陳志楨,董建懷

(福建江夏學(xué)院電子信息科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350108)

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家居新風(fēng)系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳志楨,董建懷

(福建江夏學(xué)院電子信息科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350108)

為使新風(fēng)系統(tǒng)與空調(diào)協(xié)調(diào)工作，設(shè)計(jì)了由主控制器、空調(diào)控制單元、空調(diào)狀態(tài)檢測(cè)單元以及室外溫度采集節(jié)點(diǎn)等模塊組成的新風(fēng)系統(tǒng)控制器.該控制器各模塊間利用Zigbee技術(shù)進(jìn)行通信，控制器通過對(duì)室外當(dāng)前溫度與預(yù)設(shè)的房間期望溫度的比較，以±1 ℃溫控的方法平滑控制空調(diào)的啟閉以及智能地控制新風(fēng)的引入.實(shí)驗(yàn)表明：該控制器功耗低、可靠性高、成本低、使用方便，可在智能家居領(lǐng)域推廣使用.

智能家居；控制器；新風(fēng)系統(tǒng)；Zigbee技術(shù)

隨著空調(diào)應(yīng)用的普及，人們長(zhǎng)時(shí)間處于封閉空調(diào)房中容易引發(fā)下呼吸道、大腦神經(jīng)失衡等疾病，采用新風(fēng)系統(tǒng)[1]來提高家居空氣質(zhì)量將成為一種趨勢(shì).近年來，有不少關(guān)于新風(fēng)系統(tǒng)的研究成果，如劉小斌等[2]設(shè)計(jì)了一種集通風(fēng)與控制為一體的智能環(huán)保新風(fēng)系統(tǒng)用于降低基站空調(diào)能耗；向宏[3]提出使用BIN法計(jì)算新風(fēng)負(fù)荷量，減少新風(fēng)負(fù)荷，降低空調(diào)能耗.同時(shí)，一些研究者將模糊控制理論和自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制引用到新風(fēng)系統(tǒng)[4-5]，但迄今為止，在新風(fēng)系統(tǒng)控制器中引入無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)還比較少見.另外，當(dāng)前研究的新風(fēng)系統(tǒng)控制器主要存在以下兩個(gè)問題：一是控制器大多僅局限于控制新風(fēng)的啟閉，沒有結(jié)合當(dāng)前環(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)新風(fēng)與空調(diào)的聯(lián)動(dòng)控制，更沒有對(duì)空調(diào)的啟閉進(jìn)行平滑控制[6]；二是控制器電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴，安裝不便，難以在一般家庭普及應(yīng)用[7].針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee技術(shù)的新風(fēng)系統(tǒng)控制器，通過實(shí)時(shí)采集室外環(huán)境溫度與房間預(yù)置溫度，智能、協(xié)調(diào)地控制各房間空調(diào)與新風(fēng)的啟閉，達(dá)到提高室內(nèi)空氣質(zhì)量，節(jié)約能耗的目的.

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新風(fēng)系統(tǒng)是一套完整的空氣處理系統(tǒng)，由控制器，新風(fēng)機(jī)組、多層凈化過濾系統(tǒng)和能量交換系統(tǒng)組成.按送風(fēng)方式可分為單向流新風(fēng)系統(tǒng)、雙向流新風(fēng)系統(tǒng)和地送風(fēng)系統(tǒng).本文以雙向流新風(fēng)系統(tǒng)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，文中不討論多層凈化過濾系統(tǒng)與能量交換系統(tǒng)的采集與反饋電路，主要研究新風(fēng)系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì).新風(fēng)系統(tǒng)控制示意圖如圖1所示.新風(fēng)系統(tǒng)控制器由主控制器、空調(diào)控制單元、空調(diào)狀態(tài)檢測(cè)單元和室外溫度采集節(jié)點(diǎn)等模塊組成，各模塊間通過Zigbee技術(shù)通信.主控制器上包含的CC2530片上系統(tǒng)作為Zigbee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，室外溫度采集節(jié)點(diǎn)上的CC2530片上系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)的終端，其他模塊上所包含的的CC2530片上系統(tǒng)充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的路由器.

圖1中，主控制器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各模塊工作，控制新風(fēng)機(jī)組的運(yùn)行，實(shí)行人機(jī)交互等，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.空調(diào)控制單元負(fù)責(zé)采集當(dāng)前房間的溫度，控制該房間空調(diào)的運(yùn)行；空調(diào)狀態(tài)檢測(cè)單元負(fù)責(zé)檢測(cè)空調(diào)的狀態(tài)；室外溫度采集節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)室外溫度的實(shí)時(shí)采集.

當(dāng)主控制器對(duì)某一空調(diào)控制單元發(fā)出控制空調(diào)的命令時(shí)，該空調(diào)控制單元使用紅外遙控器控制空調(diào)動(dòng)作，同時(shí)向主控制器反饋當(dāng)前房間的溫度信息，空調(diào)狀態(tài)檢測(cè)單元向主控制器反饋空調(diào)狀態(tài)，構(gòu)成閉環(huán)回路控制.同時(shí)為保證系統(tǒng)的可靠性，設(shè)定在控制開始5 min后,室內(nèi)溫度無明顯變化趨勢(shì)且該房間溫度仍未達(dá)到所設(shè)定溫度±1 ℃范圍內(nèi)，即為控制不成功，在主控制器的人機(jī)交互模塊上發(fā)出警報(bào).

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1空調(diào)控制單元設(shè)計(jì)

空調(diào)控制單元由CC2530片上系統(tǒng)、電源模塊、紅外遙控器和DS18B20溫度傳感器[8]組成.電源模塊采用芯源半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的AC-DC原邊反饋芯片MP020-5GS.它內(nèi)部集成一個(gè)700 V的金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，具有過電壓、開路和過流保護(hù)，空載功率小于30 mW.MP020-5GS的原邊反饋使得電源方案簡(jiǎn)單，節(jié)省了成本和PCB布局空間.220 V交流電經(jīng)電源模塊后直接轉(zhuǎn)換成3.3 V的直流電供CC2530片上系統(tǒng)、紅外遙控器和DS18B20溫度傳感器使用.DS18B20溫度測(cè)量范圍為-55～125 ℃，精度為±0.5 ℃，最大工作電流為3 mA，靜態(tài)電流為3 μA，可滿足系統(tǒng)需求.

2.2空調(diào)狀態(tài)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

為使空調(diào)控制單元準(zhǔn)確地對(duì)空調(diào)發(fā)出控制命令，必須判斷空調(diào)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài).空調(diào)狀態(tài)檢測(cè)由電壓跟隨器、比較電路和單穩(wěn)態(tài)電路組成，如圖3所示.信號(hào)采集使用交流互感器完成，交流互感器兩端接1 kΩ取樣電阻.

從取樣電阻接入的信號(hào)經(jīng)電壓跟隨器和比較電路接入單穩(wěn)態(tài)電路，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只固定維持外圍電阻電容給定的一段時(shí)間就恢復(fù)觸發(fā)前狀態(tài).74HC123外圍所接的電阻為1 kΩ，電容22 μF，輸出的脈沖寬度Wp=R×C，計(jì)算可得脈沖寬度為22 ms.信號(hào)頻率為50 Hz，每個(gè)信號(hào)周期內(nèi)低電平最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間不超過20 ms，可做到B端有連續(xù)正脈沖輸入時(shí)，Q端一直保持高電平，為系統(tǒng)判斷空調(diào)狀態(tài)提供準(zhǔn)確的信號(hào).

2.3無線傳輸模塊設(shè)計(jì)

CC2530與天線之間連接有巴倫電路、隔直電容和一個(gè)π型電路.CC2530是以差分的形式輸出，所以需要加巴倫電路以實(shí)現(xiàn)平衡—非平衡轉(zhuǎn)換，功率發(fā)射模塊電路原理圖如圖4所示.圖4中，L1，C8，L3和C12構(gòu)成巴倫電路.巴倫電路的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮外界因素造成的影響.在PCB板的設(shè)計(jì)過程中，一個(gè)過孔的寄生電感、電容值計(jì)算公式如下：

L=5.08h(ln(4h/d)+1)，

(1)

C=1.41ErTD1/(D2-D1).

(2)

設(shè)計(jì)中,PCB板過孔長(zhǎng)度為h=2.00 mm，鉆孔直徑d=0.20 mm，代入式(1)可得一個(gè)過孔的寄生電感值：L=1 nH.PCB板過孔在地層上的阻焊區(qū)域直徑D2=0.81 mm，PCB過孔焊盤的直徑D1=0.41 mm，板厚T=1.26 mm，使用FR-4板基材，介電常數(shù)值Er取4.5.代入式(2)可得一個(gè)過孔寄生電容值：C=0.78 pF.因外界因素的影響，巴倫電路的電感、電容實(shí)際取值為2.2 nH和1 pF.節(jié)點(diǎn)天線采用倒F天線[9]，如圖4所示.

2.4溫度采集節(jié)點(diǎn)電源設(shè)計(jì)

室外溫度采集節(jié)點(diǎn)電源采用升壓型DC-DC芯片PT1301，該芯片啟動(dòng)電壓為0.8 V，轉(zhuǎn)換效率90%以上，圖5為輸出電壓+3.3 V、電流100 mA時(shí) PT1301的工作原理圖.該節(jié)點(diǎn)每隔15 s進(jìn)行一次溫度采集并將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，其中DS18B20以9位分辨率進(jìn)行一次溫度采集最長(zhǎng)時(shí)間不超過100 ms， CPU工作電流8.9 mA.CC2530以2.81 mW的功率發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，工作時(shí)間15 ms，最大工作電流37.5 mA.A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間短，工作電流小，該功耗忽略不計(jì).其余時(shí)間CC2530以電源模式1進(jìn)行睡眠定時(shí)，計(jì)算可得該節(jié)點(diǎn)一天消耗的總電量為7.53 mA·h.一節(jié)普通五號(hào)堿性電池電量為2 000 mA·h左右，同時(shí)使用兩節(jié)普通五號(hào)堿性電池即可保證該節(jié)點(diǎn)正常工作時(shí)間達(dá)到1 a以上.

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1空調(diào)平滑控制

為防止控制空調(diào)時(shí)出現(xiàn)乒乓效應(yīng)，避免短時(shí)間內(nèi)頻繁啟動(dòng)和關(guān)斷空調(diào)而影響空調(diào)壓縮機(jī)壽命，設(shè)計(jì)中采用溫控±1 ℃的方法對(duì)空調(diào)的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行平滑控制，如圖6(a)所示，起始室內(nèi)溫度為27 ℃，室外溫度28 ℃，假設(shè)用戶將室內(nèi)的溫度設(shè)定為25 ℃.在a點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)控制空調(diào)打開，設(shè)定空調(diào)工作溫度為24 ℃，同時(shí)新風(fēng)系統(tǒng)關(guān)閉.直至b點(diǎn)，室內(nèi)溫度達(dá)到24 ℃時(shí)，關(guān)閉空調(diào)，打開新風(fēng)系統(tǒng).至c點(diǎn)時(shí)，打開空調(diào)，關(guān)閉新風(fēng)系統(tǒng).d點(diǎn)與c點(diǎn)動(dòng)作相反.圖6(b)中，e和f兩點(diǎn)與圖(a)中的a，b兩點(diǎn)操作相同，g點(diǎn)時(shí)打開空調(diào)進(jìn)行制熱，直至h點(diǎn)室外溫度達(dá)到25 ℃時(shí)，關(guān)閉空調(diào)，打開新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行工作.始終將室內(nèi)溫度控制在用戶所設(shè)定溫度的±1 ℃范圍內(nèi)，同時(shí)確?？照{(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的平滑性.

3.2通信及控制流程

本設(shè)計(jì)采用樹型Zigbee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[10].協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組建，對(duì)加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判別，以及負(fù)責(zé)通信鏈路及路由的建立、數(shù)據(jù)包協(xié)議轉(zhuǎn)換等.路由器可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，起到路由的作用，也可以收發(fā)數(shù)據(jù).終端只發(fā)送數(shù)據(jù)，不接收數(shù)據(jù).當(dāng)系統(tǒng)完成初始化，協(xié)調(diào)器開始組建Zigbee網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)組建成功后各模塊進(jìn)行信息采集并將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)傳送至MCU.當(dāng)用戶完成對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置后，協(xié)調(diào)器將控制命令發(fā)送至各模塊，系統(tǒng)開始運(yùn)行.程序流程圖如圖7所示.室外溫度采集節(jié)點(diǎn)以15 s/次的頻率向協(xié)調(diào)器發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)監(jiān)測(cè)電源電池的電壓，當(dāng)1節(jié)堿性電池的電壓低于1 V時(shí)，認(rèn)為電池的電量基本消耗完畢，向協(xié)調(diào)器發(fā)送警報(bào)，程序流程圖如圖8所示.

4　性能測(cè)試

4.1模塊RF性能測(cè)試

Zigbee的工作頻段為2.4 GHz，容易受到藍(lán)牙與其它Zigbee網(wǎng)絡(luò)的干擾，為得到準(zhǔn)確、真實(shí)、有效的測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試時(shí)將Zigbee模塊放置在屏蔽箱中，斷開天線部分，將巴倫電路的輸出連接到IQxel測(cè)試儀.在確保模塊中CC2530輸出功率為2.81 mW的前提下，設(shè)置不同的工作頻率，測(cè)試各模塊的發(fā)射功率(經(jīng)巴倫電路后的功率)和接收靈敏度，測(cè)試結(jié)果如表1所示.表1中各模塊數(shù)據(jù)的差異主要與巴倫電路的制作和PCB布線有關(guān).

表1　Zigbee發(fā)射功率與接收靈敏度測(cè)試表

自由空間下電波傳播損耗計(jì)算公式[11]

Los=32.44+20lgd+20lgf .

(3)

式(3)中：d為傳輸距離；f為工作頻率；傳播損耗Los=發(fā)射功率-接收靈敏度.為了得出各模塊間的最短通信距離，取表1中發(fā)射功率的最小值1.90 mW，接收靈敏度的最大值5.37×10-13W，理想傳播損耗為95.5 dB，考慮到外界因素造成的傳輸損耗(這里取15 dB)，則實(shí)際傳播損耗Los=80.5 dB，根據(jù)式(3)，可求得工作頻率f為2 480 MHz時(shí)模塊間正常通信的最小傳輸距離d=101.9 m，完全滿足家居控制器模塊間通信距離的要求.

4.2系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試時(shí)，選用海爾KFR-50LW 2匹柜式無氟變頻空調(diào)，空調(diào)的工作溫度在16～30 ℃之間任意切換，系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如表2所示.表中溫度實(shí)測(cè)值指的是采用專用儀器測(cè)得的各模塊(空調(diào)狀態(tài)檢測(cè)單元除外)環(huán)境溫度，檢測(cè)值指的是主控制器無線接收到的各模塊(空調(diào)狀態(tài)檢測(cè)單元除外)環(huán)境溫度，測(cè)試誤差≤0.5 ℃，這個(gè)誤差主要是由溫度傳感器造成的，表明控制器各模塊檢測(cè)、通信正常.

表2　系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

5　結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee技術(shù)的模塊間有效通信距離可達(dá)95 m以上的家居新風(fēng)系統(tǒng)控制器，通過閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)了空調(diào)與新風(fēng)的智能統(tǒng)調(diào)，有效改善了家居空氣質(zhì)量，提高人體舒適度，以±1 ℃溫控的方法平滑控制空調(diào)的啟閉，避免影響空調(diào)壓縮機(jī)壽命.此外，控制器具有電路簡(jiǎn)單、性能可靠、功耗低、安裝方便等特點(diǎn).本設(shè)計(jì)為智能家居新風(fēng)系統(tǒng)在節(jié)能減排方面提供了一種實(shí)用的方案.但該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能比較單一，以后可將該系統(tǒng)加入“家庭網(wǎng)絡(luò)”，使用手機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制.

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(責(zé)任編輯李寧)

Design and Implementation of Controller of the Fresh Air System

CHEN Zhizhen,DONG Jianhuai

(School of Electronic Information Science,Fijian Jiangxia University,Fuzhou 350108,China)

A fresh air system controller composed of the main controller,air conditioning controller,air conditioning leak detector,and outdoor temperature acquisition nodes was designed to coordinate the fresh air system and air conditioning.Communication between modules was based on Zigbee technology.Current outdoor temperature was measured and compared with the preset value of room temperature.The controller started the opening or closing of air conditioning and the introduction of fresh air when the temperature difference reached one degree Celsius.Experiment shows that the controller is of low-power consumption and low-cost,efficient,reliable and easy to use,a good appliance for intelligent home.

intelligent home;controller;fresh air system;Zigbee technology

2015-08-30

2016-04-18

國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201413763003)

陳志楨(1991-)，男，助理工程師，研究方向?yàn)殡娮幼詣?dòng)化與通信.E-mail:czzhyt@sina.com

TP273.3

A

1673-4432(2016)03-0028-06