李乾龍　龍馨　龍光利

摘 要：當(dāng)人們不在家忘記關(guān)閉空調(diào)時(shí)，空調(diào)仍然工作，造成了電能的浪費(fèi)以及影響了空調(diào)的使用壽命，而且有時(shí)人們所調(diào)的溫度并不合適，不能有一個(gè)合適的溫度體驗(yàn)而且也會(huì)造成電能的浪費(fèi)。因此文中基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)了一種中央空調(diào)末端溫控器。該溫控器采用STM32為主控，利用ZigBee關(guān)鍵技術(shù)，將中央空調(diào)末端風(fēng)扇盤管進(jìn)行物聯(lián)，做到并存管理與控制。該控制系統(tǒng)不但可以對(duì)樓內(nèi)房間加裝有中央空調(diào)系統(tǒng)末端的溫度控制器通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動(dòng)化控制和監(jiān)管，還可以根據(jù)使用者所設(shè)的溫度、風(fēng)力和房間的總?cè)藬?shù)完成房內(nèi)的中央空調(diào)的自我管理，降低能耗。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào);紫峰協(xié)議;溫控裝置;STM32;物聯(lián)網(wǎng);溫度體驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）04-0-03

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，中央空調(diào)的選用越來越普遍，中央空調(diào)在給人們帶來更加人性化環(huán)境的同時(shí)也產(chǎn)生了相當(dāng)大的能耗。據(jù)估計(jì)，在裝有中央空調(diào)的建筑樓中，中央空調(diào)的能耗占整棟建筑物能耗的50%以上。

目前，消費(fèi)市場上的中央空調(diào)溫度控制器大都是單獨(dú)分散的控制裝置，不具備互聯(lián)人工智能管控和監(jiān)管功能，在房間較長時(shí)間無人時(shí)不能變動(dòng)空調(diào)設(shè)備工作方式、工作狀況或自動(dòng)關(guān)機(jī)，更無法根據(jù)房間人數(shù)，自動(dòng)變動(dòng)空調(diào)設(shè)備的工作狀況。因此，現(xiàn)階段的中央空調(diào)大體上是人工控制方法，這種操控方法缺少恰當(dāng)?shù)牟倏嘏c監(jiān)控，常存在房間溫度適宜卻開空調(diào)系統(tǒng)、離去后忘了關(guān)空調(diào)設(shè)備或空調(diào)系統(tǒng)溫度開得很高或很低的狀況，因而使得室內(nèi)中央空調(diào)利用率不高，導(dǎo)致電力的耗費(fèi)。這與現(xiàn)在社會(huì)倡導(dǎo)“節(jié)約能源、低碳環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展”的主題，完全不一致。為了消除上述普遍存在的缺陷，采用STM32為主控，借助于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)中央空調(diào)末端溫控器，將中央空調(diào)末端風(fēng)扇盤管物聯(lián)[1]，做到統(tǒng)合監(jiān)管與操控。該控制系統(tǒng)不但能對(duì)建筑物樓房間加裝有中央空調(diào)系統(tǒng)末端的溫度控制器，通過無線通信展開自動(dòng)化控制和監(jiān)管，而且房間的中央空調(diào)溫度控制裝置還能根據(jù)使用者設(shè)定的溫度、風(fēng)力和房間的總?cè)藬?shù)自主管理房間的中央空調(diào)，以徹底解決使用者節(jié)能意識(shí)不高而導(dǎo)致的電力耗費(fèi)問題。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)中央空調(diào)末端溫控器技術(shù)優(yōu)勢

（1）選用STM32微處理器和ZigBee芯片建構(gòu)星型網(wǎng)

絡(luò)[2]，利用ZigBee技術(shù)提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能，在功耗方面控制得比較好，實(shí)時(shí)性較強(qiáng);

（2）ZigBee的其特點(diǎn)是短距離、復(fù)雜度低、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速度，適用于自動(dòng)化操縱和遠(yuǎn)程控制層面，可以內(nèi)嵌各種設(shè)備;

（3）ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以接上萬點(diǎn)的組網(wǎng)，可根據(jù)項(xiàng)目需要靈活增減數(shù)量，可以在室內(nèi)安裝多個(gè)檢測裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最主要的是成本低，免通信費(fèi)，運(yùn)營成本低;

（4）監(jiān)測設(shè)備性能準(zhǔn)確、生產(chǎn)成本較低、易裝配，可達(dá)到節(jié)能和減少管理人員人力、物力的目的。

2 溫控器系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的中央空調(diào)末端溫控器構(gòu)成如圖1所示，中央空調(diào)溫控系統(tǒng)由PC機(jī)、數(shù)據(jù)檢測模塊、ZigBee網(wǎng)關(guān)和中央空調(diào)溫度控制器組成。

（1）STM32控制模塊。首先STM32使用用途非常廣泛的ARM內(nèi)核，集成了非常豐富的接口、通信模塊以及其他功能模塊，開發(fā)工具比較齊全，開發(fā)資料也比較豐富，在功耗方面控制得比較好，另外，實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)[3]，對(duì)各種流行的嵌入式操作系統(tǒng)比較支持，且各大嵌入式操作系統(tǒng)網(wǎng)站基本上都會(huì)提供支持，其相應(yīng)的代碼非常強(qiáng)大。

（2）傳感器組件。傳感器結(jié)點(diǎn)只與協(xié)調(diào)器彼此之間通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式來無線通信，所以在處理程序中須要設(shè)置點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。感應(yīng)器模塊的CC2530通過感光感應(yīng)器來獲取光強(qiáng)度信息，然后調(diào)用發(fā)送函數(shù)用串流的方式將光照數(shù)據(jù)發(fā)給協(xié)調(diào)器。

（3）協(xié)調(diào)器模塊。協(xié)調(diào)器和傳感器控制模塊之間采用廣播形式。有無線信號(hào)接收時(shí)，調(diào)用處理信息函數(shù)，提取溫度高低和室內(nèi)人數(shù)數(shù)據(jù)，利用CC2530模塊實(shí)時(shí)發(fā)送溫度人數(shù)信息。

2.2 ZigBee技術(shù)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一種低速度、短距離、低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有星型、樹形、網(wǎng)狀等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)樹狀互聯(lián)網(wǎng)傳送路徑固定，如果某根節(jié)點(diǎn)壞了，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑不能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，會(huì)對(duì)后續(xù)葉節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸將造成嚴(yán)重的影響。為提升控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，使用網(wǎng)狀網(wǎng)作為該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建圖如圖2所示。

2.3 ZigBee入網(wǎng)流程

ZigBee入網(wǎng)流程如圖3所示。節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)可選擇區(qū)域內(nèi)信號(hào)最強(qiáng)的父節(jié)點(diǎn)加入互聯(lián)網(wǎng)，成功加入后，會(huì)得到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)IP，并通過這個(gè)IP進(jìn)行信息的接收和發(fā)送。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系和IP會(huì)留存在各自的FLASH中。選擇一個(gè)合適的ID后，設(shè)備的上層會(huì)請(qǐng)求MAC層對(duì)物理層和MAC層的phyCurrentChannel，macPANID等PIB特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置。

3 中央空調(diào)溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。中央空調(diào)控制設(shè)備的軟件工程由在Keil開發(fā)環(huán)境下用C語言的各個(gè)組件程序構(gòu)成，主要包含溫濕度傳感器AM2305的單總線應(yīng)用程序、人體內(nèi)紅外線傳感器的檢驗(yàn)程序、繼電器的控制程序、ZigBee組件的組網(wǎng)程序和STM32的串口驅(qū)動(dòng)程序等[4]。

3.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)

3.2.1 控制主機(jī)子程序設(shè)計(jì)

控制主機(jī)子程序流程如圖5所示?？刂浦鳈C(jī)的串口接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示及參數(shù)閾值設(shè)置，判斷接收到的各個(gè)環(huán)境參數(shù)是否超過設(shè)定的閾值，未超過閾值為正常狀態(tài)，超過閾值為異常狀態(tài)[5]，進(jìn)行語音告警，同時(shí)打開調(diào)控模塊，進(jìn)行對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)環(huán)境參數(shù)的調(diào)控。

3.2.2 按鍵子程序檢測

按鍵子程序流程如圖6所示。系統(tǒng)循環(huán)檢測是否有按鍵按下，用戶可通過鍵盤來設(shè)置各參數(shù)的報(bào)警閾值[6]。設(shè)定完成后，控制主機(jī)通過接收到ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)流，對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行提取、整理、分析、對(duì)比。當(dāng)檢測到獲取的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)為安全狀態(tài)，OLED顯示屏顯示正常數(shù)據(jù)[7];若檢測到的數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值，語音模塊發(fā)出警報(bào)提示，用戶采取相應(yīng)措施。

3.2.3 OLED顯示子程序設(shè)計(jì)

顯示模塊子程序流程如圖7所示。系統(tǒng)主機(jī)通過I2C總線傳輸指令，首先對(duì)顯示模塊初始化，然后進(jìn)行清屏處理。緊接著通過調(diào)用庫函數(shù)來進(jìn)行顯示屏的顯示。對(duì)計(jì)劃好的數(shù)據(jù)顯示方式設(shè)置初始位顯示坐標(biāo)。然后調(diào)用OLED庫函數(shù)進(jìn)行顯示。

3.2.4 自動(dòng)控制子程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制子程序流程如圖8所示。首先通過按鍵為室內(nèi)環(huán)境參數(shù)設(shè)置合適的閾值;然后系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)掃描檢測，與設(shè)定好的參數(shù)閾值做對(duì)比。如果其中某一位置點(diǎn)的某個(gè)參數(shù)異常時(shí)，系統(tǒng)開啟繼電器，來打開滅火外接設(shè)備進(jìn)行環(huán)境參數(shù)調(diào)控;當(dāng)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)達(dá)到正常狀態(tài)，繼電器關(guān)閉，空調(diào)設(shè)備停止工作。

3.2.5 WiFi傳輸子程序設(shè)計(jì)

WiFi傳輸子程序流程如圖9所示。系統(tǒng)使用WiFi模組中燒錄機(jī)智云的GAgent固件，這個(gè)固件庫把復(fù)雜的傳輸協(xié)議和交互都交給了封裝，WiFi模組與主機(jī)MCU之間的交互只有串口透傳[10]，所以只需將需要上傳至云平臺(tái)的數(shù)據(jù)打包，通過調(diào)用封裝好的庫函數(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至云平臺(tái)。

4 結(jié) 語

基于ZigBee的中央空調(diào)溫控設(shè)備利用人體紅外感測器采集房子內(nèi)部人數(shù)狀況，其裝設(shè)于建筑的每間房內(nèi)，調(diào)控每個(gè)房子空調(diào)設(shè)備的溫度和風(fēng)力等變量。將總控中心放置在控制中心，對(duì)整棟樓的中央空調(diào)溫度展開監(jiān)測和監(jiān)管。使用者操控終端為手機(jī)或PC機(jī)，PC機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)與中央空調(diào)溫度總控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令傳輸。手機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)與中央空調(diào)溫度總控中心展開數(shù)據(jù)和指令傳送。中央空調(diào)溫度總控中心通過ZigBee互聯(lián)網(wǎng)與各個(gè)中央空調(diào)溫度控制裝置展開通信。管理人員可以在使用者操控終端上加裝客戶端應(yīng)用程序，根據(jù)需要通過使用者操控終端輸入指令和信息。然后中央空調(diào)溫度總控制室通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)每個(gè)房子的中央空調(diào)溫度控制裝置展開監(jiān)控，實(shí)時(shí)掌握使用情況;也可通過中央空調(diào)溫度控制中心對(duì)中央空調(diào)溫度控制裝置進(jìn)行操控，開啟每個(gè)房間的中央空調(diào)、設(shè)定中央空調(diào)溫度控制裝置的溫度、風(fēng)力、工作方式、定時(shí)自動(dòng)關(guān)機(jī)等參數(shù)。

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作者簡介：李乾龍（1996—），男，本科。

龍 馨（1998—），女，本科。

龍光利（1968—），陜西南鄭人，教授，研究方向?yàn)闊o線通信與電子技術(shù)應(yīng)用。