朱學莉 曹 沖

(1：蘇州科技學院電子與信息工程學院，蘇州 215009； 2:蘇州科技學院土木工程學院，蘇州 215009)

0 引言

建筑能耗歷來都是能源消耗的重要組成部分.隨著人們生活水平的提高，我國的空調(diào)能耗在建筑能耗中所占比例迅速上升.夏季空調(diào)集中使用時，京、津、滬等超大城市的空調(diào)負荷約占整個城市尖峰負荷的40%左右[1].隨著人口的增加和城鎮(zhèn)化進程的快速發(fā)展，我國房屋建筑數(shù)量、面積的迅速增加和采暖、空調(diào)及家用電器的普遍使用，導(dǎo)致建筑能耗持續(xù)上升.為了緩解能源緊張的壓力、解決社會經(jīng)濟發(fā)展與能源供應(yīng)不足的矛盾，中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)研究已得到了社會的廣泛關(guān)注[2-5].

本研究應(yīng)用自動控制、無線通信及網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)相結(jié)合的方法，開發(fā)了中央空調(diào)節(jié)能現(xiàn)場監(jiān)控裝置，對多個動力中心進行無線網(wǎng)絡(luò)集成，構(gòu)成了一個中央空調(diào)節(jié)能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò).

1 技術(shù)平臺及通信方式

1.1 技術(shù)平臺

本研究以嵌入式系統(tǒng)為核心，系統(tǒng)由嵌入式微控制器、外圍設(shè)備及電路、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序幾部分組成.根據(jù)應(yīng)用的特點，選用了德州儀器生產(chǎn)的MSP430系列微控制器作為主處理器，輔以CC1101射頻收發(fā)器，設(shè)計了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點模塊，實現(xiàn)了節(jié)能監(jiān)控的目標.

1.2 網(wǎng)絡(luò)的通信方式

在本研究中，中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由監(jiān)控中心、監(jiān)控主節(jié)點和監(jiān)控從節(jié)點三部分組成.系統(tǒng)采用無線射頻方式組網(wǎng)通信，監(jiān)控中心和監(jiān)控主節(jié)點、從節(jié)點之間采用定制開發(fā)的主-從通信協(xié)議進行半雙工通信.RF射頻通信的特點是信號鏈路簡單、設(shè)備小型化、低功耗、運行費用低，具有較強的信號傳輸能力.

低功耗射頻通信模塊的主要特點是硬件結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、通信速率高、性能穩(wěn)定，且可采用兩節(jié)AAA電池供電使用.無線射頻收發(fā)器利用855MHz頻段提供數(shù)據(jù)傳遞，目前可支持最高38.4kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率.

2 中央空調(diào)節(jié)能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

本系統(tǒng)是一個以監(jiān)控中心為核心的中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測與控制網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)對多個動力中心的節(jié)能運行管理，采用無線射頻通信模塊進行系統(tǒng)的無線通信組網(wǎng)，每個動力中心的主節(jié)點與下設(shè)的從節(jié)點既可采用無線射頻通信，也可采用有線方式進行通信，方式靈活.

圖1 無線射頻模式下的中央空調(diào)節(jié)能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

中央空調(diào)節(jié)能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是一個具有主從結(jié)構(gòu)的子網(wǎng)絡(luò)，由節(jié)能監(jiān)控中心，多個動力中心主站(主節(jié)點)與多個子站(從節(jié)點)組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

節(jié)能監(jiān)控中心由一臺PC機和監(jiān)控中心通信模塊組成，PC機同通信模塊通過串口相連，進行數(shù)據(jù)交換，PC機可通過上位機GUI界面對動力中心監(jiān)控主節(jié)點和各從節(jié)點進行監(jiān)測和控制.

動力中心監(jiān)控主站由主站通信模塊和主站控制終端模塊組成，負責現(xiàn)場參數(shù)設(shè)定、控制模式設(shè)定等現(xiàn)場操作，并對從節(jié)點進行管理.

監(jiān)控子站控制/通信模塊采用德州儀器MSP430F249微控制器和CC1101射頻收發(fā)器設(shè)計開發(fā)，并配以各種數(shù)據(jù)采集模塊和執(zhí)行器模塊.

RF射頻通信模塊可利用300MHz～348MHz，389MHz～464MHz，779MHz～928MHz頻帶通信，數(shù)據(jù)通信速率范圍為0.6kbps～500kbps，靈敏度可達-113dBm(數(shù)據(jù)速率1kbps時)，并支持2-FSK，2-GFSK和MSK，以及OOK和靈活A(yù)SK整型.本研究實際設(shè)計中選用885MHz通信速率為20kbps，采用2-FSK調(diào)制方式.

主-從節(jié)點之間采用半雙工通信方式，使用配合項目方案設(shè)計的主-從模式通信協(xié)議.

3 中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)控裝置的研發(fā)

中央空調(diào)節(jié)能監(jiān)控裝置設(shè)在動力中心，用于對動力中心的運行工況進行監(jiān)測與控制，以實現(xiàn)冷卻水泵、冷凍水泵、乙二醇泵、冷卻塔風機及多工況主機等的節(jié)能運行及系統(tǒng)的優(yōu)化控制.

3.1 硬件設(shè)計與研制

3.1.1 硬件的功能

在本研究中，中央空調(diào)節(jié)能監(jiān)控裝置的主要功能為：

(1) 制冷供熱工況監(jiān)測. 顯示板式換熱器一、二級網(wǎng)供回水溫度、供回水壓力等重要參數(shù)及冷卻水泵、冷凍水泵、乙二醇泵、冷卻塔風機的運行狀態(tài)；

(2) 制冷供熱參數(shù)設(shè)定. 參數(shù)設(shè)定分為兩類：第一類為現(xiàn)場閥門開度、變頻器頻率、負荷值等現(xiàn)場變量的手動設(shè)定；第二類為各控制回路控制參數(shù)的設(shè)定；

(3) 動力中心設(shè)備運行節(jié)能控制. 通過采集的系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，按照系統(tǒng)優(yōu)化運行方案控制冷卻塔風機、冷卻水循環(huán)泵、乙二醇泵、雙工況主機、乙二醇補水泵等的節(jié)能運行；

(4) 水循環(huán)系統(tǒng)的節(jié)能控制. 將負荷預(yù)報與PID控制結(jié)合，以預(yù)報負荷作為冷凍水循環(huán)泵變頻器的工作頻率的設(shè)定值，即根據(jù)預(yù)報的負荷調(diào)節(jié)冷凍水泵的速度，使其處于節(jié)能運行狀態(tài)[6]；

(5) 報警記錄. 在系統(tǒng)運行過程中，對參數(shù)超限進行實時報警，并將報警信號傳至上位機.在監(jiān)控中心，可通過歷史報警記錄表查看歷史報警記錄信息，并具有報警記錄打印功能.

3.1.2 節(jié)能監(jiān)控中心

監(jiān)控中心使用的通信模塊選用德州儀器MSP430F233微控制器，配以CC1101射頻收發(fā)器.MSP430F系列微控制器采用先進的16位RISC內(nèi)核，具有抗干擾能力強、處理能力強、運算速度快、功耗低和片內(nèi)資源豐富等特點，且搭配有方便高效的開發(fā)環(huán)境(CCS).

3.1.3 監(jiān)控主站

動力中心監(jiān)控主站主要由主站通信模塊和主站控制終端模塊組成.主站通信模塊選用德州儀器MSP430F233微控制器，配以CC1101射頻收發(fā)器，區(qū)別于監(jiān)控中心通信模塊，主站通信模塊需要處理更多的數(shù)據(jù)，硬件上利用了速率更高的I2C接口與主站控制模塊相連，亦開辟了數(shù)據(jù)發(fā)送/接收的軟件FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以更好地中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù).

圖2 主站控制模塊的結(jié)構(gòu)

主站控制模塊采用dsPIC33FJ16GP304微控制器作為主控模塊，并配有點陣式LCD顯示模塊及各種外圍器件.主站的結(jié)構(gòu)如圖2所示.

主站通信模塊以38.4kbps的速率與監(jiān)控中心通信模塊和子站通信模塊交換數(shù)據(jù).模塊支持多路數(shù)字電平輸入，并且能以500ksps，10位精度采集8路模擬輸入,也可借助外部DAC器件輸出多路12bit精度模擬信號用以控制水泵轉(zhuǎn)速.作為備選通信方式，模塊支持隔離的RS-485數(shù)據(jù)傳輸與子站通信模塊組成一主多從的有線子網(wǎng)絡(luò).

LCD顯示模塊主要實現(xiàn)控制模式設(shè)定、系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測、過程參數(shù)報警、自動控制參數(shù)設(shè)定等功能.

3.1.4 監(jiān)控子站

監(jiān)控子站的通信/控制模塊采用德州儀器的MSP430F249微控制器和CC1101射頻收發(fā)器設(shè)計開發(fā)，通信/控制模塊同時進行數(shù)據(jù)的采集處理和射頻收發(fā)器控制.

微控制器通過SPI直接控制CC1101射頻收發(fā)模塊，同時考慮到子站可能處于的惡劣工況，模塊的模擬/數(shù)字輸入和模擬/數(shù)字輸出部分均做了隔離處理以提高安全和穩(wěn)定性.子站通信/控制模塊支持RS-485數(shù)據(jù)傳輸，可與動力主站組成一主多從的有線通信網(wǎng)絡(luò).

3.2 軟件開發(fā)

本研究主站和子站模塊程序分別在Microchip MPLAB和TI CCSV4集成開發(fā)環(huán)境下使用C語言編寫.

為了最大化電池使用時間，各無線模塊中均設(shè)置了休眠，可由主站遙控休眠，也可通過等待計時進入休眠.實測中模塊在休眠待機模式下平均工作電流小于3mA.

上位機界面采用C#語言，在微軟Visual Studio 2010 Express環(huán)境下開發(fā)，通過無線射頻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對動力中心設(shè)備的監(jiān)控.

4 結(jié)論

本項目所研發(fā)的中央空調(diào)節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)將自動控制、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了建筑群中多個動力中心統(tǒng)一進行管理.每一個動力中心配置為一個子網(wǎng)，現(xiàn)場監(jiān)控裝置(主從節(jié)點)之間通過855MHz射頻信道構(gòu)建一主多從子網(wǎng)絡(luò)，也可通過RS-485或CAN等串行總線構(gòu)建有線子網(wǎng)，結(jié)構(gòu)形式方便靈活.現(xiàn)場控制裝置以嵌入式系統(tǒng)為核心，其主要優(yōu)勢是系統(tǒng)內(nèi)核小、專用性強、系統(tǒng)精簡，且功耗低、體積小、可靠性好.

本項目利用RF無線射頻通信技術(shù)，將中央空調(diào)節(jié)能監(jiān)控裝置集成到監(jiān)控中心，實時將現(xiàn)場設(shè)備運行數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控中心，可由監(jiān)控中心發(fā)出節(jié)能控制指令，也可在現(xiàn)場對設(shè)備進行控制與管理.

針對中央空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)能耗優(yōu)化，在水循環(huán)過程控制系統(tǒng)中，以負荷預(yù)報結(jié)果為基準，采用PID控制算法，可在冷凍水泵變頻調(diào)速基礎(chǔ)上進一步節(jié)能5%～10%，其節(jié)能效果明顯.

參 考 文 獻

[1] 趙喬喬.淺談房屋建筑的能耗問題及節(jié)能設(shè)計措施[J].黑龍江科技信息,2009(27)：299.

[2] 王 鑫，武 洋.中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)研究[J].中國外資,2012(13)：231.

[3] 陶永貴.中央空調(diào)制冷站節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用研究[J].應(yīng)用科學，2010(23)：130-131.

[4] 趙 玲.中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能措施探討[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2011(17)：295.

[5] 鄒玉東.中央空調(diào)節(jié)能技術(shù)研究[J].科技風，2010(9)：93.

[6] XUELI ZHU，BO DONG.Application Study of Energy-saving Control of Refrigeration/Heating Process in Central Air Conditioning System[C].Proceedings of the 2013 International Conference on Energy,2013.