数传模块技术在建筑节能系统中的应用与研究

2010-09-21王学峰

赤峰学院学报·自然科学版 2010年11期

关键词：数传下位字节

王学峰

（赤峰学院计算机科学与技术系，内蒙古赤峰024000）

数传模块技术在建筑节能系统中的应用与研究

王学峰

（赤峰学院计算机科学与技术系，内蒙古赤峰024000）

围绕经济、实用等特点，分析了数传模块技术在建筑节能管理系统中的应用.与其他数据传输形式相比具有很高的灵活性和性能价格比，是最有发展应用前景的技术之一.在建筑节能管理中，能够发挥无线传输控制的优势，提高能源的利用率，减少浪费.

无线数传模块技术;自动控制；建筑节能

1 研究背景

统计表明，我国建筑能耗的总量逐渐上升，在能源消耗总量中所占的比例已从上世纪70年代末的10%上升到近年的30%，而建筑最大的耗能点是采暖和空调.据资料表明我国在采暖和空调上的能耗占建筑总能耗的55%以上，特别是北方的采暖能耗所占比例更高.

据介绍，我国城乡存有建筑面积是430亿平方米，数量如此之巨的建筑中最乐观估计达到节能标准的仅占5%左右，即使是新建筑也有90%以上仍属于高耗能.与气候条件相近的发达国家相比，我国每平方米建筑采暖能耗约为发达国家的3倍左右，但热舒适度远不如人.无论从整个国际经济气候还是中国宏观经济大趋势来看，中国的能源问题已经日趋严峻，节约能耗势在必行.

在建筑节能系统中，目前国内研究、重视比较多的方面是硬件建设方面.例如，墙壁外加保温材料、主体墙使用空心砖、保温门、保温窗等.而忽略了室内使用过程中能源的节约行为，其实在建筑耗能中基本上都是在使用中耗掉的.这里其中有一部分能源是不必要的浪费，象学校、办公楼、商场等在下班以后没有必要保持在15℃以上，宾馆、旅店在没有旅客居住的房间时，其房间的温度应保持在一个较低的水平.居民住宅内各个房间可以选择不同的温度，甚至在上班无人时保持较低的室温即可.总之无论是公共场所还是个人居住地方，都有节约的机会，我国在建筑能源运行管理中仅在中央空调系统中做的比较好，在其他采暖系统中如热电厂的余热、集中供暖等应用几乎为零.为此浪费了大量能源，不但加重了能源的紧张和浪费也加重了大气的污染，同时也降低了办公、居住的舒适程度.本文拟从使用管理和节约能源角度出发，采用计算机控制及数据传输技术，对能源消耗单位，包括一栋楼、一个单元或一个房间内的使用情况进行监测或控制.提高能源的利用效率，减少能源的消耗，减轻对大气的污染，提高我们的居住环境的水平.

2 无线数据传输模块的基本原理

2.1 系统结构（如图1所示）

结构说明：

图1 数传模块结构图

2.1.1 上位机：它包括计算机主机和数据传输通道，其中数据传输通道包括调制、解调及发射天线.计算机是主控核心，所有的控制程序及对下位机的指令都由他来完成.计算机与数据传输通道的联接使用RS232接口，有三条线分别是TX、RX、GND，TX是主机发送信号线，RX是主机接收信号线，GND公共端.

2.1.2 下位机：它包括数据传输通道、译码部分、数据中心处理部分、功能模块变换器组成.

2.2 工作原理

2.2.1 计算机：作为本系统的核心控制部件，一方面要产生不同地址编码的数据，完成向下位机发送指令的任务，另一方面要接收下位机传送的数据，并对此数据进行处理.它对下位机有绝对的控制权，属于主从结构.

2.2.2 数据传输通道：在上位机中它是单独一个模块，在下位机中它与其他部件共同组成一个模块.它的作用是一方面从主机接收数据，并对数据进行调制并通过天线发射出去，另一方面从天线接收数据，对调制的数据进行解调，还原为原数据形式，提供给计算机或单片机.这过程是双向的，下位机发送数据时，重复上述过程.所以无论是上位机还是下位机数据传输通道的原理是相同的.通过简单的无线方式解决了数据通信问题，是本设计的主要技术内容.

2.2.3 译码器：译码器是在下位机内，信号经过天线接收，数据传输通道的解调到译码器，由于楼房控制中是一点对多点，即一个主控计算机，多个下位机，属主从结构.为了区分多个下位机，赋予每个下位机一个地址.工作时主控机发送一个字节地址，下位机在收到这个字节后与本机原始的、固有的地址进行比较，若发送的地址与本机的地址相符后，验证通过.通过之后启动下一步的数据处理工作.地址码的字节数决定了主控机控制下位机的数量.本装置使用一个字节，最多可控制的下位机数量是256个.其结构如图2所示.

图2 阀门控制结构图

2.2.4 数据中心处理单元：此单元位于下位机内，数据经地址译码之后到单片机，单片机根据用户的指令，做不同的处理功能.它可以采集数据并上传至主控机，也可以完成主控机输出的指令，例如，本设计中单片机输出开关量控制阀门（8个），另外采集阀门“开”量上传至主控机，使在主控机室内，对阀门的状况进行全程监控.由于使用单片机做数据处理，可以记录用户用水时间、用水量、温度等参量.同时用户可以根据需求进行灵活处理、使用.

2.2.5 功能变换：它是下位机的执行机构.单片机输出小的开关信号经功率放大之后，变成大的、驱动能力强的信号，去控制机械执行部分.本设计中采用具有专利性质的电动阀门，即通过使用继电器变换的方式，增加电流强度，达到控制各种口径的电动阀门之目的.

3 数传模块技术在楼房建筑节能中的适应性

3.1 数传模块技术

信息通讯技术是近年来发展迅猛的产业，它集计算机、数字通讯为一体，解决了人们语音通讯、视频通信及远程遥测遥控等诸多问题.随着互联网及无线局域网的深入发展，人们对个性控制产生具体要求，例如，治安防盗，无人值守的数据监测，远程控制等，另外，随着集成电路的制造水平不断提高，原来通信中一些昂贵的、复杂的设备变得简单价格低廉，使个性方案、个性设计得以实现.无线数据传输模块技术可以满足人们对一些近距离的数据传输要求.它的基本原理是：由计算机输出的数据信号直接加433MHZ的调制信号，调制方式FSK制，采用这种方式的优点：一是传输距离远，二是体积小成本低廉设备容易实现，三是传输时抗干扰能力强工作频率稳定可靠.数据信号经调制后，再放大经天线发射出去.其主要原理与普通无线信号一样，但数传模块最显著的特点是功耗极低、外围元件少且便于调试和设计生产.另外，由于传输的是数据信号，经解调后还原为数据，很容易与单片机联接，构成智能化控制系统，数据传输是双向的，即数据处理芯片既接收信号也发射信号.上述过程，由一片集成电路就可以完成数据传输的任务.

3.2 系统通信结构

系统采用异步串行通信方式传输数据，由于一个下位机控制点较多（一般是8个或更多），下位机上传数据时，8组数据不能同时上传，需要对上位机、下位机进行通信协议的设计，这个协议的设计，仅对下位机内输出的开关量进行约定.例如，一个下位机输出8个开关量，每个开关量采集一组数据，这8组数据上传时，采用分时上传循回工作，避免相互间的干扰.一个下位机只有一个地址，当上位机选中这个地址时，只有这个地址下的8个开关工作，其他未被选中的地址，尽管也在工作，但不会上传数据.规定一帧数据包含8个字节，第1、2两个字节是一个相同的地址，目的是在唤醒下位机时可靠地进行寻址，第3—7字节是对应物理量的十六进制值，是实现单片机控制的命令来源，第8字节是CRC校验，对所传输的数据进行过滤，去掉非法跟进的杂波数据.本设计采用8个字节为一帧，也可以采用更多字节为一帧，可由用户根据需要设定.

3.3 与其它通信形式比较

3.3.1 与其它无线通信比较：无线通信是比较有历史的，电报、收音机、电视等都是最早使用的无线信号产品，第一代手机是模拟信号，第二代手机是数字信号，现在已经出现第三代手机通信，即3G信号，它集视频和互联网为一体，功能更加强大.这些通信产品无论采用模拟信号还是数字信号，通信原理复杂，通信距离远，发射接收设备昂贵，成本较高，无法为用户提供物美价廉的技术服务.在近距离通信中，有红外线数据传输（IRDA）,无线局域网802.11h(wi-Fi)，蓝牙（Bluetooth），ZigBee和超宽带无线电（UWD）等，这些技术各有特点和适用范围.

红外线数据传输不受无线电干扰，不需要申请频率，但它是一种视距传输，两个通信设备之间必须对准，中间不能有障碍物.

无线局域网802.11b技术和蓝牙技术是一种基于电磁波传输的无线通信技术，使用2.4GHz，ISM频段，该通讯方式具有速率高的优点，但通信距离仅在几百米内.

ZigBee技术基于IEEE802.15.4标准，工作在2.4GHzISM公共频段，数据传输速率10kb/s—250kb/s，有效覆盖范围是10m—25m.

上述数据传输技术，其传输速率完全满足要求，但它们最大缺点是传输距离近，不能满足地域广、面积大的要求.

超宽带无线电（UWD）是近几年来发展迅猛的新型通信方式，它是基于冲激脉冲自身的宽频谱特性，通过对具有特殊波形的冲激脉冲进行调制，获得载有信息、符合频带要求的无线电信号，这种超宽带无线电直接发射脉冲，短距离内不需要中频和射频电路，使发射、接收的硬件成本大大降低，但这项技术目前处于研制阶段，是今后发展方向.

本文使用的无线数传模块原理与上述传输方式一样，但传输频率是433MHz，为提高灵敏度，加大了发射功率，使传输距离从几十米到几千米不等.主要通信原理是对由计算机输出的数字信号进行混频调制，经功率放大通过天线发射出去.接收则采用超外差式，每一个发射和接收器都有单片机控制传输方向.把复杂的数据处理交给计算机和下位机（单片机）来完成，使中间的数据传输设备变得简单，成本低廉，易于大众化推广使用.适用范围例如视频监控、远程控制、小区防盗、数据采集等.

3.3.2 与有线传输相比较：目前在数据有线传输中使用比较成熟的技术是RS-485总线技术，它的优点是技术成熟、价格低廉，但它有一个致命的缺点，即某一个点出现故障，会造成整个系统内瘫痪，且维护比较困难.除RS-485总线之外还有CAN总线技术，CAN总线技术是近年来发展迅速的数据传输技术.它是多主结构，点与点之间地位平等，相互通信，一个点有故障，不影响其他点的工作，技术先进，抗干扰能力强，传输速度快.但对于楼房内各房间，阀门与阀门之间不需要相互通信，他们之间相互独立，且下位机只对主控机负责，需要传输的数据量较少.若采用CAN总线技术，无疑会增加许多成本，另外，在楼房建筑中，用户密度大拐点多增加了布线的难度，加大了成本.无线传输省去了布线的麻烦，另外，

无线控制可以随时增加下位机数，其成本远低于有线控制.

通过对比，无线数传模块技术无论是技术含量、价格成本等方面是适合我国目前楼房控制技术水平的.

4 软、硬件的实现

由于数传模块只提供数据传输的通道，它的一切软件编制都在计算机内完成，生产硬件的厂家为用户提供详细的接口地址、传输帧的字节数、传输速率、发射功率、传输距离等详细资料，硬件电路的外围电路简单，不需要复杂的调试，而且硬件种类繁多，用户可以根据需要选则适合的集成电路.由于厂家提供了接口地址，用户可以方便的根据需要编制各种软件.

5 数传模块的优点

5.1 硬件成本低廉，调试简单,由于没有复杂的视频和音频信号处理电路，使其硬件成本大大降低，另外，供货厂家多，货源充足.

5.2 功耗低，下位机的工作状态一般有三种，即工作状态、待机状态、睡眠状态，工作时通电，不工作时断电，即使处于通电状态，仅是阀门开启和关闭时，耗电较大，其余绝大部分时间处于待机状态.以XE1203无线收发集成电路为例，发射电流62mA,待机电流为1.1mA，待机时间就是应用时间，发射时间在ms范围内.

5.3 传输信号稳定，很少出现错误.每一次传输数据时都有一个字节的校正码进行纠错校正.

5.4 选择传输频率是433MHZ左右，无需向无线电委员会申请频段.

5.5 下位机采用单片机，其数据处理能力强，智能化程度高，不但输出开关量，可以采集诸如温度、湿度等数据量上传至主控机，实施各种形式的远程控制.

5.6 每一组发射到接收构成一个相对独立的系统，相邻的发射系统采用不同的传输信道，避免了相互干扰.