基于物联网的中央空调末端温控器
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摘 要：当人们不在家忘记关闭空调时，空调仍然工作，造成了电能的浪费以及影响了空调的使用寿命，而且有时人们所调的温度并不合适，不能有一个合适的温度体验而且也会造成电能的浪费。因此文中基于物联网的设计了一种中央空调末端温控器。该温控器采用STM32为主控，利用ZigBee关键技术，将中央空调末端风扇盘管进行物联，做到并存管理与控制。该控制系统不但可以对楼内房间加装有中央空调系统末端的温度控制器通过无线网络进行自动化控制和监管，还可以根据使用者所设的温度、风力和房间的总人数完成房内的中央空调的自我管理，降低能耗。
关键词：中央空调;紫峰协议;温控装置;STM32;物联网;温度体验
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）04-0-03
0 引 言
随着社会的发展，中央空调的选用越来越普遍，中央空调在给人们带来更加人性化环境的同时也产生了相当大的能耗。据估计，在装有中央空调的建筑楼中，中央空调的能耗占整栋建筑物能耗的50%以上。
目前，消费市场上的中央空调温度控制器大都是单独分散的控制装置，不具备互联人工智能管控和监管功能，在房间较长时间无人时不能变动空调设备工作方式、工作狀况或自动关机，更无法根据房间人数，自动变动空调设备的工作状况。因此，现阶段的中央空调大体上是人工控制方法，这种操控方法缺少恰当的操控与监控，常存在房间温度适宜却开空调系统、离去后忘了关空调设备或空调系统温度开得很高或很低的状况，因而使得室内中央空调利用率不高，导致电力的耗费。这与现在社会倡导“节约能源、低碳环保、可持续发展”的主题，完全不一致。为了消除上述普遍存在的缺陷，采用STM32为主控，借助于ZigBee技术设计一种基于物联网中央空调末端温控器，将中央空调末端风扇盘管物联[1]，做到统合监管与操控。该控制系统不但能对建筑物楼房间加装有中央空调系统末端的温度控制器，通过无线通信展开自动化控制和监管，而且房间的中央空调温度控制装置还能根据使用者设定的温度、风力和房间的总人数自主管理房间的中央空调，以彻底解决使用者节能意识不高而导致的电力耗费问题。
1 基于物联网中央空调末端温控器技术优势
（1）选用STM32微处理器和ZigBee芯片建构星型网
络[2]，利用ZigBee技术提供无线数据传输功能，在功耗方面控制得比较好，实时性较强;
（2）ZigBee的其特点是短距离、复杂度低、自组织、低功耗、低数据速度，适用于自动化操纵和远程控制层面，可以内嵌各种设备;
（3）ZigBee网络可以接上万点的组网，可根据项目需要灵活增减数量，可以在室内安装多个检测装置进行数据传输，最主要的是成本低，免通信费，运营成本低;
（4）监测设备性能准确、生产成本较低、易装配，可达到节能和减少管理人员人力、物力的目的。
2 温控器系统框架设计
2.1 系统整体设计
基于物联网的中央空调末端温控器构成如图1所示，中央空调温控系统由PC机、数据检测模块、ZigBee网关和中央空调温度控制器组成。
（1）STM32控制模块。首先STM32使用用途非常广泛的ARM内核，集成了非常丰富的接口、通信模块以及其他功能模块，开发工具比较齐全，开发资料也比较丰富，在功耗方面控制得比较好，另外，实时性比较强[3]，对各种流行的嵌入式操作系统比较支持，且各大嵌入式操作系统网站基本上都会提供支持，其相应的代码非常强大。
（2）传感器组件。传感器结点只与协调器彼此之间通过点对点的方式来无线通信，所以在处理程序中须要设置点对点通信。感应器模块的CC2530通过感光感应器来获取光强度信息，然后调用发送函数用串流的方式将光照数据发给协调器。
（3）协调器模块。协调器和传感器控制模块之间采用广播形式。有无线信号接收时，调用处理信息函数，提取温度高低和室内人数数据，利用CC2530模块实时发送温度人数信息。
2.2 ZigBee技术
ZigBee网络是一种低速度、短距离、低功耗的无线传感器网络，具有星型、树形、网状等多种拓扑结构。传统树状互联网传送路径固定，如果某根节点坏了，由于网络传输路径不能进行自动调整，会对后续叶节点的数据传输将造成严重的影响。为提升控制系统的可靠性和安全性，使用网状网作为该系统网络拓扑结构。ZigBee网络拓扑构建图如图2所示。
2.3 ZigBee入网流程
ZigBee入网流程如图3所示。节点入网可选择区域内信号最强的父节点加入互联网，成功加入后，会得到一个网络IP，并通过这个IP进行信息的接收和发送。网络拓扑关系和IP会留存在各自的FLASH中。选择一个合适的ID后，设备的上层会请求MAC层对物理层和MAC层的phyCurrentChannel，macPANID等PIB特点进行适当的设置。
3 中央空调温控系统软件设计
3.1 主程序设计
设计的控制系统主程序流程如图4所示。中央空调控制设备的软件工程由在Keil开发环境下用C语言的各个组件程序构成，主要包含温湿度传感器AM2305的单总线应用程序、人体内红外线传感器的检验程序、继电器的控制程序、ZigBee组件的组网程序和STM32的串口驱动程序等[4]。
3.2 系统子程序设计
3.2.1 控制主机子程序设计
控制主机子程序流程如图5所示。控制主机的串口接收到协调器发送的数据后，进行数据显示及参数阈值设置，判断接收到的各个环境参数是否超过设定的阈值，未超过阈值为正常状态，超过阈值为异常状态[5]，进行语音告警，同时打开调控模块，进行对应位置点环境参数的调控。 3.2.2 按键子程序检测
按键子程序流程如图6所示。系统循环检测是否有按键按下，用户可通过键盘来设置各参数的报警阈值[6]。设定完成后，控制主机通过接收到ZigBee协调器发送的数据流，对数据流进行提取、整理、分析、对比。当检测到获取的室内环境参数为安全状态，OLED显示屏显示正常数据[7];若检测到的数据超过设定的阈值，语音模块发出警报提示，用户采取相应措施。
3.2.3 OLED显示子程序设计
显示模块子程序流程如图7所示。系统主机通过I2C总线传输指令，首先对显示模块初始化，然后进行清屏处理。紧接着通过调用库函数来进行显示屏的显示。对计划好的数据显示方式设置初始位显示坐标。然后调用OLED库函数进行显示。
3.2.4 自动控制子程序设计
自动控制子程序流程如图8所示。首先通过按键为室内环境参数设置合适的阈值;然后系统进行循環扫描检测，与设定好的参数阈值做对比。如果其中某一位置点的某个参数异常时，系统开启继电器，来打开灭火外接设备进行环境参数调控;当室内环境参数达到正常状态，继电器关闭，空调设备停止工作。
3.2.5 WiFi传输子程序设计
WiFi传输子程序流程如图9所示。系统使用WiFi模组中烧录机智云的GAgent固件，这个固件库把复杂的传输协议和交互都交给了封装，WiFi模组与主机MCU之间的交互只有串口透传[10]，所以只需将需要上传至云平台的数据打包，通过调用封装好的库函数，将数据转发至云平台。
4 结 语
基于ZigBee的中央空调温控设备利用人体红外感测器采集房子内部人数状况，其装设于建筑的每间房内，调控每个房子空调设备的温度和风力等变量。将总控中心放置在控制中心，对整栋楼的中央空调温度展开监测和监管。使用者操控终端为手机或PC机，PC机通过互联网与中央空调温度总控中心进行数据和命令传输。手机通过互联网与中央空调温度总控中心展开数据和指令传送。中央空调温度总控中心通过ZigBee互联网与各个中央空调温度控制装置展开通信。管理人员可以在使用者操控终端上加装客户端应用程序，根据需要通过使用者操控终端输入指令和信息。然后中央空调温度总控制室通过ZigBee无线网络对每个房子的中央空调温度控制装置展开监控，实时掌握使用情况;也可通过中央空调温度控制中心对中央空调温度控制装置进行操控，开启每个房间的中央空调、设定中央空调温度控制装置的温度、风力、工作方式、定时自动关机等参数。
参考文献
[1]杨晶.基于物联网的中央空调SCADA系统研究与实现[D].赣州：江西理工大学，2013.
[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]赵传奇.基于物联网的农业建筑物变形监测系统设计与实现[D].泰安：山东农业大学，2018.
[4]易艺，郝建卫，于新业，等.一种中央空调温控器控制系统的设计[J].现代电子技术，2019，42（6）：109-113.
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[6]杨琳，李媛，冯爽，等.基于ARM的网络化智能仪表的设计与研究[J].计算技术与自动化，2018，37（4）：15-20.
[7]戴炜哲.测试系统继电器电阻值异常的工程学分析及解决[J].电子工程师，2007（10）：9-11.
[8]易艺，郝建卫，于新业，等.一种中央空调温控器控制系统的设计[J].现代电子技术，2019，42（6）：109-113.
[9]鲍玲玲，赵阳，王子勇，等.PLC在舒适性空调自动控制系统中的应用[J].现代电子技术，2018，41（18）：22-27.
[10]陈志栋，翁正国.智能空调无线监控系统的设计[J].物联网技术，2016，6（3）：24-25.
作者简介：李乾龙（1996—），男，本科。
龙 馨（1998—），女，本科。
龙光利（1968—），陕西南郑人，教授，研究方向为无线通信与电子技术应用。
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