基于窗磁传感的中央空调调节系统

2021-12-14张泽宇杨志鹏邢洪宾尤远吉梁佳鑫

物联网技术 2021年12期

张泽宇，杨志鹏，刘飞，邢洪宾，尤远吉，梁佳鑫

（河海大学机电工程学院，江苏常州 213022）

0 引言

随着科技的进步，酒店、医疗行业、商业场地、工业生产等场所普遍安装了中央空调，不仅满足了人们对适宜环境温湿度的要求，也满足了工业场所对恒温或低温环境的要求，但仍存在一些缺陷[1-4]。商用中央空调一般通过定时开关或者人工手动开关进行有规律的运作，在门窗闭合或者打开通风等条件下，并不会智能地做出回应，在一定程度上造成了许多不必要的电能消耗[5]。除此之外，中央空调系统并未在外部适宜高度安装额外的传感器检测环境温湿度，往往通过空调内部的传感器感知环境温湿度，并通过响应算法进行调节，但调节的结果往往无法令人满意。

针对以上问题，本系统通过窗磁、传感器，结合物联网技术[6-7]采集更加有效的数据，并将采集到的信息通过无线传输的形式发送至上位机或其他系统进行联动与应用，以有效提高中央空调控制系统的智能化程度。

1 系统设计

基于窗磁传感的中央空调调节系统考虑到窗磁与空调控制的联动性，向窗磁系统中加入温湿度传感器、液晶显示屏等模块。温湿度传感器可以定期检测环境温湿度并将数据无线传输给空调，起到定期调节空调模式以及温湿度等作用；显示屏可以在用户按下指定按钮后实时检测温湿度数据并显示，实现现场测温显示功能。

系统数据通过无线方式传输，无需人为干预就能使空调的运行效率达到最高。当预算有限时，该系统适合用在大型中央空调为多个房间制冷（制热）或一个场所有多个中央空调制冷（制热）的情境。

多个窗磁节点负责采集窗户开合状态与温湿度数据，将采集到的数据通过无线传输方式发送至路由节点，支持手动查询实时温湿度，将数据显示至内置的显示屏中；路由节点负责接收窗磁节点发送的数据并广播至其他路由器，直接与空调主机相连，将数据传输至空调主机，由主机对数据进行分析计算，进行温度、模式调节或者开关；协调器负责网络的构建与维持。

系统运行示意图如图1所示。

图1 系统运行示意图

2 硬件设计

2.1 通信技术

2.1.1 无线技术要求

窗磁节能系统的工作环境较为简单，只需考虑金属、墙体等因素对传输速度与质量的影响，在保证传输可靠性的前提下考虑以下因素。

（1）传输速度

传统的无线网络更关注如何保证通信质量，以及在此基础上尽可能地提高传输速率。而无线窗磁节能系统主要用于窗户开合状态与温湿度的检测，所需传输的数据量极小，较低的传输速率即可保证传输的有效性。

（2）传输距离

窗磁系统的有效无线传输距离要求达到100 m，更短的距离无法满足设备间的信息交互，更长的距离导致功耗过大，人工维护成本上升。

2.1.2 ZigBee通信技术

综合考量各种常见的无线通信技术后，本系统选择ZigBee。ZigBee相比其他无线通信技术具有功耗低、时间延迟短、可靠性高、成本低等优势[8]。窗磁节点与空调主机的距离一般为10～30 m，而ZigBee通信距离在150 m内，加之路由辅助通信，完全可以实现全范围覆盖。

2.1.3 ZigBee网络拓扑结构

ZigBee网络拓扑结构多样，不同于其他技术只有单独的一对一或一对多等固定信息传输模式，它还可以实现多对多无线传输。主要有星状网络拓扑结构、树状网络拓扑结构和网状网络拓扑结构等[9]。星型网络和树形网络的结构较为简单，传输数据的途径过于单一，稳定性稍有欠缺，因此采用网状拓扑结构。

将窗磁作为末端采集节点，负责采集温湿度数据和门窗开合状态数据，在各房间的空调中安装路由节点用于传输数据并与空调主机通信，各节点网络通过协调器加入。网状结构既能保证传输的高效性和稳定性，又能实现空调温度调节的准确性。系统无线网络结构如图2所示。

图2 系统无线网络结构

2.2 主控芯片

以ZigBee技术为基础，选用德州仪器出品的CC2530芯片。CC2530芯片成本低，功耗低，内部集成有射频RF CC2520和微处理器8051，因此芯片的兼容性高[10]。CC2530芯片提供电源管理功能，可以使设备长期处于低功耗运行模式。ADC支持最大12位分辨率，并且内含温度传感输入通道。此外，CC2530芯片还有一个支持IEEE 802.15.4协议的无线信号收发器，便于无线通信。

2.3 传感器模块选型

2.3.1 窗磁传感器

窗磁传感器模块的核心组成元件是干簧管和磁铁，干簧管是一种磁敏开关，磁铁接近时会磁化其中的簧片，对其产生吸引，如果吸引力超过了簧片的弹力，干簧管常闭或常开节点的状态就会发生改变。窗磁传感器利用磁铁控制干簧管的原理检测窗户的开合状态。系统选择常开型干簧管，型号为MKA10110。

2.3.2 温湿度传感器模块选型

DHT11与CC2530是最常搭配的数字温湿度传感器之一。DHT11使用串行数据管脚，单总线发送温湿度信息，严格按照指定传输方式与顺序，每次传输多达40位数据：湿度整数、湿度小数、温度整数、温度小数与校验和数据各八位。传输正确时，校验和数据为四者相加末八位。接收到开始信号后，DHT11开始工作，在主机开始信号结束后，发送响应表明已接收，并做好传输准备，然后发送采集的数据。

2.3.3 显示屏模块选择

与传统LCD相比，OLED显示屏具有众多优势：材料自发光、视角宽广、响应迅速、图像稳定、颜色丰富、识别率高、驱动电压低、能耗低、兼容性高。SSD1306是专为OLED打造的驱动，集成了对比度控制器、显示RAM等，可以有效降低能耗。拥有最多达256级的显示亮度级数，可选择6800/8000 串口，I2C接口或SPI接口。

2.4 节点硬件系统

窗磁数据采集节点安装于窗磁之中，安装位置为窗户内侧，距离地面高度1.5 m处，由窗磁传感器、温湿度传感器、显示屏以及CC2530芯片等组成。通过软件设置使系统在不工作时进入休眠状态，并通过选择低功耗元器件降低能耗。节点硬件结构如图3所示。

图3 节点硬件结构

3 系统软件设计

用于开发CC2530相关程序的软件为IAR Embedded Workbench IDE，其中关于网络的建立使用了内置Z-Stack专用协议栈。以Z-Stack协议栈为基础，进行程序开发时需要做的准备工作包括：驱动移植、添加头文件、初始化、编写程序。

图4所示为系统主程序流程。在执行过程中，系统首先进行初始化，初始化过程包括：初始化操作系统、配置I/O口、OLED屏幕初始化、初始化中断及定时器，以及协调器建网、终端初始化、系统组网通信等；初始化后，系统进入PM2低功耗模式运行，终端通过温湿度采集函数DHT11（）定时采集温湿度数据，经处理后通过数据发送函数AF_DataRequest（）发送给协调器，当接收到信号时，对应节点进入SampleApp_MessageMSGCB（）进行处理。另外，当窗户开合状态改变时会暂时唤醒系统并触发中断服务函数，分别对窗户打开和关闭事件进行处理。