基于Zigbee無(wú)線通信技術(shù)的中央空調(diào)運(yùn)行節(jié)能的研究

王琮澤 梁鵬 杜立劍 張會(huì)娟 禹天鳳

【摘要】中央空調(diào)系統(tǒng)是全國(guó)通用的耗電量較大的設(shè)備，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各部門及各種生活設(shè)施中，中央空調(diào)系統(tǒng)的總耗電量為智能樓宇能耗的40%以上，且有可觀的節(jié)電潛力。為了實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)節(jié)能的目的，本研究設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee無(wú)線通信技術(shù)的中央空調(diào)節(jié)能控制方案，系統(tǒng)的傳感器終瑞節(jié)點(diǎn)采用TI的無(wú)線射頻芯片CC2530，路由器節(jié)點(diǎn)主控制芯片選用低功耗的MCU MSP430F435。通過Zigbee無(wú)線通訊技術(shù)在線監(jiān)測(cè)智能樓宇內(nèi)的溫濕度等環(huán)境參數(shù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)參數(shù)分析后，實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)機(jī)（雙功率電動(dòng)機(jī)）的在線管控和設(shè)備管理等功能，以此控制智能樓宇內(nèi)的中央空調(diào)系統(tǒng)，來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。

【關(guān)鍵詞】中央空調(diào)節(jié)能智能控制風(fēng)機(jī)盤管Zigbee

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中央空調(diào)監(jiān)控從體系結(jié)構(gòu)由上至下分為三層，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層、傳輸層和管理層，每一層完成特定任務(wù)，并根據(jù)上層需要為其提供服務(wù)，使其達(dá)到運(yùn)行穩(wěn)定，功能完善，節(jié)能顯著等特點(diǎn)。

（1）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層：

把末端溫控器節(jié)點(diǎn)（zigbee通信模塊）安裝在智能樓宇的各個(gè)區(qū)域內(nèi)，通信模塊采集室溫變化、雙功率電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況以及風(fēng)機(jī)的運(yùn)行等信息，并把信息反饋到智能樓宇的監(jiān)控室，方便實(shí)時(shí)掌握動(dòng)態(tài)信息，為了適應(yīng)人體的需要，降低系統(tǒng)的功率損耗，順應(yīng)智能化的發(fā)展，溫控器可以接受遠(yuǎn)程控制對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（2）傳輸層：

接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)控制層和管理層的數(shù)據(jù)信息，并做出相應(yīng)的處理，起連接作用。根據(jù)各節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系，建立zigbee網(wǎng)絡(luò)，接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，以RS232方式傳輸給各區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而將信息傳遞到智能樓宇監(jiān)控室，各個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立互不干擾。

（3）管理層：

即智能樓宇監(jiān)控中心，通過接受現(xiàn)場(chǎng)控制層傳輸層傳遞的動(dòng)態(tài)信息，建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，對(duì)各個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)并存儲(chǔ)方便做出決策判斷

2、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過Zigbee無(wú)線通信技術(shù)，中央空調(diào)末端智能溫控器可以與智能樓宇控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)對(duì)循環(huán)機(jī)（泵）及時(shí)的進(jìn)行智能化控制，改變風(fēng)機(jī)盤管的工作運(yùn)行指標(biāo)。這種在線聯(lián)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使本地用戶可以更方便的對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能管理。CC2530是德州儀器公司開發(fā)的一款ZigBee片上系統(tǒng)（Soc）芯片，集成有8051內(nèi)核、RF射頻模塊和串口等外設(shè)。以CC2530為硬件支持，CC2591為前端功率放大，結(jié)合業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee協(xié)議棧Z-StackTM，通過操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，完成系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)。

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)包括末端溫控器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和控制中心。末端溫控器節(jié)點(diǎn)作為單個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)，分別安裝在智能樓宇的不同位置，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。然后再通過Zigbee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)把得到的信號(hào)傳輸給相應(yīng)的路由器節(jié)點(diǎn)。路由器節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，最后通過因特網(wǎng)傳到控制中心?？刂浦行母鶕?jù)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)循環(huán)機(jī)（雙功率電動(dòng)機(jī)）做出合理的功率轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。

1）末端溫控器節(jié)點(diǎn)

末端溫控器節(jié)點(diǎn)安裝在智能樓宇的各個(gè)區(qū)域，它的主要功能是實(shí)時(shí)采集智能樓宇內(nèi)的不同區(qū)域的溫濕度信息，并通過Zigbee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较鄳?yīng)的路由器節(jié)點(diǎn)。

2）和路由器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

路由器節(jié)點(diǎn)主要功能是接收各個(gè)末端溫控器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。將一定時(shí)間和區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)通過因特網(wǎng)傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

（2）雙功率高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)

跟據(jù)負(fù)載變化自動(dòng)改變輸出功率的雙功率節(jié)能電動(dòng)機(jī)。即利用負(fù)載檢測(cè)器在線監(jiān)測(cè)負(fù)載功率的大小，當(dāng)該功率大于某一設(shè)定值時(shí)可通過接觸器自動(dòng)將三相繞組連接成三角形，輸出較大的功率；而當(dāng)負(fù)載功率小于某一設(shè)定值時(shí)，將三相繞組轉(zhuǎn)換為延邊三角形，電動(dòng)機(jī)輸出較小的功率。實(shí)現(xiàn)了兩種功率的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，節(jié)約了電能。

二、實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和可靠性，采用1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、1個(gè)路由節(jié)點(diǎn)、5個(gè)終端節(jié)點(diǎn)（溫控器），組成1個(gè)Zigbee區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)掛有溫度傳感器和風(fēng)機(jī)盤管電動(dòng)閥，相距（5～10）m，中間有墻體阻擋，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，智能樓宇監(jiān)控中心能夠接收到末端溫控器自動(dòng)上傳的房間內(nèi)溫濕度等信息，查詢末端溫控器的運(yùn)行參數(shù)，對(duì)其遠(yuǎn)程控制時(shí)間延遲少于1 s，實(shí)測(cè)證明該系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的發(fā)展，智能樓宇建筑已是大勢(shì)所趨，在智能樓宇節(jié)能系統(tǒng)中中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能成為整個(gè)系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵，該課題通過建立Zigbee無(wú)線組網(wǎng)，采集各個(gè)區(qū)域的溫、濕度的數(shù)據(jù)信息來(lái)實(shí)現(xiàn)選程控制，以達(dá)到優(yōu)化中央空調(diào)系統(tǒng)的目的，該課題結(jié)合Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)末端溫控器的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，通過改變雙功率電動(dòng)機(jī)的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

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