基于物联网的空调集中控制方法的分析及实现
2014-08-08陈兵胡雯
陈兵+胡雯
收稿日期：2013-05-27
作者简介：陈 兵（1962—），男，湖北武汉人，副教授，硕士，研究方向：计算机应用。
文章编号：1003-6199(2014)02-0077-04
摘 要：以物联网传感器技术为基础，结合计算机信息管理系统，根据被控温度场的特点，设计并实现集群温度远程实时控制系统，实现动态温度采集，生成最优控制方案，最后通过物流网达到系统的实时控制。
关键词：物联网;WEB;数据库
中图分类号：TP3文献标识码：A
The Analysis and Design of the Air Conditioning Control Based on the Internet ofThings
CHEN Bing,WENHu
(School of Information, Wuchang University of Technology, Wuhan,Hubei 430223，China)
Abstract:Based on the Zigbee Sensor technology, this article has combined the computer information management system with the characteristics of the controlled temperature field to design a Cluster temperature remote realtime control system. This control system is able to provide the optimal management strategy through instant temperature collection. Hence, it effectively leads to a real-time control of the system via the Zigbee technology.
Key words:the Internet of things;WEB;database
1 引 言
空调智能管理系统一般需要布设现场总线，然后将现场设备连接到一台电脑进行数据处理，而如果需要实现跨地区的远程管理，更是需要在互联网上架设一台专门的服务器，这样，不仅需要投入服务器等网络设备以及开发相应的服务软件，系统的维护除现场级设备和总线链路外还需要IT部门的管理员协助维护服务器设备。因此，将物联网技术引入到远程空调智能管理系统中来，底层运用无线传感网络连接现场传感器及设备，上层使用互联网技术服务，消除现场级布线的烦恼，可以消除网络硬件的投入及日常的IT维护，同时可以轻松实现基于WEB服务的远程管理
2 传统空调控制的主要方法
以往我国的空调集中控制系统主要采用以单片机为控制核心的单机组控制器，即一个控制器只能控制一台空调机组，这种控制方法控制简单，但是在多层或者较大型的建筑中控制能力就显得力不从心了。
近年来也出现了采用ARM处理器作为控制芯片的集中控制器，基于ARM的空调网络集中控制器能够大大提高空调的使用效率，节约了能源，并且能够显着提高空调控制人员的工作效率，这一般运用于预先设计好的场所，对于临时性的大型场所，不能实现快速组网从而实现集中控制。多年以来，我国公共建筑的空调管理比较粗放，空调温度设置不尽合理，由于温度设置的随意性，及人走后未能及时断电，导致造成能源资源的极大浪费。严重增加了环境压力，同时浪费了用户的大量资金成本投入。
3 基于物联网的空调集中控制方法
基于物联网的空调集中控制方法的分析及实现，主要加入了物联网技术和基于Zigbee的无线传输技术［1］。Zigbee是遵循IEEE 802.15.4通讯协议，是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。
系统模型建立
本文根据武昌理工学院大学生活动中心空调实际控制系统加以说明，针对项目对象得到的参数(每台空调所设置的温度Ti，时间t，以及功率W)，利用CAD制图软件和ANSYS模拟仿真软件，对系统的各个参数进行模拟设置［2］。
1) 导入实体被控对象的实体模型
根据实际工程数据，利用CAD软件画出其三维图，导出成 .sat 格式 和.dwg格式。打开ANSYS的workbench 导入.sat三维图，对图形中的每一个部分进行属性设置。
2)导出相应的温度场温度数据
计算技术与自动化2014年6月
第33卷第2期陈 兵等：基于物联网的空调集中控制方法的分析及实现
常规空调系统气流组织的设计是以送风射流为基础，通过反复迭代对温度和速度进行校核，最后找到合理的送风方案和参数，通过ANSYS软件绘制温度场的模型，导出相应的温度场温度数据。
3)确定控制目标
在本系统的控制中，提供三种模式供操作人员选择：
最经济模式:在达到预设的温度条件下，消耗最少的电能。从而达到节能环保的效果。
最快模式:以达到预设温度为目的的条件下，耗时最短的一种调节模式，从而达到及时制冷的目的和效果。
最舒适模式：按照人体体验最舒适的自然风和温度，对制定区域进行温度控制。
根据用户选择控制模式，按照系统软件的参数需求，用VC调用ANSYS后台数据，在显示运行状态图的同时，计算得出各个空调的控制信息。
4 系统的结构
系统以易被接受、实用为目标，其主要技术指标包括先进性、方便性、实用性、准确性、实时性、安全性、适应性等方面。项目将采用单片机控制、中间件、接口、工作流引擎等多种技术，解决现场数据采集、下位机与上位机多点对一点数据通信、系统资源充分利用、数据畅通流转、信息整合、不同网络访问等问题［3］。
整个系统将从基础设备和应用软件层进行构建。
基础设备层包括：单片机、cc2430、18b20温度传感器、温度采集辅助软件、接口技术辅助软件ZigBee、windows操作系统、电脑硬件、网络、防火墙等；应用软件层包括：数据库支持层、后台数据处理、用户界面交互层［4］，如图1所示。
图1 系统结构图
4.1 网络拓扑结构
本IACIMSBIOT系统共由三个应用程序组成，分别是无线发送接收程序，温度数据记录程序，web服务端程序,其结构图如图2所示。4.2 无线发送接收程序
无线发送程序是由C语言所编写，在单片机上接有仿真器和ds18b20温度传感器，利用zigbee协议将写好的程序写入cc2430射频单片机，那么，在通电的情况下，该部分会自动读取温度传感器采集的数据，并通过cc2430自带的无线发射功能，定时发送所采集到得数据。而无线接收端和控制端可以在直径100m的范围内，接收到无线发送端发送来的温度数据，无线接收端和发送端的程序代码基本相同，硬件连接也差不多。只是本系统的是多点对一点的温度采集控制系统，即采集数据的发送端有多个，而数据的接收端只有一个，每个发送端都有标识符，所以在接收端能很方便的加以区别［5］，如图3所示。
图2 网络拓扑图
图3 无线发送接收程序流程图
4.3 温度数据记录程序
温度数据记录程序的设计考虑了很多因素，比如传输效率等问题，本温度数据记录程序是由VB语言编写，将数据接收端的cc2430通过串口与pc机连接，pc机上的温度数据记录程序检测串口并同步接收由无线发送端发送来的数据，所接收的数据都是有13byte的字节数据，通过数据中的第5、6字节区别各发送端，并通过第10、11字节读取解析温度数据，与此同时，此温度数据记录程序将所检测到得数据写入服务器所在的MySQL数据库，如图4所示。
图4 温度数据记录程序流程图
4.4 Web服务端程序
系统与用户交互的WEB服务端程序，该程序是由PHP编写，整个程序采用TinkPHP框架，面向对象的开发结构和MVC模式，因而整个服务端程序符合高类聚低耦合的要求，程序可拓展性和可维护性很强，业务逻辑清晰，用户可在在家电脑浏览器上，通过IP地址访问服务端程序，服务端能灵活的辨别不同级别的用户，并且返回相对应的用户界面［6］。本程序还提供了简单又好的图形化界面管理，屏蔽繁杂的控制部分，将业务流程直白的通过图形交互控制，简单的表现出来。本程序提供了三套科学的控制方案，经过后台算法的分析计算，呈献给用户的是直观的终极温度控制方案报表，如图5所示。
图5web服务端程序用户登录和
各模块间切换流程图
5 结 论
1) 具有可靠的运行环境，确保安全工作
对于将空调的温度可以有效的控制在25℃左右，保证不会因为使用环境温度高，造成电子元器件的损坏和故障机会增加；房间的温度控制在25℃~28℃之间，因为与外界的温差相对减少更有效地减少冷量损失。
2) 合理控制空调的温度，节约了能源，达到节能的目的
系统突破了传统空调控制系统的控制方式（单一的一台空调设置温度，不能实时控制房间的温度），实现最佳输出能量控制，即空调主机温度实时在计算机显示器上显示，自动同步温度的变化，因此，在空调系统的任何负荷状况（满负荷或部分负荷）下，都能既保障空调的服务质量（舒适性），又实现最大的节能。
3) 具有实时监控的智能控制
房间的环境温度的实时监控，可以的及时发现空调系统故障，迅速处理，通过记录分析系统的运行规律，提前检修预防。因此系统采用了物联网技术，使系统具有快速、实时的监控功能，实现了空调系统在各种负荷条件下的最大节能。
4) 优化多台空调主机运行的环境
系统全面采集空调的在一定温度下运行参量，再利用物联网技术，对这些相互关联、相互影响的运行参量进行动态优化处理，以满足空调系统非线性和时变性的要求， 使空调主机始终运行在最佳工况，以保持最高的热转换效率，从而减少主机的能耗 5%-10%。
参考文献
［1］ 张莉.ZigBee技术在物联网中的应用［J］.电信网技术, 2010(3): 1-5.
［2］ RICQUEBOURG V,MENGAD,DURAND D. The Smart Home Concept: Our Immediate Future［C］//Proc. of 2006 1ST IEEE International Conference on E-learning in Industrial Electronics. ［S. 1.］: IEEE Press, 2006.
［3］ ZIGBEE ALLIANCE.Zigbeespecification 2008［EB/OL］. ［2008-01-27］. http://www.Zigbee.org.
［4］ 杨倩. 物联网关键技术及应用［J］.电信科学, 2010,(S1): 139-142.
［5］ 黄晓亮, 徐晓辉,宋军华，等. 智能家居系统中无线传感器网络的设计［J］. 电子设计工程, 2011, 19(4): 35-37.
［6］ 徐敬东, 赵文耀,李淼，等. 基于Zigbee 的无线传感器网络设计［J］. 计算机工程, 2010, 36(10): 110-112.
图2 网络拓扑图
图3 无线发送接收程序流程图
4.3 温度数据记录程序
温度数据记录程序的设计考虑了很多因素，比如传输效率等问题，本温度数据记录程序是由VB语言编写，将数据接收端的cc2430通过串口与pc机连接，pc机上的温度数据记录程序检测串口并同步接收由无线发送端发送来的数据，所接收的数据都是有13byte的字节数据，通过数据中的第5、6字节区别各发送端，并通过第10、11字节读取解析温度数据，与此同时，此温度数据记录程序将所检测到得数据写入服务器所在的MySQL数据库，如图4所示。
图4 温度数据记录程序流程图
4.4 Web服务端程序
系统与用户交互的WEB服务端程序，该程序是由PHP编写，整个程序采用TinkPHP框架，面向对象的开发结构和MVC模式，因而整个服务端程序符合高类聚低耦合的要求，程序可拓展性和可维护性很强，业务逻辑清晰，用户可在在家电脑浏览器上，通过IP地址访问服务端程序，服务端能灵活的辨别不同级别的用户，并且返回相对应的用户界面［6］。本程序还提供了简单又好的图形化界面管理，屏蔽繁杂的控制部分，将业务流程直白的通过图形交互控制，简单的表现出来。本程序提供了三套科学的控制方案，经过后台算法的分析计算，呈献给用户的是直观的终极温度控制方案报表，如图5所示。
图5web服务端程序用户登录和
各模块间切换流程图
5 结 论
1) 具有可靠的运行环境，确保安全工作
对于将空调的温度可以有效的控制在25℃左右，保证不会因为使用环境温度高，造成电子元器件的损坏和故障机会增加；房间的温度控制在25℃~28℃之间，因为与外界的温差相对减少更有效地减少冷量损失。
2) 合理控制空调的温度，节约了能源，达到节能的目的
系统突破了传统空调控制系统的控制方式（单一的一台空调设置温度，不能实时控制房间的温度），实现最佳输出能量控制，即空调主机温度实时在计算机显示器上显示，自动同步温度的变化，因此，在空调系统的任何负荷状况（满负荷或部分负荷）下，都能既保障空调的服务质量（舒适性），又实现最大的节能。
3) 具有实时监控的智能控制
房间的环境温度的实时监控，可以的及时发现空调系统故障，迅速处理，通过记录分析系统的运行规律，提前检修预防。因此系统采用了物联网技术，使系统具有快速、实时的监控功能，实现了空调系统在各种负荷条件下的最大节能。
4) 优化多台空调主机运行的环境
系统全面采集空调的在一定温度下运行参量，再利用物联网技术，对这些相互关联、相互影响的运行参量进行动态优化处理，以满足空调系统非线性和时变性的要求， 使空调主机始终运行在最佳工况，以保持最高的热转换效率，从而减少主机的能耗 5%-10%。
参考文献
［1］ 张莉.ZigBee技术在物联网中的应用［J］.电信网技术, 2010(3): 1-5.
［2］ RICQUEBOURG V,MENGAD,DURAND D. The Smart Home Concept: Our Immediate Future［C］//Proc. of 2006 1ST IEEE International Conference on E-learning in Industrial Electronics. ［S. 1.］: IEEE Press, 2006.
［3］ ZIGBEE ALLIANCE.Zigbeespecification 2008［EB/OL］. ［2008-01-27］. http://www.Zigbee.org.
［4］ 杨倩. 物联网关键技术及应用［J］.电信科学, 2010,(S1): 139-142.
［5］ 黄晓亮, 徐晓辉,宋军华，等. 智能家居系统中无线传感器网络的设计［J］. 电子设计工程, 2011, 19(4): 35-37.
［6］ 徐敬东, 赵文耀,李淼，等. 基于Zigbee 的无线传感器网络设计［J］. 计算机工程, 2010, 36(10): 110-112.
图2 网络拓扑图
图3 无线发送接收程序流程图
4.3 温度数据记录程序
温度数据记录程序的设计考虑了很多因素，比如传输效率等问题，本温度数据记录程序是由VB语言编写，将数据接收端的cc2430通过串口与pc机连接，pc机上的温度数据记录程序检测串口并同步接收由无线发送端发送来的数据，所接收的数据都是有13byte的字节数据，通过数据中的第5、6字节区别各发送端，并通过第10、11字节读取解析温度数据，与此同时，此温度数据记录程序将所检测到得数据写入服务器所在的MySQL数据库，如图4所示。
图4 温度数据记录程序流程图
4.4 Web服务端程序
系统与用户交互的WEB服务端程序，该程序是由PHP编写，整个程序采用TinkPHP框架，面向对象的开发结构和MVC模式，因而整个服务端程序符合高类聚低耦合的要求，程序可拓展性和可维护性很强，业务逻辑清晰，用户可在在家电脑浏览器上，通过IP地址访问服务端程序，服务端能灵活的辨别不同级别的用户，并且返回相对应的用户界面［6］。本程序还提供了简单又好的图形化界面管理，屏蔽繁杂的控制部分，将业务流程直白的通过图形交互控制，简单的表现出来。本程序提供了三套科学的控制方案，经过后台算法的分析计算，呈献给用户的是直观的终极温度控制方案报表，如图5所示。
图5web服务端程序用户登录和
各模块间切换流程图
5 结 论
1) 具有可靠的运行环境，确保安全工作
对于将空调的温度可以有效的控制在25℃左右，保证不会因为使用环境温度高，造成电子元器件的损坏和故障机会增加；房间的温度控制在25℃~28℃之间，因为与外界的温差相对减少更有效地减少冷量损失。
2) 合理控制空调的温度，节约了能源，达到节能的目的
系统突破了传统空调控制系统的控制方式（单一的一台空调设置温度，不能实时控制房间的温度），实现最佳输出能量控制，即空调主机温度实时在计算机显示器上显示，自动同步温度的变化，因此，在空调系统的任何负荷状况（满负荷或部分负荷）下，都能既保障空调的服务质量（舒适性），又实现最大的节能。
3) 具有实时监控的智能控制
房间的环境温度的实时监控，可以的及时发现空调系统故障，迅速处理，通过记录分析系统的运行规律，提前检修预防。因此系统采用了物联网技术，使系统具有快速、实时的监控功能，实现了空调系统在各种负荷条件下的最大节能。
4) 优化多台空调主机运行的环境
系统全面采集空调的在一定温度下运行参量，再利用物联网技术，对这些相互关联、相互影响的运行参量进行动态优化处理，以满足空调系统非线性和时变性的要求， 使空调主机始终运行在最佳工况，以保持最高的热转换效率，从而减少主机的能耗 5%-10%。
参考文献
［1］ 张莉.ZigBee技术在物联网中的应用［J］.电信网技术, 2010(3): 1-5.
［2］ RICQUEBOURG V,MENGAD,DURAND D. The Smart Home Concept: Our Immediate Future［C］//Proc. of 2006 1ST IEEE International Conference on E-learning in Industrial Electronics. ［S. 1.］: IEEE Press, 2006.
［3］ ZIGBEE ALLIANCE.Zigbeespecification 2008［EB/OL］. ［2008-01-27］. http://www.Zigbee.org.
［4］ 杨倩. 物联网关键技术及应用［J］.电信科学, 2010,(S1): 139-142.
［5］ 黄晓亮, 徐晓辉,宋军华，等. 智能家居系统中无线传感器网络的设计［J］. 电子设计工程, 2011, 19(4): 35-37.
［6］ 徐敬东, 赵文耀,李淼，等. 基于Zigbee 的无线传感器网络设计［J］. 计算机工程, 2010, 36(10): 110-112.
