多联机中央空调无线监控系统的设计与实现

王学奎 穆圣广 陈国林 林冠旭 潘世高

1 广东机电职业技术学院电气技术学院

2 广州互邻空调设备有限公司

0 引言

物联网IOT（Internet of things）是新一代信息技术的重要组成部分，它是物物相连的互联网，其核心和基础仍然是互联网，上层设备延伸到了所需要的物品之间进行信息交换和通信[1]。随着网络技术的发展，云计算、4G 移动技术已成熟，且深入人们生活，从而促进了监控技术的发展，深刻影响着空调产业的工业化与信息化的融合与升级[2]。集中监控系统，主要用于实现远程设备的数据采集、处理、实时监视、控制等功能，是智能化的人机交互终端产品，能够实现管理人员对空调设备空间分割和时间同步，并降低空调耗能和运维费用[2]。多联机中央空调是指一台室外机通过配管连接两台以上室内机，相对传统中央空调，具有节约能源，控制先进及灵活性好等多种优点，越来越多建筑采用多联机中央空调[3-4]。随着科学技术的发展，多联机中央空调的室内室外机也要求具备更加灵活的集中监控功能[5-6]。

针对上述问题，本文设计了一套基于物联网的中央空调远程监控系统。系统核心采用了灵活便利的单片机。数据采集装置实时采集中央空调的运行数据，并加以处理，结合实际工况，做出智能判断，输出控制远端的的空调室外机和室内机。数据采集装置将数据传输至单片机，通过U 物联网关模块内的数据传输单元（DTU）和 GPRS 模块，远程上传至监控中心SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）,通过监控软件，实现数据的显示。监控中心SCADA 软件能集中监控中各个室内分机的输出温度、风量、设置温度等，以及室外压缩机运行相关数据，能够实时显示和数据存储。调度管理人员可以通过监控中心的SCADA 软件远程设定室内机的温度、风量等，以及远程操作需要控制的室内机。该远程监控系统实现了多联机中央空调的远程自动化、网络化的管理，降低了运营成，提高了系统工作效率和自动化水平[2]。

1 系统设计结构及工作原理

1.1 系统设计结构

图1 是系统设计结构图，在结构上，设计为四个层次：数据采集层，数据处理层，数据传输和终端监控层，数据采集层是室内机、室外机的运行数据直接接入U 网关，网关集成了数据的采集、处理与传输。网关可直接输出到电脑，实现电脑与设备的通信，同时也可通过GPRS 模块，将数据传输至云服务器，供移动终端使用。电脑作为服务器实现SCADA 的功能，安装相应的监控软件，即可完成对多联机空调的远程管控调度，同时存储历史运行数据，该 SCADA 也可作为电费计量的辅助工具。物联网 U 网关内的 GPRS 芯片，可将收集单片机内运行处理的数据，并将数据通过云服务器，传输至移动终端。远程终端设备中安装相应的服务软件或小程序，可收到多联机空调的告警信息，查看设备运行状态，及时干预。各个厂家生产空调的通信格式不一，物联网关 U 针对不同的通信协议，转换为目前较为易懂的 RS-485 通信方式，采用了简单可靠的MODBUS 协议[7-9]。这样即便底层空调系统采用了不同厂家，只要选择对应的物联网关U，数据经过转换后，形成统一的通信格式，可以方便组成网络。物联网关U，设置有电脑通信接口和 GPRS 发射模块，可根据现场设备选择不同的终端实现方式，不同模式的修改，只需要在 U 型网关内修改对应的跳线。经过GPRS 转换后，形成统一的数据格式，移动终端安装好相应的小程序，即可实现多联机空调系统的云通信。

图1 多联机中央空调远程监控系统结构图

2 系统硬件设计

多联机空调集中监控系统的设计主要包括硬件设计与软件设计，硬件设计中包括了方案设计与具体的硬件电路设计。

2.1 控制方案设计

控制系统的硬件设计方案如图2 所示：

图2 多联机中央空调集中监控系统设计方案

该方案主要有主控模块，硬接线通信模块，无线收发模块以及电源模块组成，其中硬接线通信模块又分为RS-485 通信和数据接收模块。

2.2 硬件模块设计

1）主控模块

在硬件设计中，系统的控制核心采用意法半导体ARM Cortex-M3 内核的增强型STM32F103，供电电压为3.3V。该控制器工作频率高、功能强大、功耗低等多重优点，符合系统的设计要求[11-13]。系统设计具体如图3 所示。

图3 STM32F103 最小系统设计

（2）电源模块

电源转换模块的作用是将5V 供电电压，转换为控制面板中各个芯片所需要的 3V 电压，采用了LD1117DT33CTR 元器件，其电路图如图4 所示：

图4 电源模块电路图

3）RS-485 通信模块

设计方案中采用了 MAX13487E 元器件，是+5V供电、半双工、具有±15kV ESD 保护的 RS-485/RS-422兼容收发器，包含一路驱动器和一路接收器。具有低摆率驱动器，能够减小 EMI 和不恰当的电缆端接所引起的反射，实现高达 500 kbps 的无差错数据传输。MAX13488E 驱动器的摆率未被限制，允许高达 16 Mbps 的传输速率。其设计电路图如图5 所示：

图5 RS-485 通信模块电路图

4）数据接收模块

该模块的作用是采集空调设备信息，采用了XL1192，该元件是一款符合家庭数据总线标准，具有接收与发送数据功能芯片[14]。信号收发处理采用AMI方式编码，可以通过双绞线传输。XL1192 可以通过5V电源供电，其内部集成晶体管可以减少外围元件需求。电话设备，安防设备，影音设备，空调设备等其它设备可以通过它连接至总线来相互通信。其设备外部接线如图6 所示：

图6 数据接收模块管脚图

5）GPRS 模块

系统硬件中，采用的是 AIR202 无线通信专用模块，集成了 GPRS 运行所需要的部分外设，如 SIM 卡座，供电等，能保证只需串口线线连接 PC 就能使整个系统运行。该模块支持Lua 语言或AT 指令，内置串口电平转换电路，支持 3.3V，5V 外设串口电平，其外观设计图如图7 所示：

图7 AIR202 设备外观图

该元件含有两组 RS-485 串口管脚，分别是HOST_TX、HOST_RX 与 UART1、UART2，前者用于程序的编写与下载，后者用于与外部设备的通信。

3 系统软件设计

系统设计中采用了两路并行的设计思路，即硬接线通信与GPRS 无线通信并行方式，在 U 型网关的设计中既提供了硬接线的通信方式，同时也含有 GPRS无线通信，这样可以确保数据的通信的正确与大数据容量的存储。

Modbus 协议是一个 master/slave（主/从）架构的协议。有一个节点是master 节点，其他使用Modbus 协议参与通信的节点是slave 节点。每一个slave 设备都有一个唯一的地址[15]。方案中的主控芯片STM32F103作为从机，负责与空调及外部设备通信。空调设备预留的外部接线协议一般各个厂家不同，无法统一，STM32F103 根据各个厂家设备的底层协议，读出设备信息，转换为串口通信协议，与上层设备进行通信，采用常规的 RS-485 接线方式，协议调整为简单易懂的Modbus 协议。GPRS 通信模块通过自身的 RS-485 接线自动查询 STM32F103 内的数据，经过内部程序对数据进行打包处理，以无线方式发射出去。其设计通信过程如图8 所示：

图8 系统软件设计流程图

STM32F103 设备编程语言是 C 语言，是一门基础编程语言，GPRS 模块 AIR202，底层已构架完整，是专业的无线通信芯片，只需要在上层系统中，调写相关的子函数，即可实现数据的通信。系统中AIR202 芯片主要是在处理UART 串口中的数据，与STM32F103通信，主要应用了 Uart.Write()和 Uart.read()函数。AIR202 在查询底层设备信息是，使用 MODBUS 协议，STM32F103 共可接16×4=64 台室内主机，其寄存器地址如表1：

表1 网关及空调主机连接地址分配表

数据处理过程中，首先要查询网关状态。表2 为网关运行状态查询表。

表2 网关运行状态查询表

判断返回状态是否为 1，若为 1 说明 STM32F103已可以正常通信，若为0，则返回，2s 后继续查询。连接成功后，接下来要查询有多少台主机与网关通信。查询命令与查询网关类似，由于每两个字节存储16 台主机状态，返回时将会返回8 个字节。表 3 为空调主机连接地址数据返回表。

表3 空调主机连接地址数据返回表

需要注意的是，返回的数据1 到数据4 是十六进制，需要转换为二进制才能确定对应哪些主机接入系统。系统将每一个地址主机运行信息，存储在不同的寄存器内，信息如表4 所示：

表4 空调运行信息存储位置分配表

从2000 地址开始，每12 个字节存放相应位地址主机的状态，查询完主机状态后，对接入系统的主机，再查询对应地址的数据，将这些数据与主机地址共同组成一个结构（STRUCT），从而区分出每个主机的信息。设备调试通过两路串口，一路做 MODBUS 从机，另一路用作 MODBUS 主机，与 AIR202 通信，读出相应的数据，图9 是调试界面。

图9 AIR202 通信调试界面图

4 工程实施与总结

该监控系统在工程中得到应用，在某智能建筑与某档案馆都有实施，建筑采用了多联机中央空调，通过手机小程序对各个房间的空调进行监控，实施效果如图10。

图10 某建筑手机监控中央空调界面

档案馆对房间内的温湿度要求严格，配备了多联机中央空调与除湿器，在集中监控的设计上，项目配备了电脑监视平台，用于监视多联机中央空调，除湿设备，以及房间的空气质量传感器设备的数据信息，其运行界面如图11：

图11 档案馆内温湿度及空气质量电脑监视界面

5 总结与展望

通过原理图的设计、PCB 板印制和软硬件调试，能够实现多联机中央空调的远程监控。方便了工程实施，避免了布线带来的繁琐工作，使用便利，节约了设备运行费用，实现了自动化和信息化的融合。GPRS 的数据传输受制于无线网络及云服务器的配置，受制于网络条件。在更改U 网关配置时，需要打开设备，并修改内部的跳线，后续开发，将考虑更加灵活的实现电脑与移动端同时监控空调及其他设备，确保信息通畅与数据安全。