基于窗磁傳感的中央空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

張澤宇，楊志鵬，劉 飛，邢洪賓，尤遠(yuǎn)吉，梁佳鑫

（河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022）

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步，酒店、醫(yī)療行業(yè)、商業(yè)場地、工業(yè)生產(chǎn)等場所普遍安裝了中央空調(diào)，不僅滿足了人們對(duì)適宜環(huán)境溫濕度的要求，也滿足了工業(yè)場所對(duì)恒溫或低溫環(huán)境的要求，但仍存在一些缺陷[1-4]。商用中央空調(diào)一般通過定時(shí)開關(guān)或者人工手動(dòng)開關(guān)進(jìn)行有規(guī)律的運(yùn)作，在門窗閉合或者打開通風(fēng)等條件下，并不會(huì)智能地做出回應(yīng)，在一定程度上造成了許多不必要的電能消耗[5]。除此之外，中央空調(diào)系統(tǒng)并未在外部適宜高度安裝額外的傳感器檢測環(huán)境溫濕度，往往通過空調(diào)內(nèi)部的傳感器感知環(huán)境溫濕度，并通過響應(yīng)算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，但調(diào)節(jié)的結(jié)果往往無法令人滿意。

針對(duì)以上問題，本系統(tǒng)通過窗磁、傳感器，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[6-7]采集更加有效的數(shù)據(jù)，并將采集到的信息通過無線傳輸?shù)男问桨l(fā)送至上位機(jī)或其他系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)與應(yīng)用，以有效提高中央空調(diào)控制系統(tǒng)的智能化程度。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于窗磁傳感的中央空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)考慮到窗磁與空調(diào)控制的聯(lián)動(dòng)性，向窗磁系統(tǒng)中加入溫濕度傳感器、液晶顯示屏等模塊。溫濕度傳感器可以定期檢測環(huán)境溫濕度并將數(shù)據(jù)無線傳輸給空調(diào)，起到定期調(diào)節(jié)空調(diào)模式以及溫濕度等作用；顯示屏可以在用戶按下指定按鈕后實(shí)時(shí)檢測溫濕度數(shù)據(jù)并顯示，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場測溫顯示功能。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸，無需人為干預(yù)就能使空調(diào)的運(yùn)行效率達(dá)到最高。當(dāng)預(yù)算有限時(shí)，該系統(tǒng)適合用在大型中央空調(diào)為多個(gè)房間制冷（制熱）或一個(gè)場所有多個(gè)中央空調(diào)制冷（制熱）的情境。

多個(gè)窗磁節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集窗戶開合狀態(tài)與溫濕度數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式發(fā)送至路由節(jié)點(diǎn)，支持手動(dòng)查詢實(shí)時(shí)溫濕度，將數(shù)據(jù)顯示至內(nèi)置的顯示屏中；路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收窗磁節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)并廣播至其他路由器，直接與空調(diào)主機(jī)相連，將數(shù)據(jù)傳輸至空調(diào)主機(jī)，由主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，進(jìn)行溫度、模式調(diào)節(jié)或者開關(guān)；協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與維持。

系統(tǒng)運(yùn)行示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 通信技術(shù)

2.1.1 無線技術(shù)要求

窗磁節(jié)能系統(tǒng)的工作環(huán)境較為簡單，只需考慮金屬、墻體等因素對(duì)傳輸速度與質(zhì)量的影響，在保證傳輸可靠性的前提下考慮以下因素。

（1）傳輸速度

傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)更關(guān)注如何保證通信質(zhì)量，以及在此基礎(chǔ)上盡可能地提高傳輸速率。而無線窗磁節(jié)能系統(tǒng)主要用于窗戶開合狀態(tài)與溫濕度的檢測，所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量極小，較低的傳輸速率即可保證傳輸?shù)挠行浴?/p>

（2）傳輸距離

窗磁系統(tǒng)的有效無線傳輸距離要求達(dá)到100 m，更短的距離無法滿足設(shè)備間的信息交互，更長的距離導(dǎo)致功耗過大，人工維護(hù)成本上升。

2.1.2 ZigBee通信技術(shù)

綜合考量各種常見的無線通信技術(shù)后，本系統(tǒng)選擇ZigBee。ZigBee相比其他無線通信技術(shù)具有功耗低、時(shí)間延遲短、可靠性高、成本低等優(yōu)勢(shì)[8]。窗磁節(jié)點(diǎn)與空調(diào)主機(jī)的距離一般為10～30 m，而ZigBee通信距離在150 m內(nèi)，加之路由輔助通信，完全可以實(shí)現(xiàn)全范圍覆蓋。

2.1.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣，不同于其他技術(shù)只有單獨(dú)的一對(duì)一或一對(duì)多等固定信息傳輸模式，它還可以實(shí)現(xiàn)多對(duì)多無線傳輸。主要有星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等[9]。星型網(wǎng)絡(luò)和樹形網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)較為簡單，傳輸數(shù)據(jù)的途徑過于單一，穩(wěn)定性稍有欠缺，因此采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

將窗磁作為末端采集節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集溫濕度數(shù)據(jù)和門窗開合狀態(tài)數(shù)據(jù)，在各房間的空調(diào)中安裝路由節(jié)點(diǎn)用于傳輸數(shù)據(jù)并與空調(diào)主機(jī)通信，各節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通過協(xié)調(diào)器加入。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)既能保證傳輸?shù)母咝院头€(wěn)定性，又能實(shí)現(xiàn)空調(diào)溫度調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2 主控芯片

以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)，選用德州儀器出品的CC2530芯片。CC2530芯片成本低，功耗低，內(nèi)部集成有射頻RF CC2520和微處理器8051，因此芯片的兼容性高[10]。CC2530芯片提供電源管理功能，可以使設(shè)備長期處于低功耗運(yùn)行模式。ADC支持最大12位分辨率，并且內(nèi)含溫度傳感輸入通道。此外，CC2530芯片還有一個(gè)支持IEEE 802.15.4協(xié)議的無線信號(hào)收發(fā)器，便于無線通信。

2.3 傳感器模塊選型

2.3.1 窗磁傳感器

窗磁傳感器模塊的核心組成元件是干簧管和磁鐵，干簧管是一種磁敏開關(guān)，磁鐵接近時(shí)會(huì)磁化其中的簧片，對(duì)其產(chǎn)生吸引，如果吸引力超過了簧片的彈力，干簧管常閉或常開節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)就會(huì)發(fā)生改變。窗磁傳感器利用磁鐵控制干簧管的原理檢測窗戶的開合狀態(tài)。系統(tǒng)選擇常開型干簧管，型號(hào)為MKA10110。

2.3.2 溫濕度傳感器模塊選型

DHT11與CC2530是最常搭配的數(shù)字溫濕度傳感器之一。DHT11使用串行數(shù)據(jù)管腳，單總線發(fā)送溫濕度信息，嚴(yán)格按照指定傳輸方式與順序，每次傳輸多達(dá)40位數(shù)據(jù)：濕度整數(shù)、濕度小數(shù)、溫度整數(shù)、溫度小數(shù)與校驗(yàn)和數(shù)據(jù)各八位。傳輸正確時(shí)，校驗(yàn)和數(shù)據(jù)為四者相加末八位。接收到開始信號(hào)后，DHT11開始工作，在主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后，發(fā)送響應(yīng)表明已接收，并做好傳輸準(zhǔn)備，然后發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。

2.3.3 顯示屏模塊選擇

與傳統(tǒng)LCD相比，OLED顯示屏具有眾多優(yōu)勢(shì)：材料自發(fā)光、視角寬廣、響應(yīng)迅速、圖像穩(wěn)定、顏色豐富、識(shí)別率高、驅(qū)動(dòng)電壓低、能耗低、兼容性高。SSD1306是專為OLED打造的驅(qū)動(dòng)，集成了對(duì)比度控制器、顯示RAM等，可以有效降低能耗。擁有最多達(dá)256級(jí)的顯示亮度級(jí)數(shù)，可選擇6800/8000 串口，I2C接口或SPI接口。

2.4 節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)

窗磁數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)安裝于窗磁之中，安裝位置為窗戶內(nèi)側(cè)，距離地面高度1.5 m處，由窗磁傳感器、溫濕度傳感器、顯示屏以及CC2530芯片等組成。通過軟件設(shè)置使系統(tǒng)在不工作時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，并通過選擇低功耗元器件降低能耗。節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

用于開發(fā)CC2530相關(guān)程序的軟件為IAR Embedded Workbench IDE，其中關(guān)于網(wǎng)絡(luò)的建立使用了內(nèi)置Z-Stack專用協(xié)議棧。以Z-Stack協(xié)議棧為基礎(chǔ)，進(jìn)行程序開發(fā)時(shí)需要做的準(zhǔn)備工作包括：驅(qū)動(dòng)移植、添加頭文件、初始化、編寫程序。

圖4所示為系統(tǒng)主程序流程。在執(zhí)行過程中，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，初始化過程包括：初始化操作系統(tǒng)、配置I/O口、OLED屏幕初始化、初始化中斷及定時(shí)器，以及協(xié)調(diào)器建網(wǎng)、終端初始化、系統(tǒng)組網(wǎng)通信等；初始化后，系統(tǒng)進(jìn)入PM2低功耗模式運(yùn)行，終端通過溫濕度采集函數(shù)DHT11（）定時(shí)采集溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后通過數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)AF_DataRequest（）發(fā)送給協(xié)調(diào)器，當(dāng)接收到信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入SampleApp_MessageMSGCB（）進(jìn)行處理。另外，當(dāng)窗戶開合狀態(tài)改變時(shí)會(huì)暫時(shí)喚醒系統(tǒng)并觸發(fā)中斷服務(wù)函數(shù)，分別對(duì)窗戶打開和關(guān)閉事件進(jìn)行處理。

圖4 系統(tǒng)主程序流程

CC2530核心板可以在主動(dòng)模式、空閑模式和供電模式（PM1～PM3）中切換，其功耗依次降低?？紤]到在PM3模式下，穩(wěn)壓器供電的內(nèi)部電路關(guān)閉，內(nèi)部穩(wěn)壓器和所有振蕩器也都關(guān)閉，無法完成信息處理，故本文使用PM2低功耗模式，程序如下：

終端設(shè)備在接收DHT11溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)后按照屏幕顯示、協(xié)調(diào)器及電腦串口所需的數(shù)據(jù)類型對(duì)其進(jìn)行整合，并發(fā)送。采集函數(shù)DHT11（）在傳感器驅(qū)動(dòng)文件中定義，儲(chǔ)存于工程文件的APP層，程序如下：

將CC2530開發(fā)板的2個(gè)I/O口接到同一個(gè)干簧管傳感器的DO端，等待中斷觸發(fā)，通過干簧管信號(hào)的上升沿和下降沿分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)，發(fā)送窗戶打開、關(guān)閉信號(hào)。本文所示例程的I/O口分別為P1_6及P2_0，程序如下：

4 結(jié) 語

隨著科技的發(fā)展與人們需求的提升，中央空調(diào)逐漸成為各大建筑物的標(biāo)配，但其巨大的能耗也成為了各大城市的負(fù)擔(dān)，因此，降低空調(diào)能耗勢(shì)在必行。

基于窗磁傳感的中央空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過對(duì)窗戶開合狀態(tài)和溫濕度數(shù)據(jù)的檢測，有效降低了中央空調(diào)的能耗，提高了能源利用率，減少了不必要的能源浪費(fèi)。