任素龍，彭 鋼，袁曉磊，楊春來(lái)，殷 喆

（國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的高速發(fā)展，逐步提高人們對(duì)工作環(huán)境舒適度和智能化程度的需求［1］。在大型建筑中，中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗幾乎占到整個(gè)建筑能耗的一半左右，其節(jié)能降耗問(wèn)題已引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。如何在不影響室內(nèi)舒適度的前提下，最大限度地降低空調(diào)系統(tǒng)能耗的課題研究將具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義［2］。目前在采用中央空調(diào)的辦公場(chǎng)所均存在較大的能源浪費(fèi)現(xiàn)象，如：辦公室工作人員長(zhǎng)時(shí)間離開(kāi)房間時(shí)，不關(guān)閉空調(diào)，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)意義工作，浪費(fèi)了大量電能；在一些會(huì)議樓中，當(dāng)會(huì)議室的人數(shù)很少時(shí)，空調(diào)風(fēng)量卻運(yùn)行在較高檔位，也造成了能源浪費(fèi)；此外，在大的會(huì)議廳中許多中央空調(diào)都是采用手動(dòng)控制，工作人員不方便對(duì)其進(jìn)行有效控制和管理［3］。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了一種節(jié)能空調(diào)控制器，該控制器能夠檢測(cè)室內(nèi)溫度以及室內(nèi)人數(shù)情況，根據(jù)對(duì)中央空調(diào)的需求來(lái)控制其風(fēng)量的大小，使空調(diào)系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間工作在最佳節(jié)能狀態(tài)，同時(shí)達(dá)到提供舒適環(huán)境的目的。此外，該控制器可以接收無(wú)線射頻信號(hào)并提供各種對(duì)外接口，將其融入到整個(gè)建筑的智能控制系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和管理［4］。

1 節(jié)能空調(diào)控制器硬件設(shè)計(jì)

1.1 空調(diào)控制器的功能設(shè)計(jì)

中央空調(diào)控制面板采用大液晶屏顯示各種工作狀態(tài)，家電化操作界面，使人機(jī)對(duì)話更加直接方便；室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度同時(shí)顯示，溫度設(shè)定10～40℃，室溫顯示范圍10～60℃；藍(lán)色背液晶背光源，方便夜間使用；選用高檔阻燃材料，精美光潔；風(fēng)機(jī)風(fēng)速可以自動(dòng)控制，也可以手動(dòng)控制，風(fēng)速分為高、中、低、自動(dòng)4種工作狀態(tài)；繼電器輸出控制，性能穩(wěn)定，溫度控制精度±1℃，溫度顯示分辨率±1℃，溫度誤差小于±1℃；具有室內(nèi)溫度校正功能，斷電數(shù)據(jù)記憶，斷電后來(lái)電恢復(fù)正常工作?？刂泼姘逵心Ｊ芥I、手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)速鍵、手動(dòng)加減設(shè)定溫度鍵和開(kāi)關(guān)鍵。

1.2 空調(diào)控制器的硬件電路

節(jié)能空調(diào)控制器主要由單片機(jī)主控制器電路、射頻接收解碼電路、溫度監(jiān)測(cè)電路、人體熱釋電紅外傳感檢測(cè)電路組成。其中，單片機(jī)采用STC12C5A32S2系列的單片機(jī)，是系統(tǒng)的控制核心，其作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)線射頻信號(hào)、處理控制指令、室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計(jì)以及與空調(diào)面板進(jìn)行通信；射頻接收、解碼電路的作用是接收射頻控制信號(hào)；溫度傳感器的作用是檢測(cè)室內(nèi)溫度；利用人體熱釋紅外電傳感器檢測(cè)室內(nèi)人員的進(jìn)出情況，將室內(nèi)人員信息送入單片機(jī)。單片機(jī)與空調(diào)面板之間通過(guò)RS485進(jìn)行通信，控制模塊可以接收無(wú)線射頻遙控器或外部控制系統(tǒng)發(fā)出的無(wú)線射頻信號(hào)指令，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的RS485控制指令，以對(duì)中央空調(diào)進(jìn)行無(wú)線、遠(yuǎn)程遙控［5－7］。中央空調(diào)控制器框圖如圖1所示。

圖1 節(jié)能空調(diào)控制器系統(tǒng)示意

整個(gè)電路以單片機(jī)為核心，完成外部輸入檢測(cè)、無(wú)線射頻解碼、驅(qū)動(dòng)繼電器輸出以及看門狗等功能。315 MHz射頻接收、解碼電路接收射頻控制信號(hào)，將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL信號(hào)。RS485驅(qū)動(dòng)電路作為通信協(xié)議的硬件層，實(shí)現(xiàn)TTL信號(hào)向RS485信號(hào)的轉(zhuǎn)換。電源穩(wěn)壓電路將輸入的＋12 V電壓轉(zhuǎn)換為＋5 V電壓，為控制模塊提供工作電源。

1.3 人體熱釋電紅外傳感器的監(jiān)測(cè)

人體熱釋電紅外傳感器是二十世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的一種新型傳感器件，該傳感器不受白天黑夜的影響，廣泛地用于監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)中。人體熱釋電紅外傳感器能夠通過(guò)接收的紅外線的變化判斷出探測(cè)區(qū)域內(nèi)是否有人出現(xiàn)，是一種被動(dòng)接收的傳感器，以下利用2個(gè)熱釋電紅外傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)人數(shù)的檢測(cè)。

人體熱釋電紅外傳感器的輸出與人體移動(dòng)的速度、方向和人數(shù)的多少有很大的關(guān)系，對(duì)傳感器的輸出波形進(jìn)行分析，便可解析出傳感器的輸出與人數(shù)、人體移動(dòng)速度與方向的關(guān)系。利用紅外熱釋電傳感器檢測(cè)人員信息，傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大電路的處理后，送到單片機(jī)，通過(guò)對(duì)輸出信號(hào)的采樣分析，便可知傳感器的輸出變化情況。本設(shè)計(jì)采用2個(gè)人體熱釋電紅外傳感器來(lái)判斷人員是進(jìn)入還是離開(kāi)房間，2個(gè)傳感器間隔10 cm左右，當(dāng)有人經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)發(fā)出信號(hào)，根據(jù)信號(hào)的先后順序便可以判斷人員是進(jìn)入房間還是離開(kāi)房間。為了解決因人員頻繁進(jìn)出而造成節(jié)能控制器的頻繁動(dòng)作，需要確定合理的延時(shí)時(shí)間，一般將延時(shí)動(dòng)作時(shí)間調(diào)整在5～15 min，該延時(shí)時(shí)間也可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。

人體熱釋電紅外線傳感器硬件設(shè)計(jì)采用BISS0001芯片。BISS0001是一款高性能的傳感信號(hào)處理集成電路，靜態(tài)電流極小，配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構(gòu)成被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器。BISS0001是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)模混合專用集成電路，其電路原理圖如圖2所示。其中，R3為光敏電阻，用來(lái)檢測(cè)環(huán)境照明度。當(dāng)作為照明控制時(shí)，若環(huán)境較明亮，R3的電阻值會(huì)降低，使9腳的輸入保持為低電平，從而封鎖觸發(fā)信號(hào)Vs。SW1是工作方式選擇開(kāi)關(guān)，當(dāng)SW1與1端連通時(shí)，芯片處于可重復(fù)觸發(fā)工作方式；當(dāng)SW1與2端連通時(shí)，芯片則處于不可重復(fù)觸發(fā)工作方式。輸出延遲時(shí)間Tx由外部的R9和C7的大小調(diào)整，其值為Tx≈24 576×R9C7；觸發(fā)封鎖時(shí)間Ti由外部的R10和C6的大小調(diào)整，其值為Ti≈24×R10C6。對(duì)熱釋電傳感器觸發(fā)頻率要求在毫秒級(jí)，所以適當(dāng)選取C6、R10、C7、R9即可。實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，由于Tx、Ti是毫秒級(jí)，已經(jīng)接近了熱釋電傳感器的分辨極限，測(cè)試時(shí)輸出信號(hào)不是很穩(wěn)定，并且輸出電壓平均值在2.4 V以下，所以在輸出端加上了一個(gè)三極管構(gòu)成的非門，可增加輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。

圖2 BISS0001電路原理

2 節(jié)能空調(diào)控制器控制策略

2.1 空調(diào)工作范圍的設(shè)定

通過(guò)設(shè)定溫度上下限來(lái)控制中央空調(diào)的開(kāi)關(guān)，按照國(guó)家使用中央空調(diào)的規(guī)定，夏季當(dāng)室溫達(dá)到溫度上限時(shí)允許打開(kāi)空調(diào)，當(dāng)室溫低于溫度下限時(shí)自動(dòng)關(guān)閉空調(diào)。冬季當(dāng)室溫達(dá)到溫度下限時(shí)允許打開(kāi)空調(diào)，當(dāng)室溫高于溫度上限時(shí)自動(dòng)關(guān)閉空調(diào)。該方案可避免無(wú)節(jié)制使用中央空調(diào)的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)需求來(lái)開(kāi)關(guān)空調(diào)。

該方案將允許空調(diào)工作的環(huán)境溫度區(qū)間分為夏季溫控區(qū)和冬季溫控區(qū)。夏季溫控區(qū)是空調(diào)制冷時(shí)的工作范圍，當(dāng)環(huán)境溫度大于夏季溫控區(qū)上限28℃時(shí)允許空調(diào)開(kāi)啟，當(dāng)環(huán)境溫度低于夏季溫控區(qū)下限24℃時(shí)自動(dòng)關(guān)閉空調(diào)；冬季溫控區(qū)是空調(diào)制熱時(shí)的允許工作范圍，當(dāng)環(huán)境溫度低于冬季溫控區(qū)下限18℃時(shí)允許空調(diào)開(kāi)啟，當(dāng)環(huán)境溫度高于冬季溫控區(qū)上限22℃時(shí)自動(dòng)關(guān)閉空調(diào)電源。溫控區(qū)的上下限可以根據(jù)用戶的實(shí)際需求進(jìn)行修改。

2.2 根據(jù)室內(nèi)人數(shù)調(diào)控空調(diào)風(fēng)量

采用人體熱釋電紅外傳感器來(lái)檢測(cè)室內(nèi)人員情況［8］：當(dāng)室有人時(shí)自動(dòng)打開(kāi)空調(diào)電源，所有人員都離開(kāi)時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)空調(diào)電源；通過(guò)統(tǒng)計(jì)室內(nèi)人數(shù)并結(jié)合房間大小來(lái)控制空調(diào)風(fēng)量的大小。

通過(guò)溫度傳感器檢測(cè)室內(nèi)溫差以及人體熱釋電紅外傳感器檢測(cè)室內(nèi)人數(shù)，綜合兩方面的“需求”來(lái)確定空調(diào)的開(kāi)關(guān)和風(fēng)量，使空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。若檢測(cè)到室內(nèi)沒(méi)人時(shí)，系統(tǒng)將延時(shí)15 min自動(dòng)關(guān)閉空調(diào)電源，這樣能夠避免空調(diào)頻繁啟動(dòng)。當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，將自動(dòng)關(guān)閉空調(diào)電源，減少待機(jī)狀態(tài)時(shí)的能耗。

2.3 無(wú)線遙控

節(jié)能空調(diào)控制器能夠接收無(wú)線遙控器發(fā)出的無(wú)線射頻控制信號(hào)，即315 MHz或433 MHz的無(wú)線射頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線就地控制；同時(shí)還可接收其它主機(jī)發(fā)來(lái)的控制信號(hào)，或通過(guò)其對(duì)外接口與外部主機(jī)建立相關(guān)的通訊聯(lián)系，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)建筑中央空調(diào)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程遙控和集中控制的目的。

2.4 根據(jù)用戶作息時(shí)間調(diào)控

對(duì)于一些對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)實(shí)施集中控制和管理的場(chǎng)所，在工作日時(shí)，一般是上班后開(kāi)啟，下班后關(guān)閉，但實(shí)際上用戶希望室內(nèi)空氣品質(zhì)能在上班時(shí)就達(dá)到舒適性的要求。由于空氣溫度的調(diào)節(jié)具有較大的滯后性，中央空調(diào)系統(tǒng)需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行后才能使空氣品質(zhì)達(dá)到舒適性的要求，用戶往往需要提前一段時(shí)間開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)才能在預(yù)定的時(shí)間達(dá)到希望的效果，在下班前可以提前關(guān)閉空調(diào)，而不需要下班后才關(guān)閉空調(diào)。根據(jù)大樓用戶作息時(shí)間和室內(nèi)與室外的溫度差異，本控制器可設(shè)定自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)間，既可以及時(shí)達(dá)到舒適性的要求，又能避免開(kāi)啟過(guò)早和關(guān)閉過(guò)晚造成的能源浪費(fèi)。

3 節(jié)能空調(diào)控制器軟件設(shè)計(jì)

3.1 MODBUS通信協(xié)議

節(jié)能空調(diào)控制器內(nèi)部采用了RS485通信，通過(guò)修改內(nèi)部寄存器和輸出命令碼來(lái)進(jìn)行控制，通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS RTU通信協(xié)議。串口設(shè)定：波特率“9 600”，校驗(yàn)位“無(wú)”，數(shù)據(jù)位“8”，停止位“1”。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

節(jié)能空調(diào)控制器控制的主程序見(jiàn)圖3所示，解碼芯片實(shí)時(shí)檢測(cè)射頻信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到的射頻信號(hào)地址經(jīng)兩次匹配后，認(rèn)為該信號(hào)為正確射頻信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)電平轉(zhuǎn)化后連接至單片機(jī)的外部中斷輸入端。單片機(jī)不斷檢測(cè)中斷信號(hào)，發(fā)生中斷后，單片機(jī)轉(zhuǎn)入中斷子程序進(jìn)行射頻信號(hào)的解析。

圖3 節(jié)能空調(diào)控制器主程序流程

在檢測(cè)到射頻信號(hào)后，首先判斷信號(hào)類型。若為控制指令，則對(duì)其進(jìn)行解析：若為開(kāi)空調(diào)指令，則觸發(fā)485發(fā)送器，并向中央空調(diào)面板發(fā)送開(kāi)空調(diào)命令；若為關(guān)空調(diào)指令，則觸發(fā)485發(fā)送器，并向中央空調(diào)面板發(fā)送關(guān)空調(diào)命令；若為升高溫度指令，則觸發(fā)485發(fā)送器，并向中央空調(diào)面板發(fā)送升溫命令；若為降溫指令，則觸發(fā)485發(fā)送器，并向中央空調(diào)面板發(fā)送降溫命令；若為人體熱釋電紅外檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)分析接收到的兩個(gè)傳感器信號(hào)的時(shí)間順序來(lái)判斷人員是進(jìn)入還是離開(kāi)房間，若先接收到傳感器1的信號(hào)則為進(jìn)入房間，若先接收到傳感器2的信號(hào)則為離開(kāi)房間，以此來(lái)統(tǒng)計(jì)房間內(nèi)的人數(shù)，根據(jù)房間人數(shù)來(lái)控制空調(diào)風(fēng)量。

在程序中，空調(diào)風(fēng)量的大小選擇通常是根據(jù)室內(nèi)面積和室內(nèi)人數(shù)來(lái)決定?？照{(diào)風(fēng)量與房間面積和室內(nèi)人數(shù)的匹配表見(jiàn)表1所示，用戶也可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改。

表1 調(diào)風(fēng)量與房間面積和室內(nèi)人數(shù)的匹配

4 應(yīng)用分析

以中國(guó)第一座被動(dòng)式低能耗正能量智能房屋為例，該建筑位于中國(guó)國(guó)際門窗城內(nèi)（保定），其中安裝了整套智能家居控制系統(tǒng)。其中的中央空調(diào)器采用了該文設(shè)計(jì)的節(jié)能型控制器。該節(jié)能型空調(diào)控制器既可單獨(dú)運(yùn)行，還可以通過(guò)無(wú)線射頻、RS485線與智能家居主機(jī)進(jìn)行通信，將中央空調(diào)融入到了智能家居控制系統(tǒng)之中。

在該建筑內(nèi)以2個(gè)相同的房屋進(jìn)行節(jié)能效果比較，其中一間安裝節(jié)能型空調(diào)控制器，另一間安裝普通的中央空調(diào)控制器。將中央空調(diào)設(shè)定為25℃，記錄每天的溫度和中央空調(diào)用電量，對(duì)比2個(gè)房屋溫度變化和用電情況，一個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，溫度和用電量對(duì)比見(jiàn)圖4和圖5所示，可以看出安裝節(jié)能型空調(diào)控制器的房屋比使用普通空調(diào)控制器的房屋溫度波動(dòng)小并且用電量少，且每月少用電量約20 k Wh。

圖4 室內(nèi)溫度變化對(duì)比

圖5 用電量對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

以上設(shè)計(jì)的節(jié)能型空調(diào)控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)中央空調(diào)的智能化動(dòng)態(tài)控制，無(wú)需用戶操作即可進(jìn)行溫度調(diào)整，即根據(jù)室內(nèi)溫度、室內(nèi)人數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使空調(diào)一直工作在最佳的節(jié)能狀態(tài)。同時(shí)該控制器還可做為一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，很方便地融入整個(gè)建筑的智能控制系統(tǒng)之中，用戶可以利用任何具有網(wǎng)絡(luò)瀏覽能力的個(gè)人計(jì)算機(jī)、手機(jī)，并在授權(quán)的情況下，對(duì)空調(diào)設(shè)備進(jìn)行控制。實(shí)際應(yīng)用表明，該控制器設(shè)計(jì)合理、性能穩(wěn)定、安裝方便，達(dá)到整個(gè)建筑的節(jié)能降耗目的。

［1］ 謝陳磊，方潛生，張振亞，等.建筑節(jié)能檢測(cè)中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與研究［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2012，26（1）：49－50.

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