多联式变频空调控制策略通信方法与实现

刘晓东,李晓东，费继友，王江波，肖丹

(1.大连交通大学 动车运用与维护工程学院，辽宁 大连 116028；2. 松下制冷(大连)有限公司，辽宁 大连 116600)

多联式变频空调控制策略通信方法与实现

刘晓东1,2,李晓东2，费继友1，王江波2，肖丹2

(1.大连交通大学 动车运用与维护工程学院，辽宁 大连 116028；2. 松下制冷(大连)有限公司，辽宁 大连 116600)

采用S-NET通信协议，以空调通信适配器为从站，设计开发了基于STM32F407单片机的空调通信控制主站.介绍了两者之间的RS485通信的建立和程序设计，详细描述了单片机与空调通信适配器之间的通信调试，从而实现了基于S-NET协议的RS485通信.该系统控制策略和主要控制算法由STM32F407计算，其应用在多联式变频空调的家庭终端嵌入式网关系统中，能取得较好的控制效果.

STM32F407单片机；RS485通信；S-NET协议；多联式变频空调

0 引言

多联式空调(热泵)系统(简称多联机)采用变容量调节以匹配系统负荷变化的特点，在节能和舒适方面有明显优势[1].将物联网技术与多联机相结合，以智能网络化控制新模式实现空调远程管控的目的，能够满足节能、高效管理、健康、时尚等需求[2].为此，需要设计家庭终端空调网关系统实现家庭内部空调传感网络和广域网间互联互通的使命.

为了更好地进行空调控制，家庭终端空调网关系统需要实时获取空调系统中的一些实时状态信息和操控系统的某些运行参数.本文利用空调通信适配器，通过RS485传输媒介，设计基于单片机的空调家庭终端网关系统，可以实现多联式变频空调系统的实时控制与状态监测.其中，选用STM32F407单片机作为家庭终端网关系统的控制核心，负责控制策略算法计算和相关参数处理；空调通信适配器是多联式变频空调与外控系统连接的纽带，通信适配器空调端直接连接空调室内外控制线，负责直接获取空调参数和控制空调，另一端通过RS485连接单片机系统，其负责协议采用一种空调通信S-NET协议，该协议目前广泛应用在空调系统中.

1 控制器选型

系统选用STM32F407单片机作为空调家庭终端网关系统控制器.STM32F407嵌入式微处理器具有性能高、功耗低、成本低、运行速度快速等设计特点[3].其频率最高可达168 MHz，拥有1M字节的片上Flash存储器、196 K字节的内嵌SRAM、灵活的外部存储器接口和丰富且高级的外设，而且是32位市场上功耗最低的产品[4].

为了实现家庭网关系统与多联式变频空调间的通讯，以空调通信适配器为从站，设计开发基于STM32F407单片机的主站，实现两者之间的基于S-NET协议的RS485通信，其系统硬件连接框图如图1所示.

图1 系统硬件连接框图

2 RS485总线与S-NET空调通信协议解析

STM32F407作为通信主设备，其RS485端口连接图如图2所示，RS485接口电路主要由+3.3V供电的半双工收发器SP3485芯片和单片机串口2组成.其中，单片机端通过将STM32F407的串口2接入RS485总线网络中，RS485采用平衡差分电路半双工方式，A为同相端，B为反向端，半双工的发送/接收数据选择通信由PG8高低电平控制.允许并联32台驱动器，最大传输距离为1 200 m，传输速率100 Kbps/1 200 m[5].

图2 RS485端口连接图

RS485总线定义了网络的物理层，网络上层的通讯协议采用S-NET协议进行主设备和各从设备之间的通讯.S-NET协议按主—从方式进行网络通信，采用主机查询和从机回复的消息结构，其通信结构构成格式如表1所示.

表1 S-NET通信协议构成格式

(1)源地址与目的地址：用来选择相应的发送和接收设备.

(2)控制代码：确定主机发送的控制命令种类，将执行相对应的功能.

(3)字节数：确定命令和数据的纯位数.

(4)命令和数据：主机与从机间通信的命令和数据域共包含两部分内容：其中第一个字节被用作命令代码或数据代码，用于细分代码种类，后续字节描述从机的状态信息或者执行动作所需要的命令信息.

(5)FCC校验：采用奇偶校验方式来判断数据传输的正确与否.具体方法为判断所有字节(不包含校验码)逐个异或的计算结果与校验码是否一致.

3 系统通信程序设计与实现

3.1 STM32F407串口USART配置

利用S-NET空调通信协议通讯时，首先需要进行串口USART初始化的相关配置，包括设置控制特性、数据位、停止位、波特率、校验位等.其串口USART初始化部分代码如下：

USART_InitStructure.U_BaudRate = 9600；//设置波特率为9600

USART_InitStructure.U_Parity = U_Parity_No；//无奇偶校验位

USART_InitStructure.U_Mode = U_Mode_Rx | U_Mode_Tx；//设置成收发模式

USART_InitStructure.U_WordLength=U_WordLength_8b；//设置字长为8位数据格式

USART_InitStructure.U_StopBits =U_StopBits_1；//设置一个停止位

USART_InitStructure.U_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None；//无硬件数据流控制

USART_Init(USART2, &USART_InitStructure)；

//设置串口2初始化

3.2 单片机发送与接收信息处理程序设计

STM32F407单片机在空调控制系统中承担家庭网关主控制器作用，负责实时采集和控制连接到适配器上的多联式变频空调各室内机的状态信息.S-NET协议采用主机查询和从机回复的消息结构进行通讯，通讯程序DataSendReceive128A( )流程如图3所示，通讯时，单片机发送和接收S-NET协议帧，包含了源地址、目的地址、功能代码、执行该功能所需的相关参数、校验码等信息.发送和接收指令子程序流程如图4所示，单片机端通过中断方式接收消息，接收到的消息首先进入校验子程序CheckReceivedData().

图3 通讯程序流程图

图4 发送和接收指令程序流程图

图5 校验子程序流程图

4 单片机与空调设备通讯调试

以市面销售的一款空调适配器为例进行通讯实验测试，该空调适配器一台最大可实现128台室内机及60台室外机的集中监控，极大地满足家庭用多联式变频空调系统最大需求.

调试环境下，单片机与一台空调适配器进行RS485通信即可，一台空调适配器空调端连接2台室外主机及4台室内机组，实现家庭多联式变频空调的状态集中监控.在通讯过程中，单片机计算从机(适配器)地址和构造通讯指令，编写相应的控制程序，与从机进行发送和接收通信.通信指令的类型包括服务类型(其命令种类包含“设定，操作”、“请求”、“应答”、“状态更改”等)、相应模式等.根据不同的通信需求，实现分类通信，程序流程如图6所示，通信类别对应“空调构成确认”、“室内机状态通信”、“实时操作通信”、“定时操作通信”.

图6 分类控制子程序流程图

5 结论

系统选用S-NET空调通信协议，以空调适配器为桥梁，研究了基于STM32F407的多联式变频空调家庭网关系统通信策略.在设计过程中，实现了S-NET空调通信协议的正常发送与响应，单片机主机实现了控制策略算法与控制参数的处理，通过运行测试，通信良好.后续的研究重点是不同的空调控制需求分解，以实现单片机对空调状态的实时监控.

[1]邵双全，高玉平，陈刚,等.基于计算机仿真的多联式空调系统控制策略优化设计[J].制冷技术，2015(2):17-20.

[2]张朋，贺焕林，王艳霞，等.基于物联网的中央空调SCADA系统设计与实现[J].工业仪表与自动化装置，2014(6):24-29.

[3]严良文，赖雪峰，韩涛,等.基于STM32的中央空调控制策略通信方法与实现[J].机械与电子，2014(9):63-65,80.

[4]陈少华，沈巍，徐金钰,等.基于STM32的灾难现场搜救机器人研制[J].大连交通大学学报，2016,37(5):113-115.

[5]李丽，刘冲，苗中华,等.基于RS485总线的多变频器与工控机互联测试系统[J].测控技术，2016(7):64-67.

�程序Check

Data( ) 流程如图5所示，消息接收完成后先进行FCC校验，若校验结果不通过则生成错误代码-3，将代码返回并请求从机重发信息.如果FCC校验结果正确，则进一步判断接收字节数BC是否正确，如果接收字节数错误同样生成错误代码-3，并直接抛弃该消息并返回主程序，如果接收字节数正确则进一步判断接收目的地址是否与本机相符，全部通过才将接收到的数据装入结构体RcvStr1SlinkStr( )中，进而对数据进行分解，通过判断控制功能代码，从中提取出执行功能代码和数据，存入结构体RcvStr2SlinkStr()中，以便后续根据其控制功能分类进入相应的功能程序.

Method and Realization of VRF Air Conditioning Control Strategy Communication

LIU Xiaodong1,2, LI Xiaodong2, FEI Jiyou1, WANG Jiangbo2, XIAO Dan2

(1.School of EMU Application and Maintenance Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China; 2.Panasonic Appliances Air-Conditioning and Refrigeration (Dalian) Co., Ltd, Dalian 116028, China)

With the VRF air conditioning communication adapter being the slave station, a master station of STM32F407 microcontroller is developed based on S-NET protocol. The establishment and program design of communication protocol using RS485 between master and slave are introduced, and the process of debugging between the microcontroller and air conditioning communication adapter is elaborated. Thus the RS485 communication is implemented based on the S-NET protocol. The system will be applied in the embedded home control gateway system of VRF air conditioning. A good control effect will be obtained as the controlling strategy, and main algorithm can be computed in the STM32F407 slave station.

STM32F407 microcontroller; RS485 communication; S-NET protocol; VRF air conditioning

1673- 9590(2017)04- 0169- 04

2016-10-01

辽宁省教育厅高等学校科学研究计划资助项目(JDL2016026)

刘晓东(1982-)，女，工程师，博士研究生，主要从事智能测控技术方面的研究E- mail:lxd@djtu.edu.cn.

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