徐詠

摘 要 根據(jù)國(guó)內(nèi)對(duì)空調(diào)控制器性能的需求，設(shè)計(jì)了一款基于Cortex-M4的空調(diào)控制器。它以NUC472為主控核心，采用電參數(shù)監(jiān)測(cè)傳感器、可燃性氣體傳感器、離子式煙霧傳感器、人體熱釋電紅外線傳感器、溫度傳感器和溫濕度傳感器實(shí)時(shí)采集空調(diào)工作電參數(shù)、所處環(huán)境的安防現(xiàn)狀、人員流動(dòng)性、溫濕度和空調(diào)狀態(tài)等信息，通過Wi-Fi實(shí)現(xiàn)控制器與PC機(jī)服務(wù)器之間的信息通信和整體控制。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試使用后，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、人機(jī)交互便捷、通信可靠及協(xié)調(diào)預(yù)測(cè)整體控制穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)舒適、節(jié)能控制，特別是在最經(jīng)濟(jì)的溫度控制模式下，與未改造前對(duì)比系統(tǒng)節(jié)能30.6%，可用于民用和工業(yè)智能空調(diào)場(chǎng)合。

【關(guān)鍵詞】空調(diào)控制器 Cortex-M4 多傳感器 物聯(lián)網(wǎng)

20世紀(jì)80年代空調(diào)進(jìn)入我國(guó)，到如今的21世紀(jì)，空調(diào)已成為人們?nèi)粘Ｉ畹某Ｓ眉译姰a(chǎn)品。據(jù)最新發(fā)布的《2016上半年中國(guó)空調(diào)產(chǎn)品市場(chǎng)研究報(bào)告》顯示，變頻空調(diào)的消費(fèi)者關(guān)注度為60.1%，成為最受關(guān)注的空調(diào)產(chǎn)品。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)生活水平的提高，人們對(duì)空調(diào)控制器的需求日益增加、對(duì)其性能要求也越來越高。目前，國(guó)內(nèi)的空調(diào)控制器是由低端單片機(jī)搭建，其性價(jià)比較低、功耗大，而國(guó)外的空調(diào)產(chǎn)品性能較高、功耗低、功能較齊全，但價(jià)格也昂貴。結(jié)合國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，空調(diào)控制器將向著性價(jià)比高、多功能、網(wǎng)絡(luò)化、低功耗、智能化和操作簡(jiǎn)單的趨勢(shì)發(fā)展。根據(jù)空調(diào)的發(fā)展趨勢(shì)，改善傳統(tǒng)空調(diào)僅能現(xiàn)場(chǎng)控制或預(yù)約定時(shí)控制的局限性，本設(shè)計(jì)采用多傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款多功能、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和整體控制的空調(diào)控制器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，國(guó)內(nèi)的空調(diào)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括系統(tǒng)控制部分、溫度采集部分、鍵盤控制部分、顯示板部分、壓縮機(jī)部分、室內(nèi)外風(fēng)機(jī)裝置部分和通信電路等。經(jīng)過近年的發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)從傳統(tǒng)的定頻、定風(fēng)量空調(diào)，發(fā)展到現(xiàn)在的變頻、變風(fēng)量空調(diào)。本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)多種傳感器的信號(hào)采集和處理，結(jié)合傳統(tǒng)的空調(diào)控制器的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)采集的各種傳感信息和用戶的控制策略，由PC機(jī)服務(wù)器軟件生成最優(yōu)控制方案，進(jìn)而監(jiān)測(cè)和控制整個(gè)空調(diào)控制器系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

如圖1，本空調(diào)控制器結(jié)構(gòu)由Cortex-M4 NUC472、JSY-MK-163電參數(shù)監(jiān)測(cè)傳感器、TGS2611可燃性氣體傳感器、NIS-07離子式煙霧傳感器、HC-SR501人體熱釋電紅外線傳感器、TMP275溫度傳感器、HTU21D溫濕度傳感器、觸摸顯示模塊、Wi-Fi無線模塊、隔離驅(qū)動(dòng)電路、IPM智能功率控制模塊和變頻空調(diào)各部分控制功能模塊等組成。其中，高精度溫度傳感器TMP275實(shí)時(shí)采集冷凝器的溫度，HTU21D溫濕度傳感器采集所處環(huán)境溫度和濕度，Wi-Fi模塊負(fù)責(zé)空調(diào)控制器與PC機(jī)服務(wù)器之間的無線通信，觸摸顯示模塊進(jìn)行人機(jī)交互，隔離驅(qū)動(dòng)電路主要負(fù)責(zé)控制空調(diào)的左右掃風(fēng)控制、上下掃風(fēng)控制和風(fēng)速控制等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，IPM智能功率控制模塊主要實(shí)現(xiàn)空調(diào)壓縮機(jī)的變頻控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

Nuvoton新唐公司的NUC472系列是基于32位ARM Cortex-M4內(nèi)核的高性能芯片，采用低成本、低功耗、高性能的含有浮點(diǎn)運(yùn)算單元和DSP的ARM Cortex-M4內(nèi)核，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、變頻器、智能家居和安防系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域。因此，本系統(tǒng)選用LQFP100封裝的NUC472VG8AE芯片作為系統(tǒng)主控芯片。

2.2 傳感器模塊

2.2.1 溫度傳感器

本設(shè)計(jì)的冷凝器溫度檢測(cè)部分采用TI（美國(guó)德州儀器）公司生產(chǎn)的高精度的溫度傳感器TMP275，其測(cè)溫范圍為-40℃至+125℃，測(cè)溫誤差最大值僅±0.5℃，適用于環(huán)境、消費(fèi)類、工業(yè)和儀器儀表等領(lǐng)域的高精度溫度檢測(cè)。如圖2所示是TMP275測(cè)溫電路原理圖。

2.2.2 溫濕度傳感器

本設(shè)計(jì)通過法國(guó)Humirel公司的HTU21D溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)控制器所處環(huán)境的溫度和濕度的測(cè)量，其應(yīng)用電路如圖3所示。HTU21D芯片采用標(biāo)準(zhǔn)的IIC協(xié)議和3*3mm雙列扁平無引腳DFN封裝，測(cè)溫最大誤差±0.4℃，測(cè)濕最大誤差±5%。

2.2.3 電參數(shù)監(jiān)測(cè)傳感器

本設(shè)計(jì)選用380V電壓量程和50A電流量程的電參數(shù)監(jiān)測(cè)傳感器JSY-MK-163，其完全高低壓隔離，體積小，方便嵌入到空調(diào)設(shè)備中，采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU協(xié)議，其一條線路上可以同時(shí)連接多達(dá)255個(gè)設(shè)備，其應(yīng)用電路圖如圖4所示。本設(shè)計(jì)使用常規(guī)的無校驗(yàn)位、8個(gè)數(shù)據(jù)位的4800bps波特率的RS485通訊參數(shù)。

2.2.4 可燃性氣體傳感器

TGS2611傳感器是FIGARO公司的新型絲網(wǎng)印刷厚膜金屬氧化物半導(dǎo)體2600系列傳感器中的一種，能檢測(cè)甲烷等可燃性氣體，檢測(cè)范圍為：500～10000 ppm，靈敏度為：0.60±0.06，采用標(biāo)準(zhǔn)的TO-5的金屬封裝。如圖5所示，是本設(shè)計(jì)的可燃性氣體檢測(cè)電路圖。其中，RH是TGS2611傳感器加熱裝置，Rs是不同濃度氣體中的傳感器電阻值。由電阻分壓原理可得，只要測(cè)量到ADC0和ADC1端的電壓值，即可算出不同濃度氣體中的傳感器電阻值Rs，根據(jù)TGS2611傳感器的電阻比Rs/Ro，查表即可得到可燃性氣體的濃度。

2.2.5 離子式煙霧傳感器

本設(shè)計(jì)選用NIS-07離子式煙霧傳感器，其內(nèi)部有一個(gè)電離室，正常狀態(tài)下處于電場(chǎng)的平衡狀態(tài)，當(dāng)有煙塵進(jìn)入時(shí)，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡，導(dǎo)致電流、電壓有所改變，由此來確定空氣中的煙霧狀況。如圖6是NIS-07離子式煙霧傳感器的煙霧檢測(cè)電路圖，通過MC14468的2腳報(bào)警級(jí)聯(lián)輸出功能，驅(qū)動(dòng)2SC1623三極管Q1，通過三極管Q1的集電極輸出OUT1連接到主控芯片，進(jìn)而達(dá)到告警上報(bào)功能。

2.2.6 人體熱釋電紅外線傳感器endprint

本設(shè)計(jì)采用LHI778探頭的HC-SR501模塊，其最大感應(yīng)半徑為7米，最大感應(yīng)角度100度，具有靈敏度高等特點(diǎn)。當(dāng)有人進(jìn)入傳感器感應(yīng)范圍時(shí)則輸出有效電平，當(dāng)人離開傳感器感應(yīng)范圍時(shí)傳感器自動(dòng)延時(shí)一段時(shí)間再恢復(fù)初始狀態(tài)，其延時(shí)時(shí)間可設(shè)置，默認(rèn)2.5秒。

2.3 Wi-Fi模塊

本設(shè)計(jì)使用支持802.11b/g/n無線標(biāo)準(zhǔn)的超低功耗的ESP8266串口Wi-Fi無線模塊ESP-12E，其采用體積小的電路板天線。本設(shè)計(jì)Wi-Fi配置為STA+AP模式，實(shí)現(xiàn)空調(diào)控制器與PC機(jī)服務(wù)器之間的連接，使用“9600bps，8，1，無校驗(yàn)，無流控”的串口通訊參數(shù)，其應(yīng)用電路如圖7所示。

2.4 觸摸顯示模塊

本設(shè)計(jì)使用ALIENTEK推出的一款高性能ATK-4.3 TFTLCD顯示模塊，其支持800*480高分辨率，采用16bit 8080接口通信控制，集成IIC通信的5點(diǎn)觸摸電容觸摸屏。

2.5 IPM智能功率控制電路

本設(shè)計(jì)選用三菱電機(jī)的第六代DIPIPM智能功率芯片PSS30S92F6-AG，其內(nèi)部集成功率硅片、柵極驅(qū)動(dòng)電路、短路保護(hù)和欠壓 保護(hù)等功能于一體，適用于交流100～240V級(jí)小容量電機(jī)的變頻控制。如圖8所示是本系統(tǒng)使用的IPM智能功率控制電路圖。

其中，P1和P2是220V市電接線座子，P3是保護(hù)地接線座子，220V市電經(jīng)過流過壓保護(hù)電路、共模濾波電路、單相橋式不可控整流電路和大電容濾波電路后，變成平穩(wěn)的310V直流電，供智能功率芯片PSS30S92F6-AG的高壓側(cè)供電。P5、P6和P7是高壓側(cè)的U、V、W輸出端。

智能功率芯片PSS30S92F6-AG的輸入控制端分別是UP、UN、VP、VN、WP、WN，本設(shè)計(jì)在主控芯片NUC472程序里建立三個(gè)相差120度、0.8調(diào)制度、180個(gè)點(diǎn)的正弦波存儲(chǔ)表，由主控芯的Enhanced PWM Generator （EPWM）增強(qiáng)PWM發(fā)生器產(chǎn)生三相120度相移正弦波。其中UP和UN、VP和VN及WP和WN是互補(bǔ)差分輸出管腳，通過改變EPWM的調(diào)制頻率，即可改變U、V、W輸出端的變頻頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的變頻控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在uC/OS-II操作系統(tǒng)上的開發(fā)，其進(jìn)一步方便和簡(jiǎn)化了系統(tǒng)程序各個(gè)功能任務(wù)的調(diào)度和管理。系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)主要負(fù)責(zé)接收和發(fā)送與服務(wù)器通信的數(shù)據(jù)、溫濕度等各個(gè)傳感器模塊的信息采集、執(zhí)行模糊PID控制算法控制空調(diào)相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)觸摸屏顯示等任務(wù)，其主程序流程圖如圖9所示。

系統(tǒng)開始運(yùn)行后，將執(zhí)行系統(tǒng)及其各個(gè)功能模塊（如：Wi-Fi模塊、電參數(shù)監(jiān)測(cè)傳感器、溫濕度傳感器等各種傳感器、觸摸顯示模塊和隔離驅(qū)動(dòng)電路）的初始化。初始化完成后，進(jìn)行uC/OS-II系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度，分別進(jìn)行Wi-Fi發(fā)送與接收的通信處理，對(duì)采集到的空調(diào)工作電參數(shù)、所處環(huán)境的安防現(xiàn)狀、人員流動(dòng)性、空調(diào)狀態(tài)、冷凝器溫度、環(huán)境溫度和濕度等各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和處理，根據(jù)采集的傳感器信息執(zhí)行模糊PID控制算法控制系統(tǒng)和隔離驅(qū)動(dòng)電路的輸出，電容觸摸采集和處理，根據(jù)前面處理的數(shù)據(jù)信息在觸摸屏顯示各種狀態(tài)。

4 測(cè)試與分析

在搭建好的硬件和軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上完成了終端加入網(wǎng)絡(luò)測(cè)試、各種控制指令測(cè)試和傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸測(cè)試。最后在珠海某生產(chǎn)公司的同意下，將本控制器應(yīng)用于該公司的空調(diào)系統(tǒng)中。本系統(tǒng)的測(cè)試環(huán)境在一個(gè)面積大約146平米生產(chǎn)車間，該生產(chǎn)車間已經(jīng)裝有4臺(tái)美的3P立柜式直流變頻冷暖空調(diào)，具體型號(hào)為KFR-72LW/BP2DN1Y-PA401，車間的內(nèi)部布局已經(jīng)固定不能大改，生產(chǎn)車間內(nèi)部已經(jīng)覆蓋Wi-Fi信號(hào)。本設(shè)計(jì)的測(cè)試方案是將控制器移植到美的空調(diào)中，使用該車間原有的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，在搭配一臺(tái)裝有服務(wù)器軟件的電腦即可實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的測(cè)試。

為了對(duì)比控制效果，僅對(duì)環(huán)境溫度的變化數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)分析，且將未改造前和自定義模式下的溫度設(shè)為常規(guī)的27攝氏度。本系統(tǒng)溫濕度測(cè)量?jī)x器選用美國(guó)福祿克FLUKE F971溫濕度測(cè)量?jī)x，在空調(diào)設(shè)備總供電線路前端串接上海華立30A電子式單相電能表DDS738測(cè)量設(shè)備總用電量。本設(shè)計(jì)對(duì)空調(diào)控制器系統(tǒng)在未改造前、最經(jīng)濟(jì)、最快速、最舒適和自定義控制模式進(jìn)行測(cè)試和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，采用一天使用一種控制模式的方式，其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明，本空調(diào)控制器系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、通信可靠及協(xié)調(diào)預(yù)測(cè)整體控制效果良好，特別是在最經(jīng)濟(jì)的控制模式下，與未改造前空調(diào)設(shè)備總用電量對(duì)比系統(tǒng)節(jié)能效果最佳，節(jié)能高達(dá)30.6%。

5 結(jié)語

基于Cortex-M4的空調(diào)控制器的設(shè)計(jì)，結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)化、整體控制技術(shù)和片上系統(tǒng)技術(shù)，充分利用NUC472的資源、采用高效的數(shù)據(jù)分析和程序設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)舒適、節(jié)能控制。通過實(shí)物測(cè)試和實(shí)際使用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、功耗低、功能齊全。對(duì)比傳統(tǒng)空調(diào)，改善目前國(guó)內(nèi)外僅使用單個(gè)空調(diào)控制器的信息來源單一、運(yùn)行不穩(wěn)定和控制不方便的局限性，提高空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性，進(jìn)一步體現(xiàn)了智能化、網(wǎng)絡(luò)化、可靠性高和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于民用和工業(yè)空調(diào)領(lǐng)域。同時(shí)，本設(shè)計(jì)可增加NB-IoT功能模塊，解決在未有Wi-Fi覆蓋地方的系統(tǒng)使用問題。此外，在應(yīng)用方面，可將系統(tǒng)接入公安部門接警網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備有消防、安防警報(bào)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)第一時(shí)間報(bào)警功能。

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作者單位

1.深圳大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院 廣東省深圳市 518000

2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 廣東省深圳市 518000

3.深圳市朗強(qiáng)科技有限公司 廣東省深圳市 518000endprint