一种中央空调温控器控制系统的设计
2019-04-04易艺郝建卫于新业李俊凯宋阳柳
易艺 郝建卫 于新业 李俊凯 宋阳柳
关键词： CC2530; STM32; ATxmega128A1; 自动管理; 节能控制; 无线通信技术
中图分类号： TN876.3?34; TP915?34; TP27 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2019）06?0109?05
Abstract： In allusion to the problem of electric energy waste caused by the unscientific management during the usage of the current central air?conditioner， a thermostat control system for the central air?conditioner is designed. In the system， the ATxmega128A1 chip and STM32 chip are adopted as microcontrollers. The ZigBee technology， sensor detection technology， and wireless communication technology are organically integrated with the control technology. The thermostat of the central air?conditioner system installed in the building rooms such as hotels， classrooms and offices is automatically controlled and managed by means of the wireless network constituted by the CC2530 radio frequency module. The thermostat of the central air?conditioner in the building room can independently manage the operation parameters of the central air?conditioner based on the parameters of temperature， air speed and room capacity set by users. The test results show that the design has many advantages such as simple structure， easy installation， reliable performance， convenience and practicality， which can achieve the purposes of saving energy， and managers′ human and material resources.
Keywords： CC2530; STM32; ATxmega128A1; automatic management; energy conservation control; wireless communication technology
随着我国城市化的发展，各种现代建筑也不断增加，中央空调也在被加大使用，在给人们创造舒适环境的同时也造成了很大的能源消耗。据统计，在装有中央空调的建筑楼中，中央空调的能源消耗占整栋建筑楼能源消耗的60%以上[1]。此外，目前市场上的中央空调温度控制器大都是单一的、分散的控制器[2]，既不具有联机智能控制和管理的功能，也不具有检测房间内长时间无人员时，可以自动调整空调的工作模式、工作状态或自动关机的功能，更不具有可以根据房间内的人员数量，自动调整空调的工作状态的功能。因此，现有的中央空调基本采用由进入房间人员人工控制的方式。这种控制方式缺乏合理的控制与管理，经常出现房间内温度适宜却开空调、离开后忘记关空调或空调温度开得很高或很低的现象[3]，因而使得室内中央空调有效利用率不高，造成电能的浪费。这与当今社会提倡“节约能源、低碳环保、可持续发展”的主题，极其不相符。为了解决上述存在的问题，设计一种中央空调温控器及其监控系统。该系统不但能够对建筑楼房间内安装有中央空调系统末端的溫度控制器通过无线网络进行自动控制和管理，而且房间内的中央空调温度控制器还能够根据用户设置的温度、风速和房间内的人数进行自我管理房间的中央空调，以解决用户节能意识不高而造成的电能浪费的问题。该监控系统具有性能可靠、成本较低和易安装等诸多优点。
1 系统的总体设计
中央空调温控器监控系统由用户控制终端、中央空调温度总控中心和中央空调温度控制器组成。其系统组成框图如图1所示。
中央空调温度控制器安装于建筑楼的每间房内，用于调节每个房间内空调的温度和风速等参数。中央空调温度总控中心安装于建筑楼的中央空调管理中心室内，用于对整栋楼的中央空调温度进行监控和管理。用户控制终端为手机或PC机，PC机通过WiFi或USB与中央空调温度总控中心进行数据和命令传输，手机通过WiFi或GPRS与中央空调温度总控中心进行数据和命令传输。中央空调温度总控中心通过ZigBee无线网络与各个中央空调温度控制器进行通信。管理者可以在用户控制终端上安装客户端软件，根据需要通过用户控制终端输入命令和数据。然后使用中央空调温度总控制中心通过ZigBee无线网络对每个房间的中央空调温度控制器进行监测，实时掌握使用情况;也可通过中央空调温度总控中心对中央空调温度控制器进行控制操作，打开每个房间的中央空调、设置中央空调温度控制器的温度、风速、工作模式、定时自动关机等参数。
2 系统硬件电路设计
系统的硬件电路设计主要包括中央空调温度控制器和中央空调温度总控中心的电路设计。
2.1 中央空调温度控制器的硬件设计
中央空调温度控制器主要负责测量房间内的温度、湿度等参数。然后通过微控制器控制继电器模块控制风机盘管工作，调节房间内的温度。还可以通过ZigBee无线网络与中央空调温度总控制中心进行数据和命令的交互。中央空调温度控制器主要由微控制器、ZigBee模块、继电器模块、WiFi模块、温湿度传感器、人体红外传感器和人机交互模块组成，其硬件设计框图如图2所示。
为了降低成本、方便施工人员安装，中央空调温度控制器和中央空调温度总控制中心之間的通信模块采用以TI公司生产的CC2530F256 芯片为核心来设计ZigBee模块，结合TI公司的ZigBee协议栈Z?Stack可以实现ZigBee的组网[4]，实现数据和命令的无线传输。
选用ST公司生产的STM32F103VCT6芯片作为微控制器，该微控制器片内资源丰富，具有性价比高、功耗低、存储容量大等众多优点[5?6]。微控制器是中央空调温度控制器的控制核心，它担负起中央空调温度控制器的监控和管理任务：第一，控制温湿度传感器和人体红外传感器进行工作，获取房间内的温度、湿度等各项参数，并根据需要对继电器模块进行适当的控制，使房间内的环境参数达到用户或管理者设定的要求;第二，通过WiFi模块与用户控制终端通信，以方便用户可以使用安装有客户端软件的用户控制终端（如：手机）对中央空调温度控制器的温度、风速、工作时间和工作模式等参数进行设置;第三，通过ZigBee模块与中央空调温度总控中心进行通信，以实现中央空调温度总控中心对各个房间内中央空调温度控制器进行监控和管理;第四，对人机交互模块进行控制，房间内的用户既可以通过人机交互模块进入设置菜单，设置房间内空调的温度、风速、工作模式、定时关机等参数，也可以通过液晶显示屏显示房间内空气的温湿度、空调的风速、空调的工作模式等参数。
温度和湿度的检测选用广州奥松电子有限公司生产的AOSONG数字式温湿度复合传感器AM2305[7]。它能将空气温湿度转化为已校准的数字信号，并通过单总线输出，方便与微控器连接。
房间内人员的检测选用热释电人体红外感应模块：HC?SR501模块，该模块具有灵敏度高、可靠性强、超低功耗等众多优点。
继电器模块由3个松乐继电器 SRD?05VDC、光耦芯片、二极管和三极管等器件组成。3个继电器的常开控制输出端分别连接风机盘管的高、中、低档位。微控制器将采集到的各种参数进行分析处理，或根据中央空调温度总控中心发送过来的命令进行分析处理，然后通过控制继电器模块控制风机盘管工作，以改变空调的风速等参数。
WiFi模块选用TTL串口转WiFi模块USR?WIFI232?B来实现。USR?WIFI232?B是一个采用IEEE 802.11b/g/n无线协议标准的WiFi模组，它集成了MAC、射频收发单元、基频芯片和功率放大器等单元电路，且模块内部已经完成协议的转换，可以实现TTL串口与WiFi无线双向透明传输。其可以很方便地将MCU控制的设备接入WiFi网络，从而实现物联网的管理与控制[8]。
人机交互模块选用陶晶驰3.5寸TFT触摸液晶屏。该液晶屏通过USART接口与微控制器进行通信，方便设计人员进行开发。房间内的用户可以通过该液晶触摸屏对温度、风速、时间、工作模式进行设置，操作方便。
2.2 中央空调温度总控中心的硬件设计
中央空调温度总控中心用于控制和管理该栋楼的所有中央空调温度控制器。它由微控制器、ZigBee模块、GPRS模块、WiFi模块和高精度时钟模块组成。其硬件设计框图如图3所示。
用户控制终端为安装有客户端软件的手机或PC机。手机通过GPRS模块或WiFi模块与微控制器进行通信;PC机通过WiFi模块与微控制器进行通信;微控制器通过ZigBee模块与中央空调温度控制器进行通信。中央空调温度总控中心上的高精度时钟模块具有存储器，可以存放管理整栋楼房间空调的开启与关闭的时间数据。管理者既可以根据需要通过用户控制终端在任意时刻实现对整栋楼某间房、某几间房或所有房间的空调的开启与关闭，又可以通过用户控制终端进行查看或修改整栋楼某间房、某几间房或所有房间空调的开启与关闭控制时间、空调的温度、风速、工作模式、定时自动关机等参数。一经设置完成，中央空调温度总控中心可以脱离用户控制终端单独工作，这样既方便管理员实时掌握中央空调的使用情况，又方便用户使用中央空调。中央空调温度总控中心选用Atmel 公司的ATxmega128A1芯片作为微控制器，其内部具有128 KB闪存、8个USART、1个USB设备接口等丰富的片上资源[9]。ZigBee模块采用TI公司生产的CC2530F256芯片来实现，它与中央空调温度控制器的ZigBee模块组成ZigBee无线通信网络来完成数据和指令的传输。高精度时钟模块选用DS3231高精度时钟模块，该模块由内部自带温补晶振电路的DS3231芯片和I2C芯片AT24C256组成。GPRS模块选用TTL串口转GPRS模块USR?GPRS232?7S3来实现。该模块软件功能完善，覆盖绝大多数常规应用场景，用户只需通过简单的设置，即可实现串口与互联网通过GPRS网络相互传输数据的功能[10]。
3 系统软件设计
系统的软件设计主要由中央空调温度控制器软件、中央空调温度总控中心软件和用户控制终端的客户端软件组成。
3.1 中央空调温度控制器软件设计
中央空调温度控制器的软件设计由在Keil集成开发环境下用C语言编写的各个模块程序组成，主要包括温湿度传感器AM2305的单总线驱动程序、人体红外传感器的检测程序、继电器的控制程序、ZigBee模块的组网程序和STM32的串口驱动程序等。其主程序流程图如图4所示。
3.2 中央空调温度总控中心软件设计
中央空调温度总控中心的软件设计由在Atmel Studio 7.0集成开发环境下用C语言编写的各个模块程序组成，主要包括高精度时钟模块的驱动程序、ZigBee模块的组网程序和ATxmega128A1的串口驱动程序等。其主程序流程图如图5所示。
3.3 用户控制终端的客户端软件设计
用户控制终端的客户端软件设计包括PC机的客户端软件设计和手机的客户端软件设计。
手机的客户端软件APP是采用易语言开发环境进行开发。易语言以中文作为程序代码的编程语言，其开发环境集成了许多实用的类库，此次设计调用了易语言自带的TCP/IP类库作为APP与硬件的通信协议，实现了手机与WiFi模块之间的通信。
PC机的客户端软件采用Visual Basic 6.0开发，使用Winsock控件，选择TCP协议，把WiFi模块和PC机客户端软件分别设置为服务器端和客户端，它的工作原理为：客户端（PC机客户端软件）向服务器端（WiFi模块）发出连接请求，服务器端则不停地监听客户端的请求，当两者的协议沟通时，客户端和服务器端之间建立了连接，这时客户端和服务器端就可以实现双向数据通信。
4 系统功能测试验证
系统的功能测试是选用安卓手机、笔记本电脑、设计制作好的中央空调温度控制器和中央空调温度总控中心，在某单位的办公楼中进行测试。办公楼的管理人员根据单位对中央空调开启时间、关闭时间、空调温度控制器的参数设置等要求，通过用户控制终端设置办公楼各个房间中央空调温度控制器的各项参数，然后启动该系统，让其试运行。使用优利德UT61C四位半数字万用表对该系统的各个控制单元进行功耗测试，测试结果如表1所示。
根据表1的功耗测试结果，结合该栋办公楼某区2年同期4个月的空调用电量进行了测试对比。未使用该监控系统之前，每天中午、下午、晚上下班后，办公楼管理人员需要亲临每间房间检查空调是否关闭，该栋办公楼该区的空调4个月的总用电量为17 615 kW·h;使用中央空调监控系统之后，办公楼管理人员不必亲临每间房间检查空调是否关闭，由监控系统按照设置好的参数，控制中央空调温控器进行关闭空调，该栋办公楼该区的空调4个月的用电量为13 564 kW·h，共节省4 051 kW·h，平均每月节省1 013 kW·h，达到了节约能源和管理者人力的目的。
除此之外，该监控系统能够稳定工作。中央空调温度总控中心既可以按照管理者设置好的管理参数对办公楼中各个房间的中央空调温度控制器进行自动控制和管理，又可以和用户控制终端（手机和PC机）进行双向通信，完成管理人员和各个中央空调温度控制器之间命令和数据的交互，满足系统的设计要求。
5 结 论
本文采用ATxmega128A1芯片和STM32芯片作为微控制器，将ZigBee技术、传感器检测技术、无线通信技术和控制技术进行有机的融合，设计一种基于ZigBee的中央空调温控器监控系统。详细介绍了系统的工作原理、硬件设计和软件设计，并对整个系统进行测试验证。测试结果表明，该系统不仅达到了设计要求，还具有结构简单、性能可靠、易安装、人机界面友好等诸多优点，达到了节约管理者的人力和节约能源的目的，具有良好的市场前景。
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