一種空調(diào)無線控制系統(tǒng)的設(shè)計

周承知++朱凌云++范德偉

摘要：利用STC單片機(jī)作為控制器設(shè)計空調(diào)無線控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)包括萬能空調(diào)遙控模塊，能匹配主流品牌空調(diào)，設(shè)置空調(diào)的溫度等；CS5463采集模塊，能采集空調(diào)的運行參數(shù)，解決待機(jī)耗電問題；無線模塊，能遠(yuǎn)程給控制器發(fā)送命令；溫度測量模塊，測量空調(diào)排風(fēng)口溫度。使用Keil軟件編寫裁剪的μC/OS-II操作系統(tǒng)和運行在其之上的多個系統(tǒng)任務(wù)，并結(jié)合上位機(jī)軟件通過了系統(tǒng)硬件的調(diào)試和測試。系統(tǒng)接線簡單，能夠廣泛應(yīng)用于家庭、辦公室等場所的空調(diào)上。

關(guān)鍵詞： STC單片機(jī)；萬能遙控；無線通信；μC/OS-II；ModBus

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）30-0222-03

Design of A Kind of Wireless Air-conditioning Control System

ZHOU Cheng-zhi1，2，ZHU Ling-yun1，2，F(xiàn)AN De-wei3

（1.School of Information Science and Technology，Donghua University，Shanghai 201600，China；2.Engineering Research Center of Digitized Txtile & Apparel Technology for Ministry of Education，Shanghai，201600，China；3.Shanghai YUANSHANG Science and Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201900，China）

Abstract： The STC-based control system is designed to control air-conditioning wirelessly.The system includes powerful remote controlling module，which can apply most air conditioning and set up the temperature；acquisition module Based on CS5463，which solves the standby power consumption by collecting the operation parameters of air-condition；wireless module，which can send conmands remotely and temperature measurement module to measure the temperature of air outlet.The incomplete μC/OS-II operating system and multiple running system tasks are programmed by Keil.The system hardware debugging and verification process are passed. The system has simple connection and can be widely used in families， offices and the others.

Key words： STC MCU； powerful remote control； wireless communication； μC/OS-II； ModBus

隨著對生活質(zhì)量要求的提高，城鄉(xiāng)居民家用電器的數(shù)量大幅度增加，其中空調(diào)的增加對家庭能耗影響較大。文獻(xiàn)[1-4]的研究表明空調(diào)的裝機(jī)量還在不斷上升，隨之而來的是空調(diào)用電量的增加問題。公眾對空調(diào)溫度設(shè)多少度合適和空調(diào)待機(jī)耗電也不少缺乏足夠的認(rèn)識，造成了電能浪費的現(xiàn)象，節(jié)能不容忽視。針對這樣的現(xiàn)狀，將單片機(jī)控制技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)引入到空調(diào)系統(tǒng)中，研究空調(diào)的智能控制就變得很有意義。

本文設(shè)計的空調(diào)無線控制系統(tǒng)可以非用戶側(cè)遠(yuǎn)程控制空調(diào)的運行，解決溫度設(shè)置不合理的問題；可以通過CS5463模塊采集空調(diào)的電流電壓，并結(jié)合磁飽和繼電器，解決空調(diào)待機(jī)耗電問題。

1 硬件方案設(shè)計

結(jié)合當(dāng)前的應(yīng)用背景和市場需求，控制系統(tǒng)要求具有萬能空調(diào)遙控、測量室溫、遠(yuǎn)程無線通信、采集空調(diào)實時工作參數(shù)以及切斷空調(diào)電源等功能。因此，設(shè)計時將系統(tǒng)主要分為萬能空調(diào)遙控模塊、CS5463采集模塊、無線模塊以及溫度測量模塊。STC單片機(jī)以8051為內(nèi)核，并進(jìn)行了大幅度升級優(yōu)化，具有高速、高可靠、價格低廉、外圍模塊多等優(yōu)點，硬件條件上已具備了系統(tǒng)開發(fā)的要求[5]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 萬能空調(diào)遙控模塊

該模塊采用了singlechip solution公司的SC6688AC單片機(jī)[6]。SC6688AC是一款低功耗的高速單片機(jī)，內(nèi)置有豐富的定時器，可以內(nèi)部完成載波調(diào)制和編碼任務(wù)；內(nèi)置豐富的數(shù)據(jù)儲存器，無需外掛E2PROM等存儲芯片，即可存儲空調(diào)碼庫；內(nèi)置串口，通過UART通信方式進(jìn)行空調(diào)運行模式、溫度、風(fēng)量等參數(shù)的設(shè)置?；赟C6688AC單片機(jī)的萬能空調(diào)遙控方案具有性能高，使用簡單，成本低廉，覆蓋空調(diào)品牌廣等優(yōu)勢。

模塊主要包含遙控數(shù)據(jù)存儲芯片、遙控信號發(fā)射電路以及ULN2003驅(qū)動電路。遙控數(shù)據(jù)存儲芯片是一個串口控制芯片，通訊參數(shù)為波特率：9600bps，數(shù)據(jù)位：8位，停止位：1位，校驗：無。STC單片機(jī)只要使用一個串口，即可通過串口發(fā)送相應(yīng)指令給遙控數(shù)據(jù)存儲芯片，通過遙控信號發(fā)射電路將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，實現(xiàn)控制空調(diào)的功能。

1.2 CS5463采集模塊

該采集模塊主要采集空調(diào)的當(dāng)前電壓、電流、使用電能等實時工作參數(shù)，以達(dá)到在空調(diào)禁止開啟的條件下能夠監(jiān)測空調(diào)運行狀態(tài)的作用，或者空調(diào)關(guān)閉條件下待機(jī)耗電問題。

模塊使用的CS5463芯片是一款能夠測量電壓有效值、電流有效值、計算有功電能以及一個SPI串行接口的功率測量芯片[7]。CS5463包含電壓和電流兩路模擬量輸入通道。首先通過兩組R、C低通濾波器，去除輸入的高頻干擾，接著再輸出到CS5463中進(jìn)行運算，以得到空調(diào)工作參數(shù)。通過CS5463的計算結(jié)果控制與空調(diào)連接的磁飽和繼電器，控制空調(diào)系統(tǒng)的開/關(guān)。此外，CS5463還具有片上數(shù)字校準(zhǔn)功能，用戶可通過寫值到CS5463校準(zhǔn)寄存器，以實現(xiàn)不同的校準(zhǔn)功能，減小計算誤差。

1.3 無線模塊

無線模塊使用了SEMTECH公司的SX1278射頻芯片[8]。該芯片工作在410-441MHz頻段，具有LoRa直序擴(kuò)頻技術(shù)，支持Wireless WMBus協(xié)議，IEEE802.15.4 g協(xié)議，抗干擾能力強(qiáng)，功率低，通訊距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢，理論上傳輸3000米也不會丟失數(shù)據(jù)包。此外，芯片還具有加密和壓縮算法，可以保障數(shù)據(jù)安全。圖2是SX1278無線模塊的電路設(shè)計圖。

1.4 溫度測量模塊

DS18B20是一種很常用的數(shù)字溫度傳感器，可以檢測-55℃～+125℃范圍的溫度，體積小，成本低，精度高，抗干擾能力強(qiáng)。本文采用單總線方式接線，應(yīng)用場合廣泛。供電方式采用寄生電源供電，其中VDD和GND引腳必須接地。寄生電源方式只需要一根I/O口測溫，而且遠(yuǎn)距離測溫時，不需要本地電源。

2 軟件方案設(shè)計

軟件編程主要用到了Keil uVision5軟件，包括移植μC/OS -II系統(tǒng)，編寫ModBus協(xié)議以及多個調(diào)度任務(wù)。系統(tǒng)的程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

2.1 裁剪的μC/OS-II移植

μC/OS -II是開源的嵌入式操作系統(tǒng)，可以通過條件編譯，裁減掉不需要的服務(wù)，只移植任務(wù)程序中需要的μC/OS-II系統(tǒng)服務(wù)。通過裁剪，可以最大限度地減少μC/OS-II系統(tǒng)的存儲空間，將其移植到STC單片機(jī)上。主要涉及OS_CORE.C、OS_TASK.C和OS_TIME.C三個文件，OS_CORE.C是實現(xiàn)內(nèi)核功能的內(nèi)核核心文件，OS_TASK.C是管理任務(wù)的文件，OS_TIME.C是管理時間的文件。還涉及對內(nèi)核進(jìn)行裁剪和配置的OS_CFG.H；與處理器有關(guān)，需要根據(jù)STC單片機(jī)特性修改的OS_CPU.H；系統(tǒng)頭文件μC/OS -II.H和單片機(jī)頭文件STC15.H。

基于μC/OS-II開發(fā)的不同應(yīng)用任務(wù)具有彼此獨立的堆棧空間，而且堆棧的大小由程序員根據(jù)實際需要單獨定義，保證在滿足任務(wù)運行需要的條件下，消耗最少的RAM空間。系統(tǒng)需要編寫的應(yīng)用任務(wù)如下：

OSInit（）； //系統(tǒng)初始化

OSTaskCreate（readDS18B20 ，&tcbDS18B20 ，1）； //測溫任務(wù)

OSTaskCreate（readCS5463 ，&tcbCS5463 ，0）； //空調(diào)參數(shù)采集

OSTaskCreate（taskListen ，&tcbListen ，0）； //任務(wù)監(jiān)聽

OSTaskCreate（taskDecode ，&tcbDecode ，0）； //ModBus功能解碼

OSTaskCreate（taskBroadcast ，&tcbBroadcast ，0）； //ModBus廣播任務(wù)

OSStart（）； //系統(tǒng)啟動

2.2 ModBus協(xié)議

ModBus協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備，常用于電子控制器上。ModBus協(xié)議還有很多指令，功能強(qiáng)大，方便上、下位機(jī)通訊。ModBus 協(xié)議包括請求和應(yīng)答兩部分。例如使用0x06進(jìn)行寫單個寄存器的功能，命令分為請求和響應(yīng)兩部分，協(xié)議規(guī)定的格式如表1、表2所示。

此外，編程時需要在程序中定義和0x06協(xié)議相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體，程序如下。

typedef struct

{

unsigned char addr； //地址

unsigned char cmd； //功能碼

unsigned int address； //寄存器地址

unsigned int value； //寄存器值

}MODBUS_RD_06；

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

該系統(tǒng)的設(shè)計可以通過萬能空調(diào)碼庫無線控制空調(diào)的開/關(guān)，設(shè)置運行狀態(tài)等；可以采集空調(diào)當(dāng)前運行參數(shù)，如電壓、電流等；可以測量空調(diào)風(fēng)口的溫度。本文基于Visual studio 2012環(huán)境，使用C#語言根據(jù)ModBus協(xié)議編寫了系統(tǒng)的上位機(jī)測試軟件，并結(jié)合系統(tǒng)硬件，測試了系統(tǒng)控制效果[9]。系統(tǒng)實物圖和測試結(jié)果如圖4所示。

4 結(jié)束語

利用STC單片機(jī)設(shè)計的空調(diào)無線控制系統(tǒng)，硬件電路設(shè)計簡單，能滿足設(shè)計的功能需求，工作穩(wěn)定性可靠，且成本低。該空調(diào)無線控制系統(tǒng)設(shè)計完成后，已經(jīng)在公司使用空調(diào)實際地測試過，已經(jīng)使用3個多月，性能穩(wěn)定，基本完成設(shè)計要求。

系統(tǒng)的設(shè)計可根據(jù)ModBus協(xié)議開發(fā)PC端上位機(jī)、移動端應(yīng)用等，即在電腦端、手機(jī)端可以遠(yuǎn)程遙控空調(diào)，使用方式靈活，符合物聯(lián)網(wǎng)和智能家居的思想。系統(tǒng)性能良好，控制方便，符合當(dāng)今社會的需求，具有廣闊的市場前景。

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