ZigBee技术的中央空调冷量计量计费系统设计

刘国文 刘军德

(嘉兴南洋职业技术学院机电工程系1，浙江 嘉兴 314003;特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室(浙江工业大学)2，浙江 杭州 310032)

0 引言

随着经济的不断发展，中央空调在商业性大楼、民用住宅中已被广泛采用，收费方式基本上沿用暖气系统的按面积平摊计费方式。这种计费方式由于是按面积分摊，用户交费均为定值，与使用情况无关，以致于敞开门窗用空调等各种恶性消费现象随处可见。这对许多用户来说是一种不公平的计费方式，且不利于引导用户树立节约能源的消费观念［1］。

以ZigBee为代表的无线通信技术，凭借其低成本、低功耗、高安全性等特点，已在家庭自动化和建筑自动化行业得到了大量的应用，避免了因大量布线而带来的数据线纷繁杂乱、检修不便等问题［2］。

针对上述现象，本文结合ZigBee无线通信技术，提出了一种基于ZigBee技术的中央空调新型无线计量计费系统。该系统对现有中央空调系统温控器进行改进;在无需重新布线的情况下，系统以无线自组网方式，对各用户冷量使用情况进行智能远程监控与统计。

1 计量原理

目前，比较实用的中央空调分户计量的计量方式主要有以下两种:能量型计费方式和时间型能量计费方式［3－4］。时间型能量计费方式根据电动温控阀状态检测，记录风机盘管各档位运行时间，然后根据总管上的总能耗来大致计算风机盘管散发的能量。时间型能量计费的计量结果虽不如能量型计费准确，但其计量方式简单、初投资少、计量器故障率低，基本能满足用户分户计量的要求。因此，本文选用时间型能量计量方式。其计量原理如下［5］。

对以风机盘管为末端的中央空调系统而言，风机都具有高、中、低三档风速调节功能，影响末端设备与室内热交换的主要因素是对流。因此，集中空调系统中的冷量可用式(1)计算:

式中:Q为冷量，kJ;c为比热容，kJ/(kg·K);ML为流入风机盘管的冷水的质量流量，kg/s;ΔtH、ΔtM、ΔtL分别为风机盘管在高、中、低三个风速档位下回水温度与进水温度的温度差，K;dτ为风机盘管在各风速档位下的运行时间间隔，s。

实际运行过程中，集中空调水系统中设有进、出水管道压差检测仪，并据此来调节旁通阀，保证冷水进、出水管的压差恒定。由于供水管内的压力相对稳定，因此冷水的流速基本稳定，流速的变化近似可以忽略，也就是说冷水的质量流量ML为一常数。

在同一楼层中供水温度基本一致，而回水温度是风机盘管风速的函数，风速越大，温差Δt也越大。

令 Δt=t2－t1，可得 Δt∝v(v为风速，m/s)。设 α为温差与风速的比例系数，则有Δt=αv。

对具有高、中、低三个风速档位的风机盘管，对应三个风速有:

对每个风机盘管来说，高、中、低档风速都是相对恒定的，即vH、vM、vL恒定;且每个风速档位下的制冷能力都是一定的(可在风机盘管的技术参数中查到)，而影响末端设备与室内换热的主要因素是对流。因此，高、中、低档风速下温差与风速的比例系数也是基本恒定的，即αH、αM、αL基本恒定。所以式(1)可简化为:

由式(3)可以得出，各常量值可通过实际使用情况测出，故对于集中空调的每个风机盘管送出的冷量，可以利用不同风速下两通阀开启时间的累积值作为计算其冷量的依据。因此，实时无误地记录在不同风速下两通阀开启的时间，成为整个计量计费系统的关键。

2 系统构成

采用ZigBee技术构建的中央空调无线冷量计费系统框图如图1所示。

图1 计费系统框图Fig.1 Block diagram of consumption billing system

整个系统由前端数据采集部分(智能温控器)和处理传送部分(ZigBee协调器)以及末端的数据接收处理部分(上位机)组成无线通信结构网络。其中智能温控器是一个集成了ZigBee模块的智能终端设备，它既可以作为传统的温控器对房间温度进行监控，也可以作为全功能设备(full function device，FFD)节点存在于ZigBee网络中，各个FFD节点之间可以相互通信，也可以与协调器通信。协调器负责整个网络的组建和路由，并将接收到的各房间智能温控器运行状态数据传送到上位机PC端进行处理，再集中录入到管理信息系统(management information system，MIS)中。

3 硬件设计

3.1 智能温控器硬件设计

智能温控器硬件结构框图如图2所示。

图2 智能温控器硬件结构框图Fig.2 Hardware structure of intelligent temperature controller

图2中的CC2530模块为系统核心处理部件。该模块采用德州仪器公司的ZigBee射频芯片CC2530-F256，片上集成高性能低功耗8051内核、128 bit ADC、2个UART以及强大的DMA功能等;提供访问CC2530-F256全部数字和模拟接口的能力，包括ADC、DAC、比较器、定时器、UART、串行口和GPIO。

同时，该芯片还集成了数字温度传感器，可直接用于对环境温度的检测，从而不必增加额外的电路去实现低功耗无线系统所需要的功能。CC2530模块基于ZigBee/IEEE802.15.4 协议进行通信，其工作频段为 2.4 GHz、发送功率为100 mW，通信距离大于1000 m。

CC2530芯片读入按键和无线传送来的设定值，以定时中断的方式对室温、电动阀通断状态、继电器工作状态进行数据采集。同时，根据实际室温与设定室温的比较值，控制电动阀的通断及风机盘管风速档位的高低，以达到控制室温和节能的目的。

3.2 ZigBee协调器硬件设计

ZigBee协调器的硬件结构框图如图3所示，其核心处理部件也为CC2530模块。与智能温控器不同，ZigBee协调器仅保留了按键接口，同时扩展了RS-232接口。按键接口便于ZigBee组网时调试，RS-232接口则用来与上位机进行通信。

图3 ZigBee协调器硬件结构框图Fig.3 Hardware structure of ZigBee coordinator

4 软件实现

软件开发环境是在IAR公司的Embedded Workbench5.3上完成的。软件流程图如图4所示。

图4 软件流程图Fig.4 Flowchart of the software

软件设计包括三个部分:ZigBee协调器无线网关、智能温控器节点和上位机数据管理系统。ZigBee协调器无线网关负责ZigBee网络的组成、通信链路及路由的建立和数据包的协议转换等［6－8］。智能温控器充当ZigBee路由器，负责采集、处理和发送温度、电通阀通断状态、风机盘管风速状态等数据，同时转发其他智能温控器的数据［9－10］。

上位机数据管理系统以VB6.0为平台，通过其丰富的内置控件，结合Widows环境下的MSComm控件，可简单、方便地实现与ZigBee协调器通信;同时实时接收、显示各智能温控器传送来的温度、电通阀通断状态、风机盘管风速状态等数据，并存入数据库;可随时从数据库中按时间查找数据、绘制图形，并计算出用户冷量使用情况及费用。

5 结束语

本文通过对当前中央空调系统的计量原理的探讨，提出了基于ZigBee技术的中央空调新型无线冷量计费系统方案。

该方案以低成本、低功耗无线单片机CC2530为智能温控器核心，对各用户房间的当前温度、电通阀通断状态、风机盘管风速状态等数据进行采集，电路结构简单，工作稳定、可靠，且具有无线数据通信灵活、方便，上位机实时数据管理等特点，对解决当前中央空调系统冷量无法满足按量计费的需求，具有一定的应用价值。

［1］赵迪虎.浅谈中央空调计费系统的应用［C］//全国暖通空调制冷，2008年学术年会论文集，2008.

［2］刘映辉，樊晓平，张纯和，等.基于ZigBee技术的无线数据采集系统设计［J］.工业控制计算机，2008，21(8):5 －7.

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［4］孟功乔.基于单片机控制的中央空调分户计费系统［J］.工程质量，2004(10):33－35.

［5］杨世忠，邢丽娟.中央空调计费的设计方法［J］.自动化仪表，2007，28(1):67 －70.

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［7］孙利民.无线传感器网络［M］.北京:清华大学出版社，2005.

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［9］王瑛，孙晖.基于ZigBee PRO协议的无线中央空调计费系统［J］.机电工程，2011(12):1527 －1530.

［10］Tendeschi M，Liscidini A，Castello R.Low-power quadrature receivers for ZigBee(IEEE 802.15.4)applications［J］.IEEE Journal of Solid State Circuits，2010，45(9):1710 －1719.