實驗室智能空調(diào)管理系統(tǒng)的設(shè)計

李　真，　彭輝麗，　孫偉華，　余善恩，　陳張平

(杭州電子科技大學(xué) a.自動化學(xué)院；b.理學(xué)院， 杭州 310018)

0　引　言

目前，高校實驗室各類機房以及各專用實驗設(shè)備間都大量使用了各式各樣的空調(diào)，以保證實驗設(shè)備及儀器運行在適當溫度范圍內(nèi)。現(xiàn)有的空調(diào)控制主要是人為進行開關(guān)以及溫度的設(shè)置。由此，將會帶來一系列的問題，如：許多實驗室的空調(diào)因為無人及時管理造成能源的不必要浪費，人為對空調(diào)不合理地操作使空調(diào)在過低或過高的設(shè)定溫度下運行，空調(diào)出現(xiàn)故障卻沒能及時發(fā)現(xiàn)和修理等。為解決以上問題，設(shè)計了一個對實驗室空調(diào)進行網(wǎng)絡(luò)化、集中化管理的智能空調(diào)集中管理系統(tǒng)[1]。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計方案

智能空調(diào)管理系統(tǒng)主要由系統(tǒng)主控端、分控端、主控端與分控端之間的通信總線、系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件這幾部分組成[2]。整個智能管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控端負責對分控端的信息進行接收處理，完成決策參數(shù)的傳遞以及同上位機監(jiān)控的數(shù)據(jù)交互。分控端則主要實現(xiàn)由微控制器通過溫度傳感器和熱釋電傳感器等采集測量信息數(shù)據(jù)，通過RS-485實現(xiàn)與主控制器之間的信息交流，實現(xiàn)用紅外遙控控制空調(diào)。系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件是智能空調(diào)集中管理系統(tǒng)主要的人機交互界面，它通過計算機上的串口與主控端進行數(shù)據(jù)交互。這樣，使用該智能空調(diào)管理系統(tǒng)只需用一臺電腦就可以對一棟樓甚至是幾棟樓的空調(diào)進行監(jiān)控和管理，從而實現(xiàn)了樓宇自動化控制中的空調(diào)系統(tǒng)智能管理[3]。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　硬件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1　主控端硬件

主控端硬件主要分為主控芯片、電源管理模塊、液晶和按鍵等交互設(shè)備模塊、RS-485通信模塊[4]、串口通信接口模塊等幾個部分，主控端硬件框圖如圖2所示。

選擇STM32F103RBT6作為主控制芯片。該款微控制器可以支持本次設(shè)計實現(xiàn)其各項功能，且它擁有3個USB模塊能充分滿足本次設(shè)計的通信模塊方面的需求。該主控制芯片基本的外圍電路包擴復(fù)位電路、時鐘電路、濾波電路、串口電路等等[5-6]。

液晶和按鍵等交互設(shè)備的驅(qū)動電路中OLED液晶、按鍵和LED燈都使用了主控制芯片GPIO的輸入輸出模式進行單獨控制，其中主要使用了主控制芯片的GPIOA、GPIOB和GPIOC 3種引腳。

圖2主控端硬件框圖

RS-485通信模塊是主控制芯片的串口2與RS-485芯片相連，再由RS-485芯片的2個輸出口設(shè)置為對外接口，用于和雙絞線相連與分控端通信。

由于主控端的各個模塊的工作電壓不盡相同，為了使它們能穩(wěn)定工作，必須有可靠的電源管理。電源部分負責將外部輸入的5 V直流電壓通過電源芯片AMS1117轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5 V電壓和3.3 V電壓輸出，為主控制芯片、RS-485芯片以及OLED液晶等提供穩(wěn)定的電源電壓。主控端的5 V電壓是由AC/DC電源適配器從外面引入的。而3.3 V電壓的穩(wěn)壓輸出是通過AMS1117-3.3芯片得到的。該芯片是一個低漏失電壓調(diào)整器，屬于一款易于使用的三端穩(wěn)壓系列產(chǎn)品，它的穩(wěn)壓調(diào)整管是由一個PNP驅(qū)動的NPN管構(gòu)成的。電源管理電路如圖3所示[7]。

圖3　電源電路原理圖

2.2　分控端硬件

空調(diào)管理系統(tǒng)分控端由信息采集、紅外控制、實時顯示這3個部分功能構(gòu)成。空調(diào)集中管理系統(tǒng)分控端的整體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖4所示[8-10]。

(1) 數(shù)據(jù)采集模塊。主要功能是采集房間內(nèi)的信息，傳感器將采集到的信息數(shù)據(jù)送往主控模塊進行數(shù)據(jù)處理。本設(shè)計在數(shù)據(jù)采集模塊中主要采用了兩個傳感器，一個是檢測室內(nèi)溫度的溫度傳感器DS18B20，另一個是基于BISS0001的熱釋電紅外檢測傳感器。 BISS0001是一款高性能信號處理器，在本分控端的設(shè)計中，將熱釋電紅外傳感器和BISS0001還有少量的外接元器件可構(gòu)成被動式的熱釋電紅外檢測裝置[11]。

(2) 紅外控制模塊。紅外控制部分包括一個紅外發(fā)射模塊和紅外接收模塊。紅外接收空調(diào)遙控器的脈沖指令，將接收到的信號存儲起來，并通過紅外發(fā)射部分將數(shù)據(jù)重新發(fā)送出去，從而實現(xiàn)了空調(diào)管理系統(tǒng)控制端的空調(diào)控制部分。紅外接收部分如圖5(左)所示，紅外接收采用HS0038作為探頭，接收紅外信號頻率為38 kHz，這其實就是一個軟件解碼部分。圖5的右邊部分為紅外發(fā)射裝置，采用一個三極管S9013來驅(qū)動紅外發(fā)射燈D1，三極管主要是起到開關(guān)的作用，通過單片機輸出的控制信號來關(guān)斷或是接通，電阻R1和電阻R2是限流電阻，主要作用是調(diào)節(jié)紅外LED燈D1的電流[12]。

圖4分控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖5紅外發(fā)射和接收裝置圖

(3) 實時顯示模塊。實時顯示部分包括5110LCD顯示屏和多彩LED燈。在液晶顯示屏上顯示實時溫度和房間的人員情況，顯示從主控端接收到的設(shè)置命令信息，并通過LED的不同顏色直觀表示空調(diào)正在加熱、制冷等運行狀態(tài)。

5110液晶顯示屏的電路連接包括電源線和地線，還有5根I/O控制線，1條高亮LED背光控制線。5110采用的5 V電壓供電。人機交互部分還包括3個不同顏色的LED燈，軟件控制不同顏色的LED表示分控端空調(diào)的運行狀態(tài)，具體是：紅色LED表示空調(diào)的加熱狀態(tài)，藍色表示制冷，白色表示室內(nèi)溫度和空調(diào)設(shè)置溫度一致。顯示模塊電路如圖6所示。此外，還設(shè)計4個獨立按鍵，可在分控端直接設(shè)定空調(diào)溫度等，完善人機交互部分。即使脫離主控制端的控制，分控端也能自行人為輸入控制。

圖6　顯示模塊電路圖

2.3　通信模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸部分是整個系統(tǒng)主控制端和分控制端進行數(shù)據(jù)交互的樞紐。本設(shè)計的主控端和各個分控端，采用一款由Maxim公司開發(fā)出的RS-485芯片MAX485，作為系統(tǒng)通信的收發(fā)器。該芯片支持5 V供電，額定電流為300 μA，能起到將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-485電平的功能。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸部分采用RS-485總線進行硬件連接。主控制端需要將溫度設(shè)定范圍、時間設(shè)定范圍和控制溫度等控制信息發(fā)往分控端，將這些信息進行協(xié)議編碼，通過RS-485發(fā)往分控端；分控端將自己的空調(diào)編號和傳感器采集的數(shù)據(jù)信息進行協(xié)議編碼，同樣通過RS-485回傳給主控端，這里的軟件部分就要和主控端制定一個傳輸協(xié)議，實現(xiàn)主控向某一分控機組發(fā)送命令，其他的分控制端不接受此信息；或是向所有分控端機組群發(fā)控制命令，所有機組都接收并處理此命令。根據(jù)本設(shè)計的系統(tǒng)要求，使用的是典型的RS-485半雙工通信。基于RS-485控制理論，系統(tǒng)設(shè)計控制電路如圖7所示[13]。

圖7RS-485控制電路圖

系統(tǒng)在硬件電路上，用2根導(dǎo)線分別將2個RS-485的A端、B端相互連接，RS-485的理想傳輸介質(zhì)是雙絞線，相當于120 Ω阻抗，如果是想要實現(xiàn)長距離傳輸通信時，就需要在A線B線之間加上一個阻值120 Ω大小的電阻，空調(diào)集中管理系統(tǒng)連接相鄰教室間的空調(diào)分控制器，距離不是很遠，所以沒有外加電阻。

3　軟件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1　主控端軟件設(shè)計

對于整個主控端的軟件設(shè)計來說，首先要做的是對系統(tǒng)時鐘、系統(tǒng)延時函數(shù)、LED燈與按鍵的GPIO引腳、OLED液晶以及RS-485和主控制芯片上串口的初始化；然后程序進入一個循環(huán)，開始運行主控端的各個功能模塊，如接收上位機監(jiān)控軟件通過串口發(fā)送的信息，將該信息通過RS-485總線以廣播的方式發(fā)送給所有分控端，接收分控端發(fā)送回主控端的信息，將該信息通過主控制芯片的串口轉(zhuǎn)發(fā)給上位機監(jiān)控軟件進行人機交互，在測試階段可以將該信息解碼并調(diào)用液晶顯示函數(shù)顯示，也可以通過按鍵進行測試參數(shù)的設(shè)置?？傮w軟件設(shè)計流程框圖如圖8所示[14]。

圖8主控端總體軟件設(shè)計流程圖

3.2　分控端軟件設(shè)計

整個分控系統(tǒng)的軟件設(shè)計，基于對空調(diào)的控制而設(shè)計。軟件的總體流程是：① 系統(tǒng)初始化，包括對主控芯片STM32的系統(tǒng)時鐘的設(shè)置；波特率的初始化；各個I/O口的初始化；定時器、計時器等的初始化；RS-485總線通信的初始設(shè)置；LCD5110液晶顯示屏、LED燈和按鍵的初始化；還有PWM等初始設(shè)置。② 分控端在主函數(shù)中一直接收RS-485總線上來自主控制端發(fā)來的設(shè)置命令，包括溫度設(shè)置范圍、控制時間范圍和設(shè)定溫度等信息，要對其進行解碼，按照接收到的設(shè)置信息對空調(diào)進行初始設(shè)置。③ 主函數(shù)中一直保持對兩個傳感器，溫度傳感器和熱釋電的采集處理，通過熱釋電傳感器返回信息判斷房間內(nèi)是否有人。④ 在房間內(nèi)沒有人的情況下，空調(diào)被設(shè)定為不允許打開，即軟件控制關(guān)閉空調(diào)的運行，當然這需要軟件上的進一步處理，不可能因為一個人暫時地離開房間而將空調(diào)立馬關(guān)閉，頻繁的開啟空調(diào)電源和切斷電源，將導(dǎo)致的結(jié)果是沒有起到節(jié)能的效果，反而更加浪費電能。⑤ 如果檢測到房間內(nèi)有人，則根據(jù)上述從RS-485總線上獲取的設(shè)置命令進行溫度的設(shè)置。不是簡單將室內(nèi)空調(diào)的溫度設(shè)置成主控端設(shè)置的溫度，需要將判斷設(shè)置溫度是否在合理的設(shè)置范圍內(nèi)，也要判斷現(xiàn)在的時間是否是合理的設(shè)置時間。⑥ 分控端的實時監(jiān)測空調(diào)的運行狀態(tài)和房間狀態(tài)，并在5110上實時顯示出來；控制不同顏色LED燈表示空調(diào)的不同運行狀態(tài)，并可以按鍵手動輸入控制溫度，拓展了可行性。⑦ 軟件采用單片機一路PWM作為38 kHz頻率的控制信號作為紅外發(fā)射的載波信號，將紅外接收裝置接收的脈沖信號如實發(fā)出去?？傮w的軟件流程如圖9所示。

圖9分控端軟件流程圖

3.3　上位機監(jiān)控軟件設(shè)計

為了提高系統(tǒng)人機交互能力，本設(shè)計還有一個供人機交互使用的上位機監(jiān)控軟件。上位機監(jiān)控軟件能夠設(shè)置并發(fā)送給分控端控制參數(shù)以及顯示分控端發(fā)回的各種傳感器信息和空調(diào)運行狀態(tài)信息。該上位機的設(shè)計主要有：串口設(shè)置部分，分控器參數(shù)顯示部分，參數(shù)設(shè)置與發(fā)送部分，室內(nèi)溫度繪圖部分以及通信測試部分。上位機監(jiān)控軟件的整體界面如圖10所示。該軟件的主要功能是當串口設(shè)置完成并打開串口后，在分控端參數(shù)顯示區(qū)和室內(nèi)溫度繪圖區(qū)顯示各個分控端的環(huán)境參數(shù)，同時可以在發(fā)送設(shè)置區(qū)設(shè)置分控端的各種參數(shù)經(jīng)參數(shù)發(fā)送按鈕發(fā)送。為了方便調(diào)試，在上位機界面的右下角還設(shè)計了通信調(diào)試區(qū)域[15]。

(1) 串口設(shè)置模塊。對于整個上位機來說，串口技術(shù)是其中最為關(guān)鍵的。本系統(tǒng)采用微軟在.NET下推出的一個串口控件SerialPort(串口)，基于.NET的P/Invoke調(diào)用方法實現(xiàn)。除了SerialPort控件之外，還使用到了Button控件、ComboBox控件以及GroupBox控件。為了能讓上位機進行串口通信，首先，對串口的端口號進行選擇，也就是選擇計算機上可以用以通信的端口。然后，是選擇合適的波特率，當選擇的波特率和主控端串口的波特率一致時兩者便可以進行通信了。當這兩項設(shè)置好以后，就可以按下打開串口按鈕進行通信了。

圖10　上位機監(jiān)控軟件界面

(2) 分控器參數(shù)顯示模塊。主要用于顯示由主控端傳回的分控端的環(huán)境參數(shù)。當計算機的串口接收到數(shù)據(jù)時，將會觸發(fā)SerialPort類的DataReceived事件，這時候再通過事先編寫好的功能函數(shù)將數(shù)據(jù)讀出來，然后利用實現(xiàn)編寫好的解碼函數(shù)對數(shù)據(jù)進行解碼后，便可用于參數(shù)顯示之用。該模塊中主要使用了TextBox控件，只要將解碼后的參數(shù)修改對應(yīng)TextBox控件的Text屬性即可。和上位機分控器參數(shù)顯示模塊功能類似，室內(nèi)溫度繪圖模塊是將串口接收到的分控端信息中的室內(nèi)溫度分理出來用來在PictureBox控件上繪制溫度曲線。這樣將能更為直觀地向管理者展示室內(nèi)溫度的變化情況。

(3) 參數(shù)設(shè)置與發(fā)送模塊。該模塊主要用于上位機監(jiān)控軟件對分控端參數(shù)的設(shè)定與發(fā)送。本設(shè)計提供了兩種分控端地址的設(shè)置，一種是廣播地址N000，當發(fā)送的數(shù)據(jù)以該地址開頭那么所有的分控端都需要接收并將自身的所有參數(shù)按該調(diào)指令信息的內(nèi)容設(shè)置；另一種是分控端自身的地址，如N001、N002等，當發(fā)送的數(shù)據(jù)以該類地址開頭，只有相應(yīng)地址的分控端才能接收并設(shè)置參數(shù)，其他分控端將該信息忽略。這樣做的好處是不僅可以設(shè)置單個分控端的參數(shù)，而且可以批量設(shè)置多個所處環(huán)境相似的分控端的參數(shù)。

接下來是對空調(diào)工作時間范圍的設(shè)置，只有在此時間段內(nèi)分控端才能控制空調(diào)運行，該段信息由8個字符組成。然后是對空調(diào)的溫度范圍進行設(shè)置，即分控端對空調(diào)溫度的設(shè)置不能超過該范圍，該段信息由4個字符組成。最后是設(shè)置當前空調(diào)的實際運行溫度，當環(huán)境溫度達到該設(shè)定的溫度，空調(diào)便停止運行，低于該設(shè)定溫度便開啟。當所有參數(shù)都設(shè)定完成后，只要按下參數(shù)發(fā)送按鍵，內(nèi)部程序就會將所有參數(shù)組合成一串字符串信息經(jīng)串口發(fā)送給主控端。

(4) 上位機通信測試模塊。該模塊是為了在上位機開發(fā)初期進行串口的接收與發(fā)生的測試之用，以提高開發(fā)時對串口功能正確性的把握。如圖10中通信測試區(qū)，其中第一個文本框是測試接收區(qū)，第二個是測試發(fā)送區(qū)。當在發(fā)送區(qū)輸入文本后，按下測試發(fā)送按鈕，如果串口收發(fā)功能正常，則在接收區(qū)將會接收到發(fā)送區(qū)的文本。同時，在軟件投入使用時，在接收框中還能連續(xù)顯示由主控端發(fā)回的信息，這樣也能從另一方面監(jiān)控上位機監(jiān)控軟件是否正常接收數(shù)據(jù)。

4　結(jié)　語

本設(shè)計實現(xiàn)了一個完整的智能空調(diào)集中管理系統(tǒng)。其中主控制端與各個分控端通過總線連接進行數(shù)據(jù)交流，實現(xiàn)對各個分控端數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控及分控端參數(shù)的實時設(shè)定；系統(tǒng)分控制端通過在系統(tǒng)分控機組安裝不同的監(jiān)測及執(zhí)行設(shè)備，通過RS-485總線接收主控端的控制信息，實現(xiàn)實時控制的功能，并且通過RS-485總線將信息數(shù)據(jù)發(fā)送回給主機；上位機軟件則實現(xiàn)了人機交互和與主控端進行數(shù)據(jù)交互。

該系統(tǒng)實施后，僅用1臺電腦就可以對1棟樓甚至是幾棟樓的空調(diào)進行監(jiān)控和管理，從而實現(xiàn)了實驗室空調(diào)系統(tǒng)智能化、集中化管理，加強了對實驗室大功率電器空調(diào)的管理力度，在一定程度上降低了實驗室大功率用電器的安全隱患，對高校實驗室管理和建設(shè)有一定的借鑒作用。同時該系統(tǒng)亦可應(yīng)用于各類企事業(yè)單位及工廠，在節(jié)能減排方面有較高實用價值[16]。

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