、主體墻使用空心磚、保溫門、保溫窗等.而忽略了室內(nèi)使用過程中能源的節(jié)約行為，其實在建筑耗能中基本上都是在使用中耗掉的.這里其中有一部分能源是不必要的浪費，象學(xué)校、辦公樓、商場等在下班以后沒有必要保持在15℃以上，賓館、旅店在沒有旅客居住的房間時，其房間的溫度應(yīng)保持在一個較低的水平.居民住宅內(nèi)各個房間可以選擇不同的溫度，甚至在上班無人時保持較低的室溫即可.總之無論是公共場所還是個人居住地方，都有節(jié)約的機會，我國在建筑能源運行管理中僅在中央空調(diào)系統(tǒng)中做的比較好，在其他采暖系統(tǒng)中如熱電廠的余熱、集中供暖等應(yīng)用幾乎為零.為此浪費了大量能源，不但加重了能源的緊張和浪費也加重了大氣的污染，同時也降低了辦公、居住的舒適程度.本文擬從使用管理和節(jié)約能源角度出發(fā)，采用計算機控制及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，對能源消耗單位，包括一棟樓、一個單元或一個房間內(nèi)的使用情況進行監(jiān)測或控制.提高能源的利用效率，減少能源的消耗，減輕對大氣的污染，提高我們的居住環(huán)境的水平.

2 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的基本原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（如圖1所示）

結(jié)構(gòu)說明：

圖1 數(shù)傳模塊結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 上位機：它包括計算機主機和數(shù)據(jù)傳輸通道，其中數(shù)據(jù)傳輸通道包括調(diào)制、解調(diào)及發(fā)射天線.計算機是主控核心，所有的控制程序及對下位機的指令都由他來完成.計算機與數(shù)據(jù)傳輸通道的聯(lián)接使用RS232接口，有三條線分別是TX、RX、GND，TX是主機發(fā)送信號線，RX是主機接收信號線，GND公共端.

2.1.2 下位機：它包括數(shù)據(jù)傳輸通道、譯碼部分、數(shù)據(jù)中心處理部分、功能模塊變換器組成.

2.2 工作原理

2.2.1 計算機：作為本系統(tǒng)的核心控制部件，一方面要產(chǎn)生不同地址編碼的數(shù)據(jù)，完成向下位機發(fā)送指令的任務(wù)，另一方面要接收下位機傳送的數(shù)據(jù)，并對此數(shù)據(jù)進行處理.它對下位機有絕對的控制權(quán)，屬于主從結(jié)構(gòu).

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸通道：在上位機中它是單獨一個模塊，在下位機中它與其他部件共同組成一個模塊.它的作用是一方面從主機接收數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行調(diào)制并通過天線發(fā)射出去，另一方面從天線接收數(shù)據(jù)，對調(diào)制的數(shù)據(jù)進行解調(diào)，還原為原數(shù)據(jù)形式，提供給計算機或單片機.這過程是雙向的，下位機發(fā)送數(shù)據(jù)時，重復(fù)上述過程.所以無論是上位機還是下位機數(shù)據(jù)傳輸通道的原理是相同的.通過簡單的無線方式解決了數(shù)據(jù)通信問題，是本設(shè)計的主要技術(shù)內(nèi)容.

2.2.3 譯碼器：譯碼器是在下位機內(nèi)，信號經(jīng)過天線接收，數(shù)據(jù)傳輸通道的解調(diào)到譯碼器，由于樓房控制中是一點對多點，即一個主控計算機，多個下位機，屬主從結(jié)構(gòu).為了區(qū)分多個下位機，賦予每個下位機一個地址.工作時主控機發(fā)送一個字節(jié)地址，下位機在收到這個字節(jié)后與本機原始的、固有的地址進行比較，若發(fā)送的地址與本機的地址相符后，驗證通過.通過之后啟動下一步的數(shù)據(jù)處理工作.地址碼的字節(jié)數(shù)決定了主控機控制下位機的數(shù)量.本裝置使用一個字節(jié)，最多可控制的下位機數(shù)量是256個.其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 閥門控制結(jié)構(gòu)圖

2.2.4 數(shù)據(jù)中心處理單元：此單元位于下位機內(nèi)，數(shù)據(jù)經(jīng)地址譯碼之后到單片機，單片機根據(jù)用戶的指令，做不同的處理功能.它可以采集數(shù)據(jù)并上傳至主控機，也可以完成主控機輸出的指令，例如，本設(shè)計中單片機輸出開關(guān)量控制閥門（8個），另外采集閥門“開”量上傳至主控機，使在主控機室內(nèi)，對閥門的狀況進行全程監(jiān)控.由于使用單片機做數(shù)據(jù)處理，可以記錄用戶用水時間、用水量、溫度等參量.同時用戶可以根據(jù)需求進行靈活處理、使用.

2.2.5 功能變換：它是下位機的執(zhí)行機構(gòu).單片機輸出小的開關(guān)信號經(jīng)功率放大之后，變成大的、驅(qū)動能力強的信號，去控制機械執(zhí)行部分.本設(shè)計中采用具有專利性質(zhì)的電動閥門，即通過使用繼電器變換的方式，增加電流強度，達到控制各種口徑的電動閥門之目的.

3 數(shù)傳模塊技術(shù)在樓房建筑節(jié)能中的適應(yīng)性

3.1 數(shù)傳模塊技術(shù)

信息通訊技術(shù)是近年來發(fā)展迅猛的產(chǎn)業(yè)，它集計算機、數(shù)字通訊為一體，解決了人們語音通訊、視頻通信及遠程遙測遙控等諸多問題.隨著互聯(lián)網(wǎng)及無線局域網(wǎng)的深入發(fā)展，人們對個性控制產(chǎn)生具體要求，例如，治安防盜，無人值守的數(shù)據(jù)監(jiān)測，遠程控制等，另外，隨著集成電路的制造水平不斷提高，原來通信中一些昂貴的、復(fù)雜的設(shè)備變得簡單價格低廉，使個性方案、個性設(shè)計得以實現(xiàn).無線數(shù)據(jù)傳輸模塊技術(shù)可以滿足人們對一些近距離的數(shù)據(jù)傳輸要求.它的基本原理是：由計算機輸出的數(shù)據(jù)信號直接加433MHZ的調(diào)制信號，調(diào)制方式FSK制，采用這種方式的優(yōu)點：一是傳輸距離遠，二是體積小成本低廉設(shè)備容易實現(xiàn)，三是傳輸時抗干擾能力強工作頻率穩(wěn)定可靠.數(shù)據(jù)信號經(jīng)調(diào)制后，再放大經(jīng)天線發(fā)射出去.其主要原理與普通無線信號一樣，但數(shù)傳模塊最顯著的特點是功耗極低、外圍元件少且便于調(diào)試和設(shè)計生產(chǎn).另外，由于傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)信號，經(jīng)解調(diào)后還原為數(shù)據(jù)，很容易與單片機聯(lián)接，構(gòu)成智能化控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，即數(shù)據(jù)處理芯片既接收信號也發(fā)射信號.上述過程，由一片集成電路就可以完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù).

3.2 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用異步串行通信方式傳輸數(shù)據(jù)，由于一個下位機控制點較多（一般是8個或更多），下位機上傳數(shù)據(jù)時，8組數(shù)據(jù)不能同時上傳，需要對上位機、下位機進行通信協(xié)議的設(shè)計，這個協(xié)議的設(shè)計，僅對下位機內(nèi)輸出的開關(guān)量進行約定.例如，一個下位機輸出8個開關(guān)量，每個開關(guān)量采集一組數(shù)據(jù)，這8組數(shù)據(jù)上傳時，采用分時上傳循回工作，避免相互間的干擾.一個下位機只有一個地址，當上位機選中這個地址時，只有這個地址下的8個開關(guān)工作，其他未被選中的地址，盡管也在工作，但不會上傳數(shù)據(jù).規(guī)定一幀數(shù)據(jù)包含8個字節(jié)，第1、2兩個字節(jié)是一個相同的地址，目的是在喚醒下位機時可靠地進行尋址，第3—7字節(jié)是對應(yīng)物理量的十六進制值，是實現(xiàn)單片機控制的命令來源，第8字節(jié)是CRC校驗，對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行過濾，去掉非法跟進的雜波數(shù)據(jù).本設(shè)計采用8個字節(jié)為一幀，也可以采用更多字節(jié)為一幀，可由用戶根據(jù)需要設(shè)定.

3.3 與其它通信形式比較

3.3.1 與其它無線通信比較：無線通信是比較有歷史的，電報、收音機、電視等都是最早使用的無線信號產(chǎn)品，第一代手機是模擬信號，第二代手機是數(shù)字信號，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)第三代手機通信，即3G信號，它集視頻和互聯(lián)網(wǎng)為一體，功能更加強大.這些通信產(chǎn)品無論采用模擬信號還是數(shù)字信號，通信原理復(fù)雜，通信距離遠，發(fā)射接收設(shè)備昂貴，成本較高，無法為用戶提供物美價廉的技術(shù)服務(wù).在近距離通信中，有紅外線數(shù)據(jù)傳輸（IRDA）,無線局域網(wǎng)802.11h(wi-Fi)，藍牙（Bluetooth），ZigBee和超寬帶無線電（UWD）等，這些技術(shù)各有特點和適用范圍.

紅外線數(shù)據(jù)傳輸不受無線電干擾，不需要申請頻率，但它是一種視距傳輸，兩個通信設(shè)備之間必須對準，中間不能有障礙物.

無線局域網(wǎng)802.11b技術(shù)和藍牙技術(shù)是一種基于電磁波傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，使用2.4GHz，ISM頻段，該通訊方式具有速率高的優(yōu)點，但通信距離僅在幾百米內(nèi).

ZigBee技術(shù)基于IEEE802.15.4標準，工作在2.4GHzISM公共頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率10kb/s—250kb/s，有效覆蓋范圍是10m—25m.

上述數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，其傳輸速率完全滿足要求，但它們最大缺點是傳輸距離近，不能滿足地域廣、面積大的要求.

超寬帶無線電（UWD）是近幾年來發(fā)展迅猛的新型通信方式，它是基于沖激脈沖自身的寬頻譜特性，通過對具有特殊波形的沖激脈沖進行調(diào)制，獲得載有信息、符合頻帶要求的無線電信號，這種超寬帶無線電直接發(fā)射脈沖，短距離內(nèi)不需要中頻和射頻電路，使發(fā)射、接收的硬件成本大大降低，但這項技術(shù)目前處于研制階段，是今后發(fā)展方向.

本文使用的無線數(shù)傳模塊原理與上述傳輸方式一樣，但傳輸頻率是433MHz，為提高靈敏度，加大了發(fā)射功率，使傳輸距離從幾十米到幾千米不等.主要通信原理是對由計算機輸出的數(shù)字信號進行混頻調(diào)制，經(jīng)功率放大通過天線發(fā)射出去.接收則采用超外差式，每一個發(fā)射和接收器都有單片機控制傳輸方向.把復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理交給計算機和下位機（單片機）來完成，使中間的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備變得簡單，成本低廉，易于大眾化推廣使用.適用范圍例如視頻監(jiān)控、遠程控制、小區(qū)防盜、數(shù)據(jù)采集等.

3.3.2 與有線傳輸相比較：目前在數(shù)據(jù)有線傳輸中使用比較成熟的技術(shù)是RS-485總線技術(shù)，它的優(yōu)點是技術(shù)成熟、價格低廉，但它有一個致命的缺點，即某一個點出現(xiàn)故障，會造成整個系統(tǒng)內(nèi)癱瘓，且維護比較困難.除RS-485總線之外還有CAN總線技術(shù)，CAN總線技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù).它是多主結(jié)構(gòu)，點與點之間地位平等，相互通信，一個點有故障，不影響其他點的工作，技術(shù)先進，抗干擾能力強，傳輸速度快.但對于樓房內(nèi)各房間，閥門與閥門之間不需要相互通信，他們之間相互獨立，且下位機只對主控機負責，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少.若采用CAN總線技術(shù)，無疑會增加許多成本，另外，在樓房建筑中，用戶密度大拐點多增加了布線的難度，加大了成本.無線傳輸省去了布線的麻煩，另外，

無線控制可以隨時增加下位機數(shù)，其成本遠低于有線控制.

通過對比，無線數(shù)傳模塊技術(shù)無論是技術(shù)含量、價格成本等方面是適合我國目前樓房控制技術(shù)水平的.

4 軟、硬件的實現(xiàn)

由于數(shù)傳模塊只提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，它的一切軟件編制都在計算機內(nèi)完成，生產(chǎn)硬件的廠家為用戶提供詳細的接口地址、傳輸幀的字節(jié)數(shù)、傳輸速率、發(fā)射功率、傳輸距離等詳細資料，硬件電路的外圍電路簡單，不需要復(fù)雜的調(diào)試，而且硬件種類繁多，用戶可以根據(jù)需要選則適合的集成電路.由于廠家提供了接口地址，用戶可以方便的根據(jù)需要編制各種軟件.

5 數(shù)傳模塊的優(yōu)點

5.1 硬件成本低廉，調(diào)試簡單,由于沒有復(fù)雜的視頻和音頻信號處理電路，使其硬件成本大大降低，另外，供貨廠家多，貨源充足.

5.2 功耗低，下位機的工作狀態(tài)一般有三種，即工作狀態(tài)、待機狀態(tài)、睡眠狀態(tài)，工作時通電，不工作時斷電，即使處于通電狀態(tài)，僅是閥門開啟和關(guān)閉時，耗電較大，其余絕大部分時間處于待機狀態(tài).以XE1203無線收發(fā)集成電路為例，發(fā)射電流62mA,待機電流為1.1mA，待機時間就是應(yīng)用時間，發(fā)射時間在ms范圍內(nèi).

5.3 傳輸信號穩(wěn)定，很少出現(xiàn)錯誤.每一次傳輸數(shù)據(jù)時都有一個字節(jié)的校正碼進行糾錯校正.

5.4 選擇傳輸頻率是433MHZ左右，無需向無線電委員會申請頻段.

5.5 下位機采用單片機，其數(shù)據(jù)處理能力強，智能化程度高，不但輸出開關(guān)量，可以采集諸如溫度、濕度等數(shù)據(jù)量上傳至主控機，實施各種形式的遠程控制.

5.6 每一組發(fā)射到接收構(gòu)成一個相對獨立的系統(tǒng)，相鄰的發(fā)射系統(tǒng)采用不同的傳輸信道，避免了相互干擾.

6 應(yīng)用范圍

6.1 應(yīng)用過程，主控計算機對各閥門進行控制，以作息時間為準，例如，下午下班至第二天上午上班之前以及星期六、星期日和節(jié)假日等，在無人辦公時，辦公室內(nèi)的余熱可以低位運行.另外，各室內(nèi)的控制相互獨立，有的房間可以高位運行，有的房間可以低位運行，在不影響工作的情況下，達到獨立控制節(jié)約熱能之目的.

6.2 范圍，本裝置主要應(yīng)用在北方冬季且使用余熱取暖的辦公場所.例如，政府辦公樓，賓館，學(xué)校，商場等.主要是對余熱的水流量進行控制，達到靈活使用之目的.

7 結(jié)束語

目前，由于社會對無線產(chǎn)品的需求增多，其生產(chǎn)廠家眾多，為用戶提供了極其豐富的物美價廉的硬件資源，而軟件的開發(fā)應(yīng)用需要用戶根據(jù)自己的實際應(yīng)用狀況實施組織編制.本系統(tǒng)已經(jīng)在實際中應(yīng)用，其特點是性能穩(wěn)定，成本低廉.

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1673-260X（2010）11-0031-03