家居新风系统控制器的设计与实现

陈志桢,董建怀

(福建江夏学院电子信息科学学院，福建 福州 350108)



家居新风系统控制器的设计与实现

陈志桢,董建怀

(福建江夏学院电子信息科学学院，福建 福州 350108)

为使新风系统与空调协调工作，设计了由主控制器、空调控制单元、空调状态检测单元以及室外温度采集节点等模块组成的新风系统控制器.该控制器各模块间利用Zigbee技术进行通信，控制器通过对室外当前温度与预设的房间期望温度的比较，以±1 ℃温控的方法平滑控制空调的启闭以及智能地控制新风的引入.实验表明：该控制器功耗低、可靠性高、成本低、使用方便，可在智能家居领域推广使用.

智能家居；控制器；新风系统；Zigbee技术

随着空调应用的普及，人们长时间处于封闭空调房中容易引发下呼吸道、大脑神经失衡等疾病，采用新风系统[1]来提高家居空气质量将成为一种趋势.近年来，有不少关于新风系统的研究成果，如刘小斌等[2]设计了一种集通风与控制为一体的智能环保新风系统用于降低基站空调能耗；向宏[3]提出使用BIN法计算新风负荷量，减少新风负荷，降低空调能耗.同时，一些研究者将模糊控制理论和自适应模糊神经网络控制引用到新风系统[4-5]，但迄今为止，在新风系统控制器中引入无线网络通信技术还比较少见.另外，当前研究的新风系统控制器主要存在以下两个问题：一是控制器大多仅局限于控制新风的启闭，没有结合当前环境温度实现新风与空调的联动控制，更没有对空调的启闭进行平滑控制[6]；二是控制器电路复杂，价格昂贵，安装不便，难以在一般家庭普及应用[7].针对上述问题，本文设计了一种基于Zigbee技术的新风系统控制器，通过实时采集室外环境温度与房间预置温度，智能、协调地控制各房间空调与新风的启闭，达到提高室内空气质量，节约能耗的目的.

1　系统结构

新风系统是一套完整的空气处理系统，由控制器，新风机组、多层净化过滤系统和能量交换系统组成.按送风方式可分为单向流新风系统、双向流新风系统和地送风系统.本文以双向流新风系统为例进行设计，文中不讨论多层净化过滤系统与能量交换系统的采集与反馈电路，主要研究新风系统控制器的设计.新风系统控制示意图如图1所示.新风系统控制器由主控制器、空调控制单元、空调状态检测单元和室外温度采集节点等模块组成，各模块间通过Zigbee技术通信.主控制器上包含的CC2530片上系统作为Zigbee网络的协调器，室外温度采集节点上的CC2530片上系统作为网络的终端，其他模块上所包含的的CC2530片上系统充当网络的路由器.

图1中，主控制器负责协调各模块工作，控制新风机组的运行，实行人机交互等，其结构示意图如图2.空调控制单元负责采集当前房间的温度，控制该房间空调的运行；空调状态检测单元负责检测空调的状态；室外温度采集节点主要实现对室外温度的实时采集.

当主控制器对某一空调控制单元发出控制空调的命令时，该空调控制单元使用红外遥控器控制空调动作，同时向主控制器反馈当前房间的温度信息，空调状态检测单元向主控制器反馈空调状态，构成闭环回路控制.同时为保证系统的可靠性，设定在控制开始5 min后,室内温度无明显变化趋势且该房间温度仍未达到所设定温度±1 ℃范围内，即为控制不成功，在主控制器的人机交互模块上发出警报.

2　硬件设计

2.1空调控制单元设计

空调控制单元由CC2530片上系统、电源模块、红外遥控器和DS18B20温度传感器[8]组成.电源模块采用芯源半导体公司生产的AC-DC原边反馈芯片MP020-5GS.它内部集成一个700 V的金属-氧化物半导体场效应晶体管，具有过电压、开路和过流保护，空载功率小于30 mW.MP020-5GS的原边反馈使得电源方案简单，节省了成本和PCB布局空间.220 V交流电经电源模块后直接转换成3.3 V的直流电供CC2530片上系统、红外遥控器和DS18B20温度传感器使用.DS18B20温度测量范围为-55～125 ℃，精度为±0.5 ℃，最大工作电流为3 mA，静态电流为3 μA，可满足系统需求.

2.2空调状态检测电路设计

为使空调控制单元准确地对空调发出控制命令，必须判断空调当前的运行状态.空调状态检测由电压跟随器、比较电路和单稳态电路组成，如图3所示.信号采集使用交流互感器完成，交流互感器两端接1 kΩ取样电阻.

从取样电阻接入的信号经电压跟随器和比较电路接入单稳态电路，单稳态触发器只固定维持外围电阻电容给定的一段时间就恢复触发前状态.74HC123外围所接的电阻为1 kΩ，电容22 μF，输出的脉冲宽度Wp=R×C，计算可得脉冲宽度为22 ms.信号频率为50 Hz，每个信号周期内低电平最长持续时间不超过20 ms，可做到B端有连续正脉冲输入时，Q端一直保持高电平，为系统判断空调状态提供准确的信号.

2.3无线传输模块设计

CC2530与天线之间连接有巴伦电路、隔直电容和一个π型电路.CC2530是以差分的形式输出，所以需要加巴伦电路以实现平衡—非平衡转换，功率发射模块电路原理图如图4所示.图4中，L1，C8，L3和C12构成巴伦电路.巴伦电路的设计应考虑外界因素造成的影响.在PCB板的设计过程中，一个过孔的寄生电感、电容值计算公式如下：

L=5.08h(ln(4h/d)+1)，

(1)

C=1.41ErTD1/(D2-D1).

(2)

设计中,PCB板过孔长度为h=2.00 mm，钻孔直径d=0.20 mm，代入式(1)可得一个过孔的寄生电感值：L=1 nH.PCB板过孔在地层上的阻焊区域直径D2=0.81 mm，PCB过孔焊盘的直径D1=0.41 mm，板厚T=1.26 mm，使用FR-4板基材，介电常数值Er取4.5.代入式(2)可得一个过孔寄生电容值：C=0.78 pF.因外界因素的影响，巴伦电路的电感、电容实际取值为2.2 nH和1 pF.节点天线采用倒F天线[9]，如图4所示.

2.4温度采集节点电源设计

室外温度采集节点电源采用升压型DC-DC芯片PT1301，该芯片启动电压为0.8 V，转换效率90%以上，图5为输出电压+3.3 V、电流100 mA时 PT1301的工作原理图.该节点每隔15 s进行一次温度采集并将温度数据发送至协调器，其中DS18B20以9位分辨率进行一次温度采集最长时间不超过100 ms， CPU工作电流8.9 mA.CC2530以2.81 mW的功率发送温度数据，工作时间15 ms，最大工作电流37.5 mA.A/D转换时间短，工作电流小，该功耗忽略不计.其余时间CC2530以电源模式1进行睡眠定时，计算可得该节点一天消耗的总电量为7.53 mA·h.一节普通五号碱性电池电量为2 000 mA·h左右，同时使用两节普通五号碱性电池即可保证该节点正常工作时间达到1 a以上.

3　软件设计

3.1空调平滑控制

为防止控制空调时出现乒乓效应，避免短时间内频繁启动和关断空调而影响空调压缩机寿命，设计中采用温控±1 ℃的方法对空调的运转进行平滑控制，如图6(a)所示，起始室内温度为27 ℃，室外温度28 ℃，假设用户将室内的温度设定为25 ℃.在a点时系统控制空调打开，设定空调工作温度为24 ℃，同时新风系统关闭.直至b点，室内温度达到24 ℃时，关闭空调，打开新风系统.至c点时，打开空调，关闭新风系统.d点与c点动作相反.图6(b)中，e和f两点与图(a)中的a，b两点操作相同，g点时打开空调进行制热，直至h点室外温度达到25 ℃时，关闭空调，打开新风系统进行工作.始终将室内温度控制在用户所设定温度的±1 ℃范围内，同时确保空调运转的平滑性.

3.2通信及控制流程

本设计采用树型Zigbee拓扑结构[10].协调器负责整个网络的组建，对加入网络的节点进行判别，以及负责通信链路及路由的建立、数据包协议转换等.路由器可以转发数据，起到路由的作用，也可以收发数据.终端只发送数据，不接收数据.当系统完成初始化，协调器开始组建Zigbee网络，当网络组建成功后各模块进行信息采集并将数据发送至协调器，协调器通过串口将数据传送至MCU.当用户完成对系统各项参数的设置后，协调器将控制命令发送至各模块，系统开始运行.程序流程图如图7所示.室外温度采集节点以15 s/次的频率向协调器发送温度数据，同时监测电源电池的电压，当1节碱性电池的电压低于1 V时，认为电池的电量基本消耗完毕，向协调器发送警报，程序流程图如图8所示.

4　性能测试

4.1模块RF性能测试

Zigbee的工作频段为2.4 GHz，容易受到蓝牙与其它Zigbee网络的干扰，为得到准确、真实、有效的测试数据，测试时将Zigbee模块放置在屏蔽箱中，断开天线部分，将巴伦电路的输出连接到IQxel测试仪.在确保模块中CC2530输出功率为2.81 mW的前提下，设置不同的工作频率，测试各模块的发射功率(经巴伦电路后的功率)和接收灵敏度，测试结果如表1所示.表1中各模块数据的差异主要与巴伦电路的制作和PCB布线有关.

表1　Zigbee发射功率与接收灵敏度测试表

自由空间下电波传播损耗计算公式[11]

Los=32.44+20lgd+20lgf .

(3)

式(3)中：d为传输距离；f为工作频率；传播损耗Los=发射功率-接收灵敏度.为了得出各模块间的最短通信距离，取表1中发射功率的最小值1.90 mW，接收灵敏度的最大值5.37×10-13W，理想传播损耗为95.5 dB，考虑到外界因素造成的传输损耗(这里取15 dB)，则实际传播损耗Los=80.5 dB，根据式(3)，可求得工作频率f为2 480 MHz时模块间正常通信的最小传输距离d=101.9 m，完全满足家居控制器模块间通信距离的要求.

4.2系统测试

测试时，选用海尔KFR-50LW 2匹柜式无氟变频空调，空调的工作温度在16～30 ℃之间任意切换，系统测试结果如表2所示.表中温度实测值指的是采用专用仪器测得的各模块(空调状态检测单元除外)环境温度，检测值指的是主控制器无线接收到的各模块(空调状态检测单元除外)环境温度，测试误差≤0.5 ℃，这个误差主要是由温度传感器造成的，表明控制器各模块检测、通信正常.

表2　系统测试结果

5　结语

本文设计了一种基于Zigbee技术的模块间有效通信距离可达95 m以上的家居新风系统控制器，通过闭环控制实现了空调与新风的智能统调，有效改善了家居空气质量，提高人体舒适度，以±1 ℃温控的方法平滑控制空调的启闭，避免影响空调压缩机寿命.此外，控制器具有电路简单、性能可靠、功耗低、安装方便等特点.本设计为智能家居新风系统在节能减排方面提供了一种实用的方案.但该系统实现的功能比较单一，以后可将该系统加入“家庭网络”，使用手机软件实现远程控制.

[1]厉松,任慧忠,李云龙.住宅式中央新风系统的应用研究[J].节能,2012(4):38-42.

[2]刘小斌,田爱军.智能环保节能新风系统设计[J].工业仪表与自动化装置,2014(1):109-112.

[3]向宏.长沙市商场空调新风系统设计[J].建筑热能通风空调,2011,30(3):98-101，85.

[4]刘芹,余锦视,吴佳.独立新风空调系统的模糊控制方法研究[J].仲恺农业工程学院学报,2013,26(2):48-52.

[5]房安.基于自适应PID和神经网络的智能控制在新风系统中的应用研究[D].北京：北京邮电大学,2013：53-70.

[6]娄小军.机房新风系统节能技术[J].建筑节能,2009(12):24-26.

[7]殷从伟,钟廷志,邹克,等.基于单片机控制的太阳能家用新风系统[J].节能,2012(11):45-47，3.

[8]方琨,张娟,蔡振江,等.基于DS18B20数字温度传感器的温室环境采集系统设计及应用[J].安徽农业科学,2010,38(23):12 792-12 794.

[9]胡朝斌,朱旗.一种小型化平面倒F天线设计[J].中国科学技术大学学报,2012(4):289-295.

[10]宁炳武.ZigBee网络组网研究与实现[D].大连：大连理工大学,2007：17-23.

[11]黄玉立,童玲,田雨.基于CC2531+CC2591的WSN节点通信模块设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2011(1):71-73.

(责任编辑李宁)

Design and Implementation of Controller of the Fresh Air System

CHEN Zhizhen,DONG Jianhuai

(School of Electronic Information Science,Fijian Jiangxia University,Fuzhou 350108,China)

A fresh air system controller composed of the main controller,air conditioning controller,air conditioning leak detector,and outdoor temperature acquisition nodes was designed to coordinate the fresh air system and air conditioning.Communication between modules was based on Zigbee technology.Current outdoor temperature was measured and compared with the preset value of room temperature.The controller started the opening or closing of air conditioning and the introduction of fresh air when the temperature difference reached one degree Celsius.Experiment shows that the controller is of low-power consumption and low-cost,efficient,reliable and easy to use,a good appliance for intelligent home.

intelligent home;controller;fresh air system;Zigbee technology

2015-08-30

2016-04-18

国家级大学生创新训练项目(201413763003)

陈志桢(1991-)，男，助理工程师，研究方向为电子自动化与通信.E-mail:czzhyt@sina.com

TP273.3

A

1673-4432(2016)03-0028-06