基于無線傳感網(wǎng)絡的中央空調實時溫度在線監(jiān)測方法

摘要：中央空調系統(tǒng)常處于復雜室內(nèi)環(huán)境，受多種因素干擾，存在溫度監(jiān)測精度較低的問題。基于此，文章提出了一種基于無線傳感網(wǎng)絡的中央空調實時溫度在線監(jiān)測方法。該方法構建了溫度監(jiān)測節(jié)點間的網(wǎng)絡聯(lián)系，利用無線通信技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸與協(xié)同，完成各節(jié)點溫度數(shù)據(jù)的實時讀取。實驗證明，該方法能夠精確獲取中央空調的溫度數(shù)據(jù)，快速掌握其運行狀態(tài)及室內(nèi)溫度分布，為智能控制與節(jié)能管理提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

關鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡；中央空調；實時溫度；在線監(jiān)測

中圖分類號：TD76" 文獻標志碼：A

0 引言

隨著科技的不斷進步，中央空調系統(tǒng)作為現(xiàn)代建筑環(huán)境中的重要組成部分，其運行效率和能源利用率的提升成為研究重點。傳統(tǒng)的有線溫度監(jiān)測方法由于布線復雜、靈活性不足，已難以滿足現(xiàn)代中央空調系統(tǒng)的需求。在此背景下，本文提出了一種基于無線傳感網(wǎng)絡的中央空調實時溫度在線監(jiān)測方法。無線傳感網(wǎng)絡憑借其布線簡便、易于擴展等優(yōu)勢，特別適用于中央空調系統(tǒng)的實時溫度監(jiān)測［1］。該方法主要通過部署無線溫度傳感器節(jié)點，實現(xiàn)對空調環(huán)境溫度的精準實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，通過無線通信方式將數(shù)據(jù)傳輸至中央監(jiān)控中心進行綜合分析。

1 部署無線傳感網(wǎng)絡

無線傳感網(wǎng)絡因其靈活性、高效性和實時性等特點，在溫度在線監(jiān)測中展現(xiàn)出巨大的應用潛力。因此，本文在中央空調系統(tǒng)中部署了無線傳感網(wǎng)絡，旨在實現(xiàn)對溫度的精確監(jiān)測。測溫節(jié)點由4個核心部分組成［2］，其采用MSP430F2012微控制器，輔以DS18B20溫度傳感器和nRF24L01無線模塊，確保實時采集中央空調溫度數(shù)據(jù)。DS18B20溫度傳感器通過一線接口與MSP430F2012的P1.0端口相連，實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)傳輸［3］。MSP430F2012微控制器接收數(shù)據(jù)后，將其轉換為實際溫度值，與預設的閾值進行比較。一旦溫度超過閾值，便通過nRF24L01無線模塊向基站發(fā)送預警信息；若在安全范圍內(nèi)，則保存數(shù)據(jù)并定期更新至基站。

根據(jù)中央空調系統(tǒng)的特性，本文首先選擇關鍵部位進行傳感器的部署。具體地，本文將編號為S1—S5的傳感器分別部署在機房、送風口1、送風口2、回風口1、回風口2等關鍵位置；同時，合理配置傳感器通信協(xié)議與傳輸頻率，確保數(shù)據(jù)能夠實時、可靠地傳輸至中央處理器。通過精心部署傳感器節(jié)點，本文構建了一個覆蓋全空調區(qū)域的無線傳感網(wǎng)絡，實時采集環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，通過無線方式傳輸至中央監(jiān)控中心。中央監(jiān)控中心對接收的數(shù)據(jù)進行處理分析，從而實時掌握空調環(huán)境的溫度分布狀況。

2 建立溫度監(jiān)測節(jié)點聯(lián)系

在完成無線傳感網(wǎng)絡部署后，一旦傳感器節(jié)點成功加入網(wǎng)絡，將立刻啟動內(nèi)置的DS18B20溫度傳感器，采集所在位置的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。在完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，傳感器節(jié)點會進入低功耗的休眠狀態(tài)，以節(jié)省能量并延長使用壽命。當休眠時間到達預設的閾值時，傳感器節(jié)點會被再次喚醒并重復上述流程。當傳感器節(jié)點被喚醒后，立即啟動網(wǎng)絡搜索功能，尋找其通信范圍內(nèi)的可用網(wǎng)絡。協(xié)調器在接收入網(wǎng)請求后，根據(jù)預設的條件與算法，決定此節(jié)點的訪問請求是否被接納。當協(xié)調器決定將這個節(jié)點加入網(wǎng)絡時，系統(tǒng)就會賦予這個節(jié)點一個獨一無二的網(wǎng)址，讓該網(wǎng)址作為節(jié)點在網(wǎng)路中的識別碼［4］。節(jié)點入網(wǎng)流程如圖1所示。

在保障中央空調系統(tǒng)實時溫度監(jiān)測的準確性和高效性方面，本文通過節(jié)點的精心初始化來確保其內(nèi)部組件的穩(wěn)定性和可靠性；節(jié)點將通過入網(wǎng)流程，與其他節(jié)點建立通信聯(lián)系，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的順暢傳輸和實時共享。這2個關鍵步驟共同構建了一個堅實的基礎，為后續(xù)實時溫度監(jiān)測提供了強有力的支撐，確保其能夠實時、準確地掌握中央空調系統(tǒng)的溫度狀況。

3 讀取中央空調實時溫度實現(xiàn)在線監(jiān)測

在上述準備工作完成后，對中央空調實時溫度進行在線監(jiān)測。利用無線收發(fā)控制模塊將采集的數(shù)據(jù)包準確、高效地傳輸至中央監(jiān)控中心，其具體過程如圖2所示。

DS18B20溫度傳感器需要通過單線式以及MSP430F2012通信，每次通信前須要進行初始化處理。初始化包括置高電平、短暫延時、再置高并釋放數(shù)據(jù)線。若DS18B20在15～60 ms內(nèi)回應“0”信號，則初始化成功；否則，被視為失敗并采取錯誤處理［5］。成功后，進行ROM（針對內(nèi)部存儲器特定區(qū)域）和RAM（讀取/寫入溫度數(shù)據(jù)）操作。MSP430F2012通過精確時序和命令序列從DS18B20讀取溫度數(shù)據(jù)。在讀取到中央空調實時溫度后進行傳輸。本文采用nRF24L01的Enhanced ShockBurst模式，該模式相較于傳統(tǒng)的ShockBurst模式增加一個數(shù)據(jù)傳送確認信號，增強了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。在線監(jiān)測過程如下：

（1）MSP430F2012寫入Tx、Rx節(jié)點的地址。

（2）啟用自動應答和PIPE 0，確保數(shù)據(jù)的正確接收和響應。

（3）設置自動重發(fā)次數(shù)、通信頻率、發(fā)射參數(shù)以及數(shù)據(jù)寬度等參數(shù)。

（4）所有配置完成，MSP430F2012將數(shù)據(jù)按照特定的時序通過SPI口寫入nRF24L01的緩存區(qū)。

（5）將CE（芯片使能）置為高電平，經(jīng)過一段延時后，數(shù)據(jù)就會被發(fā)送到溫度監(jiān)測中心。

（6）nRF24L01在傳輸結束后，進入接收狀態(tài)，在接收端等待回復信號，如果成功地接收了回復，TX_DS（發(fā)射完成標志）將被置高，同時TX_PLD（發(fā)射數(shù)據(jù)堆棧）中的數(shù)據(jù)將被清除，nRF24L01會自動重新發(fā)送數(shù)據(jù)［6］，在這一過程中，重新發(fā)送的等待時間為300 μs，而在本設計中初始的重新發(fā)送次數(shù)被設置為3次。

4 實驗

4.1 實驗準備

本次實驗搭建了一個模擬的中央空調系統(tǒng)運行環(huán)境，設定數(shù)據(jù)傳輸頻率為每秒更新一次，速率達到2 MBit/s，同時在室內(nèi)環(huán)境下確保30 m的通信距離。當中央空調模擬系統(tǒng)啟動后，研究人員密切關注傳感器節(jié)點的運行情況，觀察其是否能夠準確采集溫度數(shù)據(jù)，通過無線收發(fā)模塊將這些數(shù)據(jù)快速傳輸至中央監(jiān)控中心。在中央監(jiān)控中心設備上，研究人員實時查看這些溫度數(shù)據(jù)，對其進行初步分析。為獲得更加全面、準確的數(shù)據(jù)，研究人員重復實驗，在不同條件下記錄了溫度數(shù)據(jù)，以便于進行后續(xù)數(shù)據(jù)分析和性能評估。

4.2 實驗結果及分析

為了驗證本文方法的優(yōu)越性，本文選取基于紅外測溫的方法、基于傳統(tǒng)模擬儀表的方法作為對比方法，利用3種方法在相同的中央空調環(huán)境下進行實驗，得到的實驗結果如表1所示。

通過表1數(shù)據(jù)可見，本文提出的方法在精度方面表現(xiàn)優(yōu)秀，其誤差率大多維持在0.5%～1%，優(yōu)于傳統(tǒng)的模擬儀表方法。由此可以證明，本文提出的方法在中央空調實時溫度監(jiān)測方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，可為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行與能效提升提供有力的技術支持。

5 結語

為了提高中央空調溫度的監(jiān)測效果，本文提出了一種基于無線傳感網(wǎng)絡的中央空調實時溫度在線監(jiān)測方法。該方法在監(jiān)測中央空調實時溫度精度方面表現(xiàn)優(yōu)越，可為中央空調系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和能效提升提供有力支持。在未來的研究工作中，本文將探索更高效的傳感器節(jié)點設計和部署方法，進一步提高溫度監(jiān)測的精度與范圍。

參考文獻

［1］李海峰，崔積華，朱林林，等.基于無線傳感網(wǎng)絡的電氣設備溫度智能監(jiān)測系統(tǒng)［J］.自動化技術與應用，2024（1）：56-60.

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（編輯 王永超）

Real-time temperature on-line monitoring method of central air conditioning based on wireless sensor network

LI" Qiyu， GUAN" Qingpeng

（School of Mechano-Electronic Engineering， Henan Mechanical and Electrical Vocational College，

Zhengzhou 451192， China）

Abstract： The central air conditioning system is often located in complex indoor environments and is affected by various factors， resulting in low temperature monitoring accuracy. Based on this， this article proposes a real-time temperature online monitoring method for central air conditioning based on wireless sensor networks. This method constructs a network connection between temperature monitoring nodes， and utilizes wireless communication technology to achieve efficient data transmission and collaboration， completing real-time reading of temperature data for each node. Experimental results have shown that this method can accurately obtain temperature data of central air conditioning， quickly grasp its operating status and indoor temperature distribution and provide strong data support for intelligent control and energy-saving management.

Key words： wireless sensor network; central air conditioning; real-time temperature; online monitoring

作者簡介：李啟玉（1993— ），女，助教，碩士；研究方向：電氣工程，傳感器。