基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)

翁志遠(yuǎn)，陳多壯，程　穎，翁志剛

（皖西學(xué)院 機械與電子工程學(xué)院，安徽 六安237012）

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)

翁志遠(yuǎn)，陳多壯，程穎，翁志剛

（皖西學(xué)院 機械與電子工程學(xué)院，安徽 六安237012）

為了使空調(diào)系統(tǒng)運行在高效節(jié)能的狀態(tài)，研究了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的中央空調(diào)控制系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計，開發(fā)了上位機監(jiān)控軟件，實現(xiàn)了空調(diào)系統(tǒng)的無線監(jiān)控。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)；空調(diào)監(jiān)控；ZigBee；溫控器

隨著社會的發(fā)展，人們對居住環(huán)境舒適度的要求越來越高，因此空調(diào)成為重要的建筑設(shè)備之一?？照{(diào)在建筑設(shè)備中的能耗最大，約占建筑總能耗的50%～60%，對空調(diào)設(shè)備能耗的綜合管理與控制是節(jié)約能源的一種重要手段。目前，從國內(nèi)外文獻(xiàn)報道中可知，人們對空調(diào)設(shè)備節(jié)能控制的研究已取得了一定的成果。M.A.GUVENSAN等從空調(diào)系統(tǒng)微能量監(jiān)控和性能評價的角度，采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)能耗進(jìn)行監(jiān)控［1］，李楠等在中央空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源、水泵和風(fēng)機的綜合控制等方面實現(xiàn)了能耗控制［2］。

近幾年，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了快速發(fā)展，ZigBee技術(shù)作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的一種，由于設(shè)計成本低、組網(wǎng)簡單和功耗低等優(yōu)點，在短距離無線通信技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［3］。我們將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)控當(dāng)中，利用分布于建筑中不同位置的節(jié)點采集數(shù)據(jù)，使用這些數(shù)據(jù)來控制空調(diào)系統(tǒng)末端的風(fēng)機盤管。系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)，利用無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點實現(xiàn)與上位機之間的通信［4–5］。

1　結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖1所示，總體的組網(wǎng)方式如圖2所示。為了便于管理，整個系統(tǒng)由末端控制層、網(wǎng)絡(luò)層和上位機監(jiān)控層組成。各層要完成如下任務(wù)。

（1）末端控制層完成對建筑房間內(nèi)信息的采集。主控制器執(zhí)行既定的控制算法，通過運算結(jié)果來控制風(fēng)機盤管電動閥門的開度，實現(xiàn)室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)。在這一層，采集到的室內(nèi)溫度、濕度、風(fēng)機盤管工作狀態(tài)以及閥門開度等信息通過ZigBee射頻模塊無線方式傳送給上位機，同時無線接收上位機傳送的控制指令。

圖1　系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)圖

圖2　系統(tǒng)的組網(wǎng)方式

（2）網(wǎng)絡(luò)層是末端控制層與上位機監(jiān)控層之間數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)臉蛄?，由多個路由節(jié)點和網(wǎng)關(guān)組成。路由節(jié)點負(fù)責(zé)無線接收控制器傳來的數(shù)據(jù)，并回傳控制信號給控制器。網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)與各個路由節(jié)點之間的通信及連接上位機與路由節(jié)點的任務(wù)。

（3）上位機監(jiān)控層屬于樓宇自動化當(dāng)中的管理層，主要完成對控制系統(tǒng)的監(jiān)控。上位機監(jiān)控軟件將接收到的信息進(jìn)行處理和保存，并根據(jù)這些信息分析設(shè)備的運行情況向底層設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的控制信號，以確保整個系統(tǒng)工作在低功耗狀態(tài)。

上位機監(jiān)控軟件界面采用Visual Studio 2010平臺搭建，后臺數(shù)據(jù)庫由SQL Server 2005構(gòu)建完成。

2　硬件設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用微控制器加協(xié)議棧芯片的形式。微控制器選用意法半導(dǎo)體公司的微處理器STM32F103，主要完成數(shù)據(jù)的采集與設(shè)備的控制。ZigBee協(xié)議棧RF芯片選用TI公司的CC2530協(xié)議棧芯片作為無線收發(fā)器，用來完成無線通信。整個系統(tǒng)的組網(wǎng)支持IEEE 802.15.4通信協(xié)議。

2.1溫控器硬件設(shè)計

溫控器是空調(diào)系統(tǒng)中直接面向底層執(zhí)行器的控制器，它將用戶設(shè)置的溫度數(shù)據(jù)與傳感器采集到的溫度、濕度和壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行運算，再根據(jù)運算結(jié)果控制電動閥、風(fēng)機轉(zhuǎn)速，并向上位機傳送執(zhí)行器的運行狀態(tài)。圖3所示為溫控器的硬件框圖。

圖3　智能溫控器的硬件框圖

主控制器以STM32F103RET6為核心，外圍電路包括時鐘電路、復(fù)位電路、BOOT啟動電路、JTAG接口、無線模塊接口及其他接口電路［5］。系統(tǒng)時鐘頻率72 MHz是將有源晶振的8 MHz頻率經(jīng)9倍頻后得到的。因為控制器需要實時時鐘來完成對時間的計量，所以系統(tǒng)中使用了一個32.768 MHz的無源晶振。其他接口電路包括普通I/O接口、A/D轉(zhuǎn)換接口和D/A轉(zhuǎn)換接口電路等。

2.2路由節(jié)點

建筑中，空調(diào)系統(tǒng)覆蓋的范圍比較大，要求無線傳輸?shù)木嚯x也較遠(yuǎn)，但是ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的距離比較近，無法滿足要求，這就需要在建筑內(nèi)各個區(qū)域都部署路由節(jié)點。路由節(jié)點起到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)融合的作用，可擴大傳輸距離，但由于組網(wǎng)時數(shù)據(jù)傳輸量大，對節(jié)點發(fā)射功率和接收信號的靈敏度要求也較高［6］。

本文路由節(jié)點采用的是CC2530+CC2591的硬件結(jié)構(gòu)。CC2591是TI公司推薦的2.4 GHz射頻前端，輸出功率可達(dá)22 dBm。它集成了功率放大器、低噪聲放大器、收發(fā)切換開關(guān)、非平衡變壓器和邏輯電路等高性能單元，且能通過低噪聲放大器改進(jìn)接收靈敏度。CC2591可提高路由節(jié)點數(shù)據(jù)的無線傳輸速度和準(zhǔn)確性。

2.3網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)是連接監(jiān)控上位機與路由節(jié)點的橋梁，是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。本文中的網(wǎng)關(guān)通過USB接口與上位機相連并完成數(shù)據(jù)的傳輸。我們選用轉(zhuǎn)換芯片PL2303完成RS232串口與USB接口之間的轉(zhuǎn)換，這是因為PL2303完全支持USB2.0協(xié)議。在串行數(shù)據(jù)傳輸時，還需要將控制器的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232標(biāo)準(zhǔn)電平，為此添加了電平轉(zhuǎn)換芯片SP213。

3　軟件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)監(jiān)控軟件是整個系統(tǒng)管理層最重要的部分，主要用于處理底層采集到的數(shù)據(jù)并顯示處理結(jié)果，根據(jù)既定的控制策略完成控制邏輯運算并據(jù)此向底層發(fā)送控制信號。系統(tǒng)上位機軟件是基于Visual Studio 2010開發(fā)的，數(shù)據(jù)庫采用的是SQL Server 2005，完成的功能主要包括底層數(shù)據(jù)的監(jiān)控、用戶費用的監(jiān)控、系統(tǒng)各個節(jié)點的運行監(jiān)控和系統(tǒng)設(shè)置等。系統(tǒng)監(jiān)控軟件的功能劃分如圖4所示。

3.1軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要包括以下三個層次。

（1）硬件驅(qū)動層，主要包括對CPU芯片內(nèi)部外圍功能的底層驅(qū)動和對CPU芯片外圍硬件設(shè)備的操作，如通過串口或SPI對外圍設(shè)備進(jìn)行操作、ADC轉(zhuǎn)換器的使用等。

（2）硬件適配層，包括各個模塊中可以被應(yīng)用層調(diào)用的部分及一些介于硬件驅(qū)動和應(yīng)用層之間的部分，如板間協(xié)議。

（3）應(yīng)用層是應(yīng)用開發(fā)主要針對的一層。在這一層中，開發(fā)的應(yīng)用程序通過調(diào)用硬件適配層的模塊來滿足不同產(chǎn)品的具體需求。

圖4　系統(tǒng)軟件功能劃分

圖5　軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2軟件系統(tǒng)執(zhí)行流程

軟件流程如圖6所示。在圖6中，軟件系統(tǒng)的執(zhí)行過程包括如下幾步。

（1）關(guān)中斷，確保之后的初始化不會被打斷。

（2）初始化系統(tǒng)頻率。

（3）一般輸入、輸出管腳的初始化。

（4）根據(jù)硬件適配層的需求有選擇地初始化所需要的模塊。

（5）單盤業(yè)務(wù)初始化。根據(jù)具體產(chǎn)品的功能需求，在這一步確定接下來需要完成的任務(wù)并將這些任務(wù)掛載到系統(tǒng)定時器中。

（6）看門狗初始化（可選擇）。

（7）開中斷。

（8）進(jìn)入正常工作，刷新定時器，在定時器計滿定時時間到后響應(yīng)中斷，如果有串口接收任務(wù)的中斷，則檢測串口是否接收到信息，如果是，則處理器讀取數(shù)據(jù)。

圖6　軟件平臺執(zhí)行流程

4　系統(tǒng)測試

將控制器、路由節(jié)點、網(wǎng)關(guān)的硬件電路和軟件安裝成功后，就可對整個無線監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的功能測試。測試前，需將底層設(shè)備，包括溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)機和控制閥等與溫度控制器進(jìn)行可靠連接。系統(tǒng)的運行界面及溫度監(jiān)控曲線如圖7和圖8所示。

通過此監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)控空調(diào)系統(tǒng)中各個設(shè)備的運行狀態(tài)，再通過控制器的有效控制提高空調(diào)系統(tǒng)的運行效率。

圖7　系統(tǒng)監(jiān)控界面

圖8　溫度監(jiān)控曲線

5　結(jié)束語

本文利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)了空調(diào)系統(tǒng)的無線監(jiān)控。與傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)相比，本文中的監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)與布線得到了大大的簡化，實現(xiàn)了對空調(diào)的監(jiān)控與控制和設(shè)備管理等功能，提高了空調(diào)的運行效率和綜合管理水平。

［1］GUVENSAN M A.Energy Monitoring in Residential Spaces with Audio Sensor Nodes：Tiny EARS［J］.Ad Hoc Networks，2013，11（5）：1539-1555．

［2］LI N.Measuring and Monitoring Occupancy with an RFID Based System for Demand-driven HVAC Operations［J］. Automation in Construction，2012，24：89-99．

［3］王歡，嚴(yán)良文，徐鳳平，等.基于組態(tài)王的中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.機械設(shè)計與制造，2010（12）：35-36.

［4］徐曉寧，丁云飛，朱赤輝.基于網(wǎng)絡(luò)控制的中央空調(diào)運行管理、控制與分戶計費系統(tǒng)［J］.建筑科學(xué)，2009，25（6）：65-72.

［5］郭昌飛.基于ZigBee的無線傳感器組網(wǎng)技術(shù)研究與應(yīng)用［D］.北京：北京信息科技大學(xué)，2012.

［6］董海燕，翁志遠(yuǎn).基于無線傳感的逆變器監(jiān)控設(shè)計［J］.聊城大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，28（2）：97-102.

［7］李文仲，段朝玉，崔亞遠(yuǎn)，等.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實戰(zhàn)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007：25-84.

【責(zé)任編輯梅欣麗】

Study of Air Conditioning Monitoring System Based on Wireless Sensor Network

WENG Zhiyuan，CHEN Duozhuang，CHENG Ying，WENG Zhigang
（College of Mechanical and Electronic Engineering，West Anhui University，Lu'an 237012，China）

In order to make the air conditioning system run in the state of high efficiency and energy saving，the central air conditioning control system based on the wireless sensor networks was studied.The hardware circuit and software of the system were designed，and the monitoring software of the upper computer was developed to realize the wireless monitoring and controlling of the air conditioning system.

wireless sensor networks；air condition monitoring and controlling；ZigBee；temperature controller

TU993.4

A

2095-7726（2016）09-0058-04

2016-03-25

安徽省優(yōu)秀青年人才基金重點項目（2013SQRL072ZD）；六安市定向委托產(chǎn)學(xué)研項目（2014LWA001）；皖西學(xué)院優(yōu)秀畢業(yè)論文培育計劃項目（pyjh2016110）

翁志遠(yuǎn)（1986-），男，安徽六安人，講師，碩士，研究方向：電氣工程。