公共建筑末端用電設(shè)備行為節(jié)能房間控制器硬件電路設(shè)計(jì)

摘" 要：該文探究公共建筑末端用電設(shè)備行為節(jié)能房間控制器的硬件電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)。該控制器選用STM32F103RBT6芯片作為微處理器，通過(guò)各類(lèi)監(jiān)測(cè)電路采集室內(nèi)溫度和人員存在等信息。經(jīng)過(guò)RS485總線將采集到的信息傳輸給主控芯片，完成信息處理后基于公共建筑節(jié)能運(yùn)行需要，向動(dòng)作調(diào)控電路發(fā)送指令，改變末端用電設(shè)備的運(yùn)行擋位或開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而在滿足使用需求的基礎(chǔ)上達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

關(guān)鍵詞：公共建筑;行為節(jié)能房間控制器;溫度傳感器;CAN總線;節(jié)能降耗

中圖分類(lèi)號(hào)：TG315.8" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）11-0112-04

Abstract： This paper explores the key points of hardware circuit design of energy-saving room controller for electrical equipment at the end of public buildings. The controller uses the STM32F103RBT6 chip as the microprocessor to collect indoor temperature and personnel presence information through various monitoring circuits. The collected information is transmitted to the main control chip through the RS485 bus. After completing the information processing， based on the energy-saving operation needs of public buildings， instructions are sent to the action control circuit to change the operating gear or switch state of the terminal electrical equipment， so as to meet the needs of use. Achieve energy conservation and consumption reduction effects.

Keywords： public building; behavioral energy-saving room controller; temperature sensor; CAN bus; energy saving and consumption reduction

公共建筑在運(yùn)行中經(jīng)常存在末端用電設(shè)備空轉(zhuǎn)的情況，造成了能源的浪費(fèi)。在推廣節(jié)能減排和建設(shè)智能建筑的背景下，將物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、大數(shù)據(jù)和人工智能等新一代信息技術(shù)應(yīng)用到公共建筑的節(jié)能管理中，構(gòu)建面向末端用電設(shè)備的行為節(jié)能房間控制器，通過(guò)獲取室內(nèi)的溫度、濕度、光照、人員行為及設(shè)備耗電量等相關(guān)信息，經(jīng)過(guò)微處理器的計(jì)算分析后自動(dòng)發(fā)出調(diào)控指令，讓末端用電設(shè)備在滿足公共建筑使用需求、提高人員舒適度的前提下，達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的效果。在設(shè)計(jì)和安裝行為節(jié)能房間控制器時(shí)，硬件設(shè)備的選型和硬件電路的設(shè)計(jì)是決定節(jié)能控制效果的關(guān)鍵。

1" 行為節(jié)能房間控制器的整體架構(gòu)

本文基于公共建筑室內(nèi)環(huán)境和用電設(shè)備控制需要設(shè)計(jì)的行為節(jié)能房間控制器，可以實(shí)時(shí)采集室內(nèi)的溫度、人員位置等信息，利用微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)既定的節(jié)能控制策略改變末端用電設(shè)備的開(kāi)關(guān)和功率，并將用電設(shè)備工作狀態(tài)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在顯示器上，在滿足建筑使用需求的基礎(chǔ)上達(dá)到節(jié)能環(huán)保效果。行為節(jié)能房間控制器的整體架構(gòu)如圖1所示。

2" 主控芯片的選擇及其外圍電路設(shè)計(jì)

主控芯片（微處理器）是行為節(jié)能房間控制器的核心部分，本文基于運(yùn)行穩(wěn)定、功能豐富、高運(yùn)算速率等要求選擇主控芯片，最終使用了西門(mén)子公司研發(fā)的STM32F103RBT6芯片。該芯片的最高工作頻率為75 MHz，自帶256 KB的閃存、2個(gè)12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器、4個(gè)16位的定時(shí)器，以及64個(gè)具有復(fù)用功能的I/O端口，為外圍電路設(shè)計(jì)提供了支持。主控芯片部分I/O端口與控制器端口的對(duì)應(yīng)情況見(jiàn)表1。

3" 控制器室內(nèi)環(huán)境信息監(jiān)測(cè)硬件設(shè)計(jì)

3.1" 溫度傳感器的選型與布置

行為節(jié)能房間控制器可以采集公共建筑室內(nèi)的溫度、濕度、人員存在和設(shè)備耗電量等多種參數(shù)。使用DS18B20高精度數(shù)字式溫度傳感器獲取室內(nèi)溫度，該傳感器的測(cè)溫范圍-50～120 ℃，采用磁鐵吸附式封裝，具有測(cè)溫精度高、適用場(chǎng)景多等特點(diǎn)?？紤]到DS18B20數(shù)字式溫度傳感器的測(cè)量范圍有限，為了保證溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要根據(jù)公共建筑室內(nèi)使用面積靈活選擇溫度傳感器的數(shù)量。另外，為了消除外界因素對(duì)數(shù)據(jù)采集結(jié)果的影響，在安裝溫度傳感器時(shí)還應(yīng)避免陽(yáng)光直射位置，以及遠(yuǎn)離加熱器、空調(diào)等設(shè)備[1]。DS18B20數(shù)字式溫度傳感器的安裝要求見(jiàn)表2。

最終的室內(nèi)溫度值為全部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均值t，計(jì)算公式如下

式中：T為公共建筑第i個(gè)室內(nèi)的溫度值;n為公共建筑內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量。

3.2" 用電設(shè)備能耗監(jiān)測(cè)信息上傳接口

公共建筑室內(nèi)用電設(shè)備種類(lèi)多樣，本文主要選擇照明設(shè)備與中央空調(diào)的風(fēng)機(jī)盤(pán)管2項(xiàng)采集其用電數(shù)據(jù)。選擇支持遠(yuǎn)程通信的電能計(jì)量表，采用串聯(lián)方式與被監(jiān)測(cè)設(shè)備連接。獲取電量數(shù)據(jù)后以RS485總線將前端數(shù)據(jù)發(fā)送至房間節(jié)能控制器。用電設(shè)備能耗監(jiān)測(cè)信息的傳輸方式如圖2所示。

RS485通信電路采用SN65HVD3085芯片，額定電壓為5 V，在能耗監(jiān)測(cè)中主要使用了TXD1、TXD2、RXD1和RXD2四個(gè)端口。其中，TXD1和TXD2端口分別獲取風(fēng)機(jī)盤(pán)管與照明燈具的能耗;RXD1和RXD2端口用于控制數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。當(dāng)2個(gè)端口的引腳信號(hào)為高電平時(shí)，SN65HVD3085芯片接收數(shù)據(jù);反之，當(dāng)2個(gè)端口的引腳信號(hào)為低電平時(shí)，不接收數(shù)據(jù)。這種設(shè)計(jì)可以避免數(shù)據(jù)量過(guò)大、超出芯片處理能力，有利于防止數(shù)據(jù)丟失[2]。

4" 行為節(jié)能房間控制器用電設(shè)備動(dòng)作調(diào)控電路設(shè)計(jì)

4.1" 中央空調(diào)風(fēng)機(jī)盤(pán)管三速開(kāi)關(guān)動(dòng)作調(diào)控電路

行為節(jié)能房間控制器的控制對(duì)象之一是支持3擋調(diào)速的中央空調(diào)末端風(fēng)機(jī)盤(pán)管，有手動(dòng)和自動(dòng)2種控制模式。默認(rèn)為自動(dòng)模式，此時(shí)行為節(jié)能房間控制器會(huì)根據(jù)公共建筑的室內(nèi)溫度及人員存在信息，發(fā)出指令改變擋位或者啟停狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的節(jié)能控制。風(fēng)機(jī)盤(pán)管行為節(jié)能控制電路如圖3所示。

如圖3所示，行為節(jié)能控制器的RELAY1～3輸出端口，分別對(duì)應(yīng)了風(fēng)機(jī)盤(pán)管的3擋（高速）、2擋（中速）和1擋（低速）。設(shè)定端口輸出信號(hào)為高電平時(shí)繼電器動(dòng)作，當(dāng)行為節(jié)能控制器的某個(gè)端口輸出高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的繼電器上電運(yùn)行，如果此時(shí)控制模式為“自動(dòng)”，則會(huì)切換至與端口對(duì)應(yīng)的擋位[3]。如果RELAY1～3輸出端口均輸出低電平，并且控制模式為“自動(dòng)”，則風(fēng)機(jī)盤(pán)管停止，對(duì)應(yīng)為0擋。在自動(dòng)模式故障或者發(fā)生其他特殊情況時(shí)，工作人員可切換為“手動(dòng)”控制模式。

4.2" 中央空調(diào)風(fēng)機(jī)盤(pán)管進(jìn)水閥動(dòng)作調(diào)控電路

在原來(lái)的中央空調(diào)運(yùn)行模式下，3擋調(diào)速風(fēng)機(jī)盤(pán)管停止運(yùn)行后進(jìn)水閥仍然處于常開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)制冷或制熱媒介會(huì)繼續(xù)循環(huán)，并且在循環(huán)過(guò)程中通過(guò)與外部環(huán)境的熱交換，造成了部分冷量或熱量的損失。為了取得理想的節(jié)能效果，本文在設(shè)計(jì)行為節(jié)能房間控制器時(shí)，對(duì)中央空調(diào)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的進(jìn)水閥進(jìn)行了節(jié)能改進(jìn)。改進(jìn)后的進(jìn)水閥節(jié)能控制與風(fēng)機(jī)盤(pán)管節(jié)能控制一樣支持自動(dòng)和手動(dòng)2種模式，默認(rèn)為自動(dòng)控制。行為節(jié)能房間控制器向風(fēng)機(jī)盤(pán)管發(fā)送停機(jī)的低電平信號(hào)時(shí)，也會(huì)同步向進(jìn)水閥發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào)。此時(shí)繼電器斷電，進(jìn)水閥關(guān)閉，中斷制冷或制熱媒介的循環(huán)。當(dāng)行為節(jié)能房間控制器的RELAY1～3任意端口輸出高電平信號(hào)時(shí)，向進(jìn)水閥的繼電器同步發(fā)送一個(gè)高電平信號(hào)，此時(shí)進(jìn)水閥上電打開(kāi)，制冷或制熱媒介重新開(kāi)始循環(huán)。

4.3" 室內(nèi)照明設(shè)備動(dòng)作調(diào)控電路

許多公共建筑存在房間內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人但是照明設(shè)備仍然開(kāi)啟的情況，造成了電能的浪費(fèi)。本文設(shè)計(jì)的行為節(jié)能房間控制器可以在感知到室內(nèi)無(wú)人時(shí)自動(dòng)關(guān)停照明設(shè)備，從而達(dá)到節(jié)能效果。照明設(shè)備節(jié)能控制電路與上文的風(fēng)機(jī)盤(pán)管節(jié)能控制電路類(lèi)似，均支持手動(dòng)和自動(dòng)2種控制模式，通過(guò)RELAY4端口接收行為節(jié)能房間控制器的指令。室內(nèi)安裝的人體監(jiān)測(cè)傳感器將人員行為信息傳輸至行為節(jié)能房間控制器并進(jìn)行處理后，如果判斷此時(shí)室內(nèi)為無(wú)人狀態(tài)，并且該狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間達(dá)到設(shè)定值（默認(rèn)為30 s）后，通過(guò)RELAY4端口輸出低電平信號(hào)，此時(shí)繼電器斷電，相應(yīng)的照明燈具熄滅。如果室內(nèi)有人，或者是無(wú)人狀態(tài)持續(xù)時(shí)間未達(dá)到設(shè)定值，則RELAY4端口持續(xù)輸出高電平信號(hào)，室內(nèi)照明燈具常亮[4]。室內(nèi)照明設(shè)備的節(jié)能控制如圖4所示。

圖4中，SB1為照明燈具的按鈕開(kāi)關(guān)，KM1為燈具開(kāi)關(guān)繼電器，K1為輸出端口開(kāi)關(guān)，K2為房間節(jié)能控制器信號(hào)開(kāi)關(guān)。A和B分別為電源的輸入和輸出端，兩者之間的電壓為220 V。如果開(kāi)關(guān)信號(hào)為高電平，SB1落下，K1為常閉狀態(tài)，此時(shí)KM1上電，照明設(shè)備開(kāi)啟。如果開(kāi)關(guān)信號(hào)為低電平，SB1抬起，K2閉合，延遲30 s后如果仍然為低電平，K2斷開(kāi)，此時(shí)照明燈具關(guān)閉。

4.4" 行為節(jié)能房間控制器與上位機(jī)通信接口

由于行為節(jié)能房間控制器與上位機(jī)（控制室主機(jī)）之間需要進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，為了保證通信的高質(zhì)量和時(shí)效性，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議及通信方式提出了嚴(yán)格要求。通信協(xié)議方面，考慮到公共建筑室內(nèi)面積大、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施完善，因此本文設(shè)計(jì)的行為節(jié)能房間控制器采用TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）與上位機(jī)通信。通信方式方面，一種是RS485半雙工串行通信總線，具有抗干擾能力強(qiáng)、線路布置靈活度高等特點(diǎn)，適用于短距離通信[5]。因此在前端傳感器與下位機(jī)（節(jié)能房間控制器）之間使用RS485進(jìn)行信號(hào)傳輸;另一種是CAN現(xiàn)場(chǎng)總線，具有通信速率高、通信距離遠(yuǎn)、受干擾概率低和可容納節(jié)點(diǎn)數(shù)量多等特點(diǎn)?？紤]到上位機(jī)與下位機(jī)之間的距離較遠(yuǎn)，為滿足遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)顯示需要，選擇了CAN總線通信。

5" 結(jié)束語(yǔ)

行為節(jié)能房間控制器融合了傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，利用布置在公共建筑室內(nèi)的溫度傳感器、人體監(jiān)測(cè)傳感器及電能計(jì)量表等完成信息采集，并通過(guò)RS485總線、CAN總線將這些信息上傳至微處理器完成處理，根據(jù)處理結(jié)果自動(dòng)發(fā)出調(diào)控指令。對(duì)于中央空調(diào)這類(lèi)末端設(shè)備，可以基于室內(nèi)溫度、濕度等靈活改變擋位，以提供舒適的室內(nèi)環(huán)境;對(duì)于照明設(shè)備這類(lèi)末端設(shè)備，可以根據(jù)室內(nèi)有無(wú)人員和光照強(qiáng)度，靈活改變開(kāi)關(guān)模式，以滿足照明需要。使用行為節(jié)能房間控制器，在確保公共建筑各項(xiàng)功能正常發(fā)揮的前提下，將節(jié)能效益最大化，兼顧了實(shí)用價(jià)值和節(jié)能效益。

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