王凱，沈星林

（浙江中控自動(dòng)化儀表有限公司）

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一種新型聯(lián)網(wǎng)型智能溫控器的應(yīng)用

王凱，沈星林

（浙江中控自動(dòng)化儀表有限公司）

【摘要】針對(duì)中央空調(diào)的風(fēng)機(jī)盤管溫度控制系統(tǒng),設(shè)計(jì)一種基于低功耗芯片KL36的聯(lián)網(wǎng)型FCU520溫控器。主要包括人機(jī)交互和風(fēng)機(jī)盤管控制兩大模塊，采用主流的電容按鍵和液晶顯示完成人機(jī)交互，采用模糊控制風(fēng)機(jī)盤管算法實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)盤管的節(jié)能控制。在一般實(shí)用溫控器功能基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)控制功能，該功能兼?zhèn)渖衔粰C(jī)遠(yuǎn)程操作和Wi-Fi遠(yuǎn)程控制能力。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)機(jī)盤管；低功耗；模糊控制；遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)控制；Wi-Fi

1 引言

建筑電氣的智能化、節(jié)能化是世界建筑技術(shù)發(fā)展的大趨勢(shì)。在辦公樓、賓館、醫(yī)院、商用住宅、科研單位、休閑娛樂(lè)等公共場(chǎng)所中，大部分都采用風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)[1]。隨著人們生活水平的提高，機(jī)械、電子溫控器已不能滿足人們對(duì)舒適程度、便捷操作、人性化設(shè)計(jì)等方面的要求。

在互聯(lián)網(wǎng)大潮的推動(dòng)下，浙江中控自動(dòng)化儀表有限公司推出聯(lián)網(wǎng)型FCU520溫控器，在設(shè)計(jì)性能可靠的風(fēng)機(jī)盤管控制器的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)集中控制、Wi-Fi互聯(lián)網(wǎng)控制、風(fēng)速模糊控制、分戶計(jì)量功能以及機(jī)組節(jié)能。增加了人們使用的便捷性以及娛樂(lè)性，更加有利于這種新興智能建筑產(chǎn)品的推廣[2]。

2 新型智能溫控器設(shè)計(jì)原理

2.1 傳統(tǒng)溫控器設(shè)計(jì)原理

普通風(fēng)機(jī)盤管控制器基本上是一個(gè)閉環(huán)的溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，主要由溫度傳感器、雙位控制器、溫度設(shè)定機(jī)構(gòu)、手動(dòng)三速開(kāi)關(guān)和冷熱切換裝置組成。其控制原理是根據(jù)溫度傳感器測(cè)得的室溫與設(shè)定值的比較結(jié)果，發(fā)出雙位控制信號(hào)，使得室溫在設(shè)定值上下某個(gè)范圍之內(nèi)波動(dòng)。但是，卻普遍存在“控制精度不高”、“時(shí)間常數(shù)設(shè)置太大”，“操作過(guò)復(fù)雜”等問(wèn)題[3]。

2.2 新型智能溫控器設(shè)計(jì)原理

聯(lián)網(wǎng)型FCU520溫控器系統(tǒng)總體上可以分為人機(jī)交互和風(fēng)機(jī)盤管控制兩大模塊，圖1為總體設(shè)計(jì)架構(gòu)框圖。其中，人機(jī)交互模塊的作用是：熱敏電阻采集室溫，操作電容按鍵修改配置，液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示參數(shù)，也可通信或者通過(guò)Wi-Fi遠(yuǎn)程控制本地設(shè)備。風(fēng)機(jī)盤管控制模塊的作用是：按照液晶顯示屏配置，完成風(fēng)機(jī)盤管控制；自動(dòng)模式下，采集溫度與設(shè)置溫度為模糊控制策略的輸入?yún)?shù)，完成對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)盤管控制，進(jìn)而完成對(duì)室內(nèi)溫度平穩(wěn)、快速的控制，最終營(yíng)造一個(gè)舒適的溫度環(huán)境。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

溫控器以融合低功耗技術(shù)的Kinetis L系列微控制器KL36為核心，充分利用KL36微控制器的強(qiáng)大外設(shè)功能，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互模塊、溫度精確采集模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、能耗計(jì)量模塊、模糊控制模塊、聯(lián)網(wǎng)通信和Wi-Fi通信模塊，以及其他人性化模塊。

整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。系統(tǒng)在完成初始化后即進(jìn)入主循環(huán)，從而循環(huán)處理按鍵狀態(tài)判斷、界面顯示、溫度采集和計(jì)算、模塊控制等相關(guān)任務(wù)，以及完成蜂鳴器、呼吸燈、背光亮度的控制。同時(shí)，開(kāi)啟定時(shí)器控制部分任務(wù)的節(jié)拍（RTC更新、溫度采集、按鍵掃描、無(wú)線模塊狀態(tài)等）；另外開(kāi)啟UART中斷，處理RS485網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和Wi-Fi數(shù)據(jù)的交互。

圖1　總體設(shè)計(jì)架構(gòu)框圖

圖2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

3.2 功能模塊

3.2.1 人機(jī)交互

人機(jī)交互模塊實(shí)現(xiàn)通過(guò)芯片TSI模塊，實(shí)時(shí)掃描電源/模式/減少/增加/時(shí)鐘/風(fēng)速6個(gè)電容按鍵通道。圖3為單個(gè)電容按鍵采集原理圖，通過(guò)手對(duì)KEY3的觸碰完成采集按鍵。并實(shí)現(xiàn)時(shí)間設(shè)置、模式和檔位切換、溫度的調(diào)節(jié)等功能。圖4為FCU520溫控器人機(jī)界面圖。無(wú)人操作15s后，降低背光燈亮度，關(guān)閉按鍵指示燈，啟用呼吸燈，在保證家庭舒適的同時(shí)，盡量做到節(jié)能舒適以及智能便捷。為了適合不同的應(yīng)用場(chǎng)景，軟件配置加鎖功能、遠(yuǎn)程/本地切換功能、禁止修改通信地址等功能，給予不同控制權(quán)限，防止誤觸碰。

圖3　電容按鍵采集原理圖

圖4　溫控器人機(jī)界面圖

3.2.2 溫度采集與處理

圖5　溫度采集模塊

圖5為溫度采樣電路硬件設(shè)計(jì)原理圖。2.5V為芯片提供的采樣基準(zhǔn)電壓值，根據(jù)電阻分壓原理，采集103AT熱敏電阻一端的電壓信號(hào)。經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大芯片，提高ADC模塊的輸入阻抗，可以調(diào)高采集精度，且電路簡(jiǎn)便[4]。內(nèi)部16bitA/D對(duì)采集到的16進(jìn)制電壓信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出熱敏電阻端電壓值，并再次折算出熱敏電阻阻值；通過(guò)查精度為1℃的阻值-溫度對(duì)照表，得出當(dāng)前實(shí)際溫度值?？梢苑奖闳鏑O2數(shù)據(jù)采集、報(bào)警、濕度監(jiān)測(cè)等功能的擴(kuò)展。

3.2.3 模糊控制

采用智能模糊控制算法直接控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)自動(dòng)在高、中、低三檔切換，用循環(huán)風(fēng)量調(diào)節(jié)室溫。在無(wú)需任何改動(dòng)的條件下，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單“雙位控制”到“智能模糊控制”的飛躍。操作界面簡(jiǎn)單化，整個(gè)控制過(guò)程只需設(shè)定一個(gè)溫度值，即可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)智能運(yùn)行。

本系統(tǒng)選擇空調(diào)房間的溫度差E(t)（E(t)= 實(shí)際值-設(shè)定值）和溫度差的變化率ΔE(t)（ΔE(t) = E1(t)-E2(t)，E1(t)本次偏差值，E2(t)上一次偏差值（30s前的溫度值）），作為模糊控制器的輸入變量。通過(guò)模糊控制器中的模糊規(guī)則邏輯判斷，決策出控制量、風(fēng)機(jī)送風(fēng)量和冷熱水閥的開(kāi)關(guān)作為模糊控制器的輸出變量。輸入變量中的溫度差論域m=7，溫度差變化率論域n=7。輸出變量控制量論域l=5，選擇五個(gè)詞匯（關(guān)閥/風(fēng)1，關(guān)閥/風(fēng)2，開(kāi)閥/冷1，開(kāi)閥/冷2，開(kāi)閥/冷3）或（關(guān)閥/風(fēng)1，關(guān)閥/風(fēng)2，開(kāi)閥/熱1，開(kāi)閥/熱2，開(kāi)閥/熱3），使用條件語(yǔ)言描述手動(dòng)控制策略，如表1所示，完成模糊控制器的控制規(guī)則設(shè)計(jì)。

3.2.4 計(jì)費(fèi)功能

該溫控器還具備能耗計(jì)量功能，通過(guò)記錄3個(gè)檔位的運(yùn)行時(shí)間，形成單個(gè)風(fēng)機(jī)盤管運(yùn)行歸一時(shí)間，PC端可以聯(lián)網(wǎng)讀取每個(gè)溫控器各檔位運(yùn)行時(shí)間。系統(tǒng)軟件累計(jì)各戶所有溫控器的統(tǒng)一運(yùn)行時(shí)間，通過(guò)與總的空調(diào)能耗對(duì)比，按比例去計(jì)算分?jǐn)偯颗_(tái)溫控器或每戶的空調(diào)費(fèi)用，這樣就實(shí)現(xiàn)分戶計(jì)量功能。

3.2.5 通信功能

溫控器具有聯(lián)網(wǎng)功能和Wi-Fi控制功能，屬于智能家居的一部分。聯(lián)網(wǎng)功能適合監(jiān)控中心為主設(shè)備、通信連接為標(biāo)準(zhǔn)的RS485，以及溫控器為從設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。通信協(xié)議遵循標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議，使用Modbus-RTU模式。監(jiān)控中心定時(shí)輪詢網(wǎng)絡(luò)上各溫控器，獲取運(yùn)行時(shí)間、檔位等信息，并具有多項(xiàng)遠(yuǎn)程控制功能，比如遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)、遠(yuǎn)程/本地控制權(quán)限切換、遠(yuǎn)程鎖定通信地址等功能。同時(shí)兼?zhèn)溥h(yuǎn)程Wi-Fi控制功能，如圖6所示。日常生活中，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連接，直接連接Wi-Fi模塊控制；如果需要遠(yuǎn)程控制，則將溫控器Wi-Fi模塊接入因特網(wǎng)，用戶都可以通過(guò)定制的手機(jī)APP程序，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制該溫控器，且具有控制目標(biāo)的唯一性。

3.2.6 實(shí)時(shí)時(shí)鐘與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片使用PCF8563，采用簡(jiǎn)單普遍的I2C接口與芯片通信，提供年、月、日、時(shí)、分、秒、星期等信息，芯片工作功耗較低，典型工作電流為0.25μA。并且硬件設(shè)計(jì)外部電源和備用電池切換機(jī)制，使得外部供電時(shí)，不消耗備用電池電源；掉電時(shí)，可以長(zhǎng)久維持時(shí)鐘芯片正常工作。

表1　模糊控制器的制冷控制規(guī)則表

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用SPI接口通信且高效存儲(chǔ)芯片CAT25160，長(zhǎng)時(shí)間掉電數(shù)據(jù)不丟失。用于完成對(duì)模式、風(fēng)機(jī)檔位、能耗計(jì)量時(shí)間、地址、補(bǔ)償溫度、管制等重要數(shù)據(jù)的保存。在掉電后，用戶不必反復(fù)設(shè)置之前各重要參數(shù)，設(shè)計(jì)更加人性化并增加用戶的體驗(yàn)感。

圖6　Wi-Fi控制示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

聯(lián)網(wǎng)型FCU520溫控器外觀設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)86外形尺寸及標(biāo)準(zhǔn)安裝尺寸，方便智能樓宇改造，布置方便靈活，工作可靠，組網(wǎng)方便，可移動(dòng)性和可擴(kuò)展性強(qiáng)。該產(chǎn)品自動(dòng)化程度高，控制穩(wěn)定精準(zhǔn)，操作簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)人性化，適合寫字樓、商場(chǎng)、賓館、醫(yī)療、別墅等民用建筑使用。家居控制和Wi-Fi技術(shù)的結(jié)合具有很廣闊的前景，是當(dāng)前智能樓宇發(fā)展的一個(gè)方向。在性能可靠的控制器的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)機(jī)盤管控制方式，提高溫度控制精度，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能，提高樓宇自動(dòng)化程度。

參考文獻(xiàn)

[1]李炎鋒,張寧,邊江.風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)智能控制方案的實(shí)驗(yàn)研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,05:731-736.

[2]劉曉石,沈忠華,姚曉東等.基于ZigBee和Wi-Fi的室內(nèi)智能照明系統(tǒng)[J].信息系統(tǒng)工程,2014,04:35-37.

[3]郝學(xué)軍,楊暉,侯書(shū)新等.智能溫控器在風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用與節(jié)能分析[J].家電科技,2004,06:82-83.

[4]蔡滿軍,吳磊.智能溫度控制器的設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化儀表,2010,10:68-71.

Application of a new Networked Intelligent Temperature Controller

WANG Kai, SHEN Xing-lin

(Zhejiang Supcon Instrument Co.,Ltd. )

【Abstract】For the central air-conditioning fan coil temperature control system, the Networked FCU520 temperature controller which based on a low-power chips KL36 is designed. It mainly includes the HMI and fan coil control two modules. Capacitive buttons and LCD display are used in HMI module. Using the Fuzzy Control Algorithm to achieve energy saving control of the fan coil. On the basis of general utility temperature control function, remote network control function is designed. It combines PC remote operation and Wi-Fi remote control capabilities.

【Keywords】fan coil；low power；fuzzy control algorithm；remote network control；Wi-Fi