李　真，　彭輝麗，　孫偉華，　余善恩，　陳張平

(杭州電子科技大學(xué) a.自動化學(xué)院；b.理學(xué)院， 杭州 310018)

0　引　言

目前，高校實驗室各類機房以及各專用實驗設(shè)備間都大量使用了各式各樣的空調(diào)，以保證實驗設(shè)備及儀器運行在適當(dāng)溫度范圍內(nèi)?，F(xiàn)有的空調(diào)控制主要是人為進行開關(guān)以及溫度的設(shè)置。由此，將會帶來一系列的問題，如：許多實驗室的空調(diào)因為無人及時管理造成能源的不必要浪費，人為對空調(diào)不合理地操作使空調(diào)在過低或過高的設(shè)定溫度下運行，空調(diào)出現(xiàn)故障卻沒能及時發(fā)現(xiàn)和修理等。為解決以上問題，設(shè)計了一個對實驗室空調(diào)進行網(wǎng)絡(luò)化、集中化管理的智能空調(diào)集中管理系統(tǒng)[1]。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計方案

智能空調(diào)管理系統(tǒng)主要由系統(tǒng)主控端、分控端、主控端與分控端之間的通信總線、系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件這幾部分組成[2]。整個智能管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控端負責(zé)對分控端的信息進行接收處理，完成決策參數(shù)的傳遞以及同上位機監(jiān)控的數(shù)據(jù)交互。分控端則主要實現(xiàn)由微控制器通過溫度傳感器和熱釋電傳感器等采集測量信息數(shù)據(jù)，通過RS-485實現(xiàn)與主控制器之間的信息交流，實現(xiàn)用紅外遙控控制空調(diào)。系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件是智能空調(diào)集中管理系統(tǒng)主要的人機交互界面，它通過計算機上的串口與主控端進行數(shù)據(jù)交互。這樣，使用該智能空調(diào)管理系統(tǒng)只需用一臺電腦就可以對一棟樓甚至是幾棟樓的空調(diào)進行監(jiān)控和管理，從而實現(xiàn)了樓宇自動化控制中的空調(diào)系統(tǒng)智能管理[3]。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　硬件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1　主控端硬件

主控端硬件主要分為主控芯片、電源管理模塊、液晶和按鍵等交互設(shè)備模塊、RS-485通信模塊[4]、串口通信接口模塊等幾個部分，主控端硬件框圖如圖2所示。

選擇STM32F103RBT6作為主控制芯片。該款微控制器可以支持本次設(shè)計實現(xiàn)其各項功能，且它擁有3個USB模塊能充分滿足本次設(shè)計的通信模塊方面的需求。該主控制芯片基本的外圍電路包擴復(fù)位電路、時鐘電路、濾波電路、串口電路等等[5-6]。

液晶和按鍵等交互設(shè)備的驅(qū)動電路中OLED液晶、按鍵和LED燈都使用了主控制芯片GPIO的輸入輸出模式進行單獨控制，其中主要使用了主控制芯片的GPIOA、GPIOB和GPIOC 3種引腳。

圖2主控端硬件框圖

RS-485通信模塊是主控制芯片的串口2與RS-485芯片相連，再由RS-485芯片的2個輸出口設(shè)置為對外接口，用于和雙絞線相連與分控端通信。

由于主控端的各個模塊的工作電壓不盡相同，為了使它們能穩(wěn)定工作，必須有可靠的電源管理。電源部分負責(zé)將外部輸入的5 V直流電壓通過電源芯片AMS1117轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5 V電壓和3.3 V電壓輸出，為主控制芯片、RS-485芯片以及OLED液晶等提供穩(wěn)定的電源電壓。主控端的5 V電壓是由AC/DC電源適配器從外面引入的。而3.3 V電壓的穩(wěn)壓輸出是通過AMS1117-3.3芯片得到的。該芯片是一個低漏失電壓調(diào)整器，屬于一款易于使用的三端穩(wěn)壓系列產(chǎn)品，它的穩(wěn)壓調(diào)整管是由一個PNP驅(qū)動的NPN管構(gòu)成的。電源管理電路如圖3所示[7]。

圖3　電源電路原理圖

2.2　分控端硬件

空調(diào)管理系統(tǒng)分控端由信息采集、紅外控制、實時顯示這3個部分功能構(gòu)成?？照{(diào)集中管理系統(tǒng)分控端的整體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖4所示[8-10]。

(1) 數(shù)據(jù)采集模塊。主要功能是采集房間內(nèi)的信息，傳感器將采集到的信息數(shù)據(jù)送往主控模塊進行數(shù)據(jù)處理。本設(shè)計在數(shù)據(jù)采集模塊中主要采用了兩個傳感器，一個是檢測室內(nèi)溫度的溫度傳感器DS18B20，另一個是基于BISS0001的熱釋電紅外檢測傳感器。 BISS0001是一款高性能信號處理器，在本分控端的設(shè)計中，將熱釋電紅外傳感器和BISS0001還有少量的外接元器件可構(gòu)成被動式的熱釋電紅外檢測裝置[11]。

(2) 紅外控制模塊。紅外控制部分包括一個紅外發(fā)射模塊和紅外接收模塊。紅外接收空調(diào)遙控器的脈沖指令，將接收到的信號存儲起來，并通過紅外發(fā)射部分將數(shù)據(jù)重新發(fā)送出去，從而實現(xiàn)了空調(diào)管理系統(tǒng)控制端的空調(diào)控制部分。紅外接收部分如圖5(左)所示，紅外接收采用HS0038作為探頭，接收紅外信號頻率為38 kHz，這其實就是一個軟件解碼部分。圖5的右邊部分為紅外發(fā)射裝置，采用一個三極管S9013來驅(qū)動紅外發(fā)射燈D1，三極管主要是起到開關(guān)的作用，通過單片機輸出的控制信號來關(guān)斷或是接通，電阻R1和電阻R2是限流電阻，主要作用是調(diào)節(jié)紅外LED燈D1的電流[12]。

圖4分控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖5紅外發(fā)射和接收裝置圖

(3) 實時顯示模塊。實時顯示部分包括5110LCD顯示屏和多彩LED燈。在液晶顯示屏上顯示實時溫度和房間的人員情況，顯示從主控端接收到的設(shè)置命令信息，并通過LED的不同顏色直觀表示空調(diào)正在加熱、制冷等運行狀態(tài)。

5110液晶顯示屏的電路連接包括電源線和地線，還有5根I/O控制線，1條高亮LED背光控制線。5110采用的5 V電壓供電。人機交互部分還包括3個不同顏色的LED燈，軟件控制不同顏色的LED表示分控端空調(diào)的運行狀態(tài)，具體是：紅色LED表示空調(diào)的加熱狀態(tài)，藍色表示制冷，白色表示室內(nèi)溫度和空調(diào)設(shè)置溫度一致。顯示模塊電路如圖6所示。此外，還設(shè)計4個獨立按鍵，可在分控端直接設(shè)定空調(diào)溫度等，完善人機交互部分。即使脫離主控制端的控制，分控端也能自行人為輸入控制。

圖6　顯示模塊電路圖

2.3　通信模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸部分是整個系統(tǒng)主控制端和分控制端進行數(shù)據(jù)交互的樞紐。本設(shè)計的主控端和各個分控端，采用一款由Maxim公司開發(fā)出的RS-485芯片MAX485，作為系統(tǒng)通信的收發(fā)器。該芯片支持5 V供電，額定電流為300 μA，能起到將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-485電平的功能。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸部分采用RS-485總線進行硬件連接。主控制端需要將溫度設(shè)定范圍、時間設(shè)定范圍和控制溫度等控制信息發(fā)往分控端，將這些信息進行協(xié)議編碼，通過RS-485發(fā)往分控端；分控端將自己的空調(diào)編號和傳感器采集的數(shù)據(jù)信息進行協(xié)議編碼，同樣通過RS-485回傳給主控端，這里的軟件部分就要和主控端制定一個傳輸協(xié)議，實現(xiàn)主控向某一分控機組發(fā)送命令，其他的分控制端不接受此信息；或是向所有分控端機組群發(fā)控制命令，所有機組都接收并處理此命令。根據(jù)本設(shè)計的系統(tǒng)要求，使用的是典型的RS-485半雙工通信?；赗S-485控制理論，系統(tǒng)設(shè)計控制電路如圖7所示[13]。

圖7RS-485控制電路圖

系統(tǒng)在硬件電路上，用2根導(dǎo)線分別將2個RS-485的A端、B端相互連接，RS-485的理想傳輸介質(zhì)是雙絞線，相當(dāng)于120 Ω阻抗，如果是想要實現(xiàn)長距離傳輸通信時，就需要在A線B線之間加上一個阻值120 Ω大小的電阻，空調(diào)集中管理系統(tǒng)連接相鄰教室間的空調(diào)分控制器，距離不是很遠，所以沒有外加電阻。

3　軟件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1　主控端軟件設(shè)計

對于整個主控端的軟件設(shè)計來說，首先要做的是對系統(tǒng)時鐘、系統(tǒng)延時函數(shù)、LED燈與按鍵的GPIO引腳、OLED液晶以及RS-485和主控制芯片上串口的初始化；然后程序進入一個循環(huán)，開始運行主控端的各個功能模塊，如接收上位機監(jiān)控軟件通過串口發(fā)送的信息，將該信息通過RS-485總線以廣播的方式發(fā)送給所有分控端，接收分控端發(fā)送回主控端的信息，將該信息通過主控制芯片的串口轉(zhuǎn)發(fā)給上位機監(jiān)控軟件進行人機交互，在測試階段可以將該信息解碼并調(diào)用液晶顯示函數(shù)顯示，也可以通過按鍵進行測試參數(shù)的設(shè)置。總體軟件設(shè)計流程框圖如圖8所示[14]。

圖8主控端總體軟件設(shè)計流程圖

3.2　分控端軟件設(shè)計

整個分控系統(tǒng)的軟件設(shè)計，基于對空調(diào)的控制而設(shè)計。軟件的總體流程是：① 系統(tǒng)初始化，包括對主控芯片STM32的系統(tǒng)時鐘的設(shè)置；波特率的初始化；各個I/O口的初始化；定時器、計時器等的初始化；RS-485總線通信的初始設(shè)置；LCD5110液晶顯示屏、LED燈和按鍵的初始化；還有PWM等初始設(shè)置。② 分控端在主函數(shù)中一直接收RS-485總線上來自主控制端發(fā)來的設(shè)置命令，包括溫度設(shè)置范圍、控制時間范圍和設(shè)定溫度等信息，要對其進行解碼，按照接收到的設(shè)置信息對空調(diào)進行初始設(shè)置。③ 主函數(shù)中一直保持對兩個傳感器，溫度傳感器和熱釋電的采集處理，通過熱釋電傳感器返回信息判斷房間內(nèi)是否有人。④ 在房間內(nèi)沒有人的情況下，空調(diào)被設(shè)定為不允許打開，即軟件控制關(guān)閉空調(diào)的運行，當(dāng)然這需要軟件上的進一步處理，不可能因為一個人暫時地離開房間而將空調(diào)立馬關(guān)閉，頻繁的開啟空調(diào)電源和切斷電源，將導(dǎo)致的結(jié)果是沒有起到節(jié)能的效果，反而更加浪費電能。⑤ 如果檢測到房間內(nèi)有人，則根據(jù)上述從RS-485總線上獲取的設(shè)置命令進行溫度的設(shè)置。不是簡單將室內(nèi)空調(diào)的溫度設(shè)置成主控端設(shè)置的溫度，需要將判斷設(shè)置溫度是否在合理的設(shè)置范圍內(nèi)，也要判斷現(xiàn)在的時間是否是合理的設(shè)置時間。⑥ 分控端的實時監(jiān)測空調(diào)的運行狀態(tài)和房間狀態(tài)，并在5110上實時顯示出來；控制不同顏色LED燈表示空調(diào)的不同運行狀態(tài)，并可以按鍵手動輸入控制溫度，拓展了可行性。⑦ 軟件采用單片機一路PWM作為38 kHz頻率的控制信號作為紅外發(fā)射的載波信號，將紅外接收裝置接收的脈沖信號如實發(fā)出去?？傮w的軟件流程如圖9所示。

圖9分控端軟件流程圖

3.3　上位機監(jiān)控軟件設(shè)計

為了提高系統(tǒng)人機交互能力，本設(shè)計還有一個供人機交互使用的上位機監(jiān)控軟件。上位機監(jiān)控軟件能夠設(shè)置并發(fā)送給分控端控制參數(shù)以及顯示分控端發(fā)回的各種傳感器信息和空調(diào)運行狀態(tài)信息。該上位機的設(shè)計主要有：串口設(shè)置部分，分控器參數(shù)顯示部分，參數(shù)設(shè)置與發(fā)送部分，室內(nèi)溫度繪圖部分以及通信測試部分。上位機監(jiān)控軟件的整體界面如圖10所示。該軟件的主要功能是當(dāng)串口設(shè)置完成并打開串口后，在分控端參數(shù)顯示區(qū)和室內(nèi)溫度繪圖區(qū)顯示各個分控端的環(huán)境參數(shù)，同時可以在發(fā)送設(shè)置區(qū)設(shè)置分控端的各種參數(shù)經(jīng)參數(shù)發(fā)送按鈕發(fā)送。為了方便調(diào)試，在上位機界面的右下角還設(shè)計了通信調(diào)試區(qū)域[15]。

(1) 串口設(shè)置模塊。對于整個上位機來說，串口技術(shù)是其中最為關(guān)鍵的。本系統(tǒng)采用微軟在.NET下推出的一個串口控件SerialPort(串口)，基于.NET的P/Invoke調(diào)用方法實現(xiàn)。除了SerialPort控件之外，還使用到了Button控件、ComboBox控件以及GroupBox控件。為了能讓上位機進行串口通信，首先，對串口的端口號進行選擇，也就是選擇計算機上可以用以通信的端口。然后，是選擇合適的波特率，當(dāng)選擇的波特率和主控端串口的波特率一致時兩者便可以進行通信了。當(dāng)這兩項設(shè)置好以后，就可以按下打開串口按鈕進行通信了。

圖10　上位機監(jiān)控軟件界面

(2) 分控器參數(shù)顯示模塊。主要用于顯示由主控端傳回的分控端的環(huán)境參數(shù)。當(dāng)計算機的串口接收到數(shù)據(jù)時，將會觸發(fā)SerialPort類的DataReceived事件，這時候再通過事先編寫好的功能函數(shù)將數(shù)據(jù)讀出來，然后利用實現(xiàn)編寫好的解碼函數(shù)對數(shù)據(jù)進行解碼后，便可用于參數(shù)顯示之用。該模塊中主要使用了TextBox控件，只要將解碼后的參數(shù)修改對應(yīng)TextBox控件的Text屬性即可。和上位機分控器參數(shù)顯示模塊功能類似，室內(nèi)溫度繪圖模塊是將串口接收到的分控端信息中的室內(nèi)溫度分理出來用來在PictureBox控件上繪制溫度曲線。這樣將能更為直觀地向管理者展示室內(nèi)溫度的變化情況。

(3) 參數(shù)設(shè)置與發(fā)送模塊。該模塊主要用于上位機監(jiān)控軟件對分控端參數(shù)的設(shè)定與發(fā)送。本設(shè)計提供了兩種分控端地址的設(shè)置，一種是廣播地址N000，當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)以該地址開頭那么所有的分控端都需要接收并將自身的所有參數(shù)按該調(diào)指令信息的內(nèi)容設(shè)置；另一種是分控端自身的地址，如N001、N002等，當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)以該類地址開頭，只有相應(yīng)地址的分控端才能接收并設(shè)置參數(shù)，其他分控端將該信息忽略。這樣做的好處是不僅可以設(shè)置單個分控端的參數(shù)，而且可以批量設(shè)置多個所處環(huán)境相似的分控端的參數(shù)。

接下來是對空調(diào)工作時間范圍的設(shè)置，只有在此時間段內(nèi)分控端才能控制空調(diào)運行，該段信息由8個字符組成。然后是對空調(diào)的溫度范圍進行設(shè)置，即分控端對空調(diào)溫度的設(shè)置不能超過該范圍，該段信息由4個字符組成。最后是設(shè)置當(dāng)前空調(diào)的實際運行溫度，當(dāng)環(huán)境溫度達到該設(shè)定的溫度，空調(diào)便停止運行，低于該設(shè)定溫度便開啟。當(dāng)所有參數(shù)都設(shè)定完成后，只要按下參數(shù)發(fā)送按鍵，內(nèi)部程序就會將所有參數(shù)組合成一串字符串信息經(jīng)串口發(fā)送給主控端。

(4) 上位機通信測試模塊。該模塊是為了在上位機開發(fā)初期進行串口的接收與發(fā)生的測試之用，以提高開發(fā)時對串口功能正確性的把握。如圖10中通信測試區(qū)，其中第一個文本框是測試接收區(qū)，第二個是測試發(fā)送區(qū)。當(dāng)在發(fā)送區(qū)輸入文本后，按下測試發(fā)送按鈕，如果串口收發(fā)功能正常，則在接收區(qū)將會接收到發(fā)送區(qū)的文本。同時，在軟件投入使用時，在接收框中還能連續(xù)顯示由主控端發(fā)回的信息，這樣也能從另一方面監(jiān)控上位機監(jiān)控軟件是否正常接收數(shù)據(jù)。

4　結(jié)　語

本設(shè)計實現(xiàn)了一個完整的智能空調(diào)集中管理系統(tǒng)。其中主控制端與各個分控端通過總線連接進行數(shù)據(jù)交流，實現(xiàn)對各個分控端數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控及分控端參數(shù)的實時設(shè)定；系統(tǒng)分控制端通過在系統(tǒng)分控機組安裝不同的監(jiān)測及執(zhí)行設(shè)備，通過RS-485總線接收主控端的控制信息，實現(xiàn)實時控制的功能，并且通過RS-485總線將信息數(shù)據(jù)發(fā)送回給主機；上位機軟件則實現(xiàn)了人機交互和與主控端進行數(shù)據(jù)交互。

該系統(tǒng)實施后，僅用1臺電腦就可以對1棟樓甚至是幾棟樓的空調(diào)進行監(jiān)控和管理，從而實現(xiàn)了實驗室空調(diào)系統(tǒng)智能化、集中化管理，加強了對實驗室大功率電器空調(diào)的管理力度，在一定程度上降低了實驗室大功率用電器的安全隱患，對高校實驗室管理和建設(shè)有一定的借鑒作用。同時該系統(tǒng)亦可應(yīng)用于各類企事業(yè)單位及工廠，在節(jié)能減排方面有較高實用價值[16]。

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