任素龍，彭 鋼，袁曉磊，楊春來，殷 喆

（國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟和城市建設(shè)的高速發(fā)展，逐步提高人們對工作環(huán)境舒適度和智能化程度的需求［1］。在大型建筑中，中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗幾乎占到整個建筑能耗的一半左右，其節(jié)能降耗問題已引起了社會的廣泛關(guān)注。如何在不影響室內(nèi)舒適度的前提下，最大限度地降低空調(diào)系統(tǒng)能耗的課題研究將具有很強的現(xiàn)實意義［2］。目前在采用中央空調(diào)的辦公場所均存在較大的能源浪費現(xiàn)象，如：辦公室工作人員長時間離開房間時，不關(guān)閉空調(diào)，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)長時間無意義工作，浪費了大量電能；在一些會議樓中，當(dāng)會議室的人數(shù)很少時，空調(diào)風(fēng)量卻運行在較高檔位，也造成了能源浪費；此外，在大的會議廳中許多中央空調(diào)都是采用手動控制，工作人員不方便對其進行有效控制和管理［3］。針對上述問題，設(shè)計和開發(fā)了一種節(jié)能空調(diào)控制器，該控制器能夠檢測室內(nèi)溫度以及室內(nèi)人數(shù)情況，根據(jù)對中央空調(diào)的需求來控制其風(fēng)量的大小，使空調(diào)系統(tǒng)能夠長時間工作在最佳節(jié)能狀態(tài)，同時達到提供舒適環(huán)境的目的。此外，該控制器可以接收無線射頻信號并提供各種對外接口，將其融入到整個建筑的智能控制系統(tǒng)中，以實現(xiàn)對整個中央空調(diào)系統(tǒng)的遠程控制和管理［4］。

1 節(jié)能空調(diào)控制器硬件設(shè)計

1.1 空調(diào)控制器的功能設(shè)計

中央空調(diào)控制面板采用大液晶屏顯示各種工作狀態(tài)，家電化操作界面，使人機對話更加直接方便；室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度同時顯示，溫度設(shè)定10～40℃，室溫顯示范圍10～60℃；藍色背液晶背光源，方便夜間使用；選用高檔阻燃材料，精美光潔；風(fēng)機風(fēng)速可以自動控制，也可以手動控制，風(fēng)速分為高、中、低、自動4種工作狀態(tài)；繼電器輸出控制，性能穩(wěn)定，溫度控制精度±1℃，溫度顯示分辨率±1℃，溫度誤差小于±1℃；具有室內(nèi)溫度校正功能，斷電數(shù)據(jù)記憶，斷電后來電恢復(fù)正常工作?？刂泼姘逵心Ｊ芥I、手動調(diào)節(jié)風(fēng)速鍵、手動加減設(shè)定溫度鍵和開關(guān)鍵。

1.2 空調(diào)控制器的硬件電路

節(jié)能空調(diào)控制器主要由單片機主控制器電路、射頻接收解碼電路、溫度監(jiān)測電路、人體熱釋電紅外傳感檢測電路組成。其中，單片機采用STC12C5A32S2系列的單片機，是系統(tǒng)的控制核心，其作用是實時監(jiān)測無線射頻信號、處理控制指令、室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計以及與空調(diào)面板進行通信；射頻接收、解碼電路的作用是接收射頻控制信號；溫度傳感器的作用是檢測室內(nèi)溫度；利用人體熱釋紅外電傳感器檢測室內(nèi)人員的進出情況，將室內(nèi)人員信息送入單片機。單片機與空調(diào)面板之間通過RS485進行通信，控制模塊可以接收無線射頻遙控器或外部控制系統(tǒng)發(fā)出的無線射頻信號指令，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的RS485控制指令，以對中央空調(diào)進行無線、遠程遙控［5－7］。中央空調(diào)控制器框圖如圖1所示。

圖1 節(jié)能空調(diào)控制器系統(tǒng)示意

整個電路以單片機為核心，完成外部輸入檢測、無線射頻解碼、驅(qū)動繼電器輸出以及看門狗等功能。315 MHz射頻接收、解碼電路接收射頻控制信號，將射頻信號轉(zhuǎn)換為TTL信號。RS485驅(qū)動電路作為通信協(xié)議的硬件層，實現(xiàn)TTL信號向RS485信號的轉(zhuǎn)換。電源穩(wěn)壓電路將輸入的＋12 V電壓轉(zhuǎn)換為＋5 V電壓，為控制模塊提供工作電源。

1.3 人體熱釋電紅外傳感器的監(jiān)測

人體熱釋電紅外傳感器是二十世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的一種新型傳感器件，該傳感器不受白天黑夜的影響，廣泛地用于監(jiān)測和報警系統(tǒng)中。人體熱釋電紅外傳感器能夠通過接收的紅外線的變化判斷出探測區(qū)域內(nèi)是否有人出現(xiàn)，是一種被動接收的傳感器，以下利用2個熱釋電紅外傳感器來實現(xiàn)室內(nèi)人數(shù)的檢測。

人體熱釋電紅外傳感器的輸出與人體移動的速度、方向和人數(shù)的多少有很大的關(guān)系，對傳感器的輸出波形進行分析，便可解析出傳感器的輸出與人數(shù)、人體移動速度與方向的關(guān)系。利用紅外熱釋電傳感器檢測人員信息，傳感器的輸出信號經(jīng)過前置放大電路的處理后，送到單片機，通過對輸出信號的采樣分析，便可知傳感器的輸出變化情況。本設(shè)計采用2個人體熱釋電紅外傳感器來判斷人員是進入還是離開房間，2個傳感器間隔10 cm左右，當(dāng)有人經(jīng)過時，會發(fā)出信號，根據(jù)信號的先后順序便可以判斷人員是進入房間還是離開房間。為了解決因人員頻繁進出而造成節(jié)能控制器的頻繁動作，需要確定合理的延時時間，一般將延時動作時間調(diào)整在5～15 min，該延時時間也可以根據(jù)實際需要進行調(diào)整。

人體熱釋電紅外線傳感器硬件設(shè)計采用BISS0001芯片。BISS0001是一款高性能的傳感信號處理集成電路，靜態(tài)電流極小，配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構(gòu)成被動式熱釋電紅外傳感器。BISS0001是由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構(gòu)成的數(shù)模混合專用集成電路，其電路原理圖如圖2所示。其中，R3為光敏電阻，用來檢測環(huán)境照明度。當(dāng)作為照明控制時，若環(huán)境較明亮，R3的電阻值會降低，使9腳的輸入保持為低電平，從而封鎖觸發(fā)信號Vs。SW1是工作方式選擇開關(guān)，當(dāng)SW1與1端連通時，芯片處于可重復(fù)觸發(fā)工作方式；當(dāng)SW1與2端連通時，芯片則處于不可重復(fù)觸發(fā)工作方式。輸出延遲時間Tx由外部的R9和C7的大小調(diào)整，其值為Tx≈24 576×R9C7；觸發(fā)封鎖時間Ti由外部的R10和C6的大小調(diào)整，其值為Ti≈24×R10C6。對熱釋電傳感器觸發(fā)頻率要求在毫秒級，所以適當(dāng)選取C6、R10、C7、R9即可。實際應(yīng)用當(dāng)中，由于Tx、Ti是毫秒級，已經(jīng)接近了熱釋電傳感器的分辨極限，測試時輸出信號不是很穩(wěn)定，并且輸出電壓平均值在2.4 V以下，所以在輸出端加上了一個三極管構(gòu)成的非門，可增加輸出信號的穩(wěn)定性。

圖2 BISS0001電路原理

2 節(jié)能空調(diào)控制器控制策略

2.1 空調(diào)工作范圍的設(shè)定

通過設(shè)定溫度上下限來控制中央空調(diào)的開關(guān)，按照國家使用中央空調(diào)的規(guī)定，夏季當(dāng)室溫達到溫度上限時允許打開空調(diào)，當(dāng)室溫低于溫度下限時自動關(guān)閉空調(diào)。冬季當(dāng)室溫達到溫度下限時允許打開空調(diào)，當(dāng)室溫高于溫度上限時自動關(guān)閉空調(diào)。該方案可避免無節(jié)制使用中央空調(diào)的現(xiàn)象，實現(xiàn)了根據(jù)需求來開關(guān)空調(diào)。

該方案將允許空調(diào)工作的環(huán)境溫度區(qū)間分為夏季溫控區(qū)和冬季溫控區(qū)。夏季溫控區(qū)是空調(diào)制冷時的工作范圍，當(dāng)環(huán)境溫度大于夏季溫控區(qū)上限28℃時允許空調(diào)開啟，當(dāng)環(huán)境溫度低于夏季溫控區(qū)下限24℃時自動關(guān)閉空調(diào)；冬季溫控區(qū)是空調(diào)制熱時的允許工作范圍，當(dāng)環(huán)境溫度低于冬季溫控區(qū)下限18℃時允許空調(diào)開啟，當(dāng)環(huán)境溫度高于冬季溫控區(qū)上限22℃時自動關(guān)閉空調(diào)電源。溫控區(qū)的上下限可以根據(jù)用戶的實際需求進行修改。

2.2 根據(jù)室內(nèi)人數(shù)調(diào)控空調(diào)風(fēng)量

采用人體熱釋電紅外傳感器來檢測室內(nèi)人員情況［8］：當(dāng)室有人時自動打開空調(diào)電源，所有人員都離開時自動斷開空調(diào)電源；通過統(tǒng)計室內(nèi)人數(shù)并結(jié)合房間大小來控制空調(diào)風(fēng)量的大小。

通過溫度傳感器檢測室內(nèi)溫差以及人體熱釋電紅外傳感器檢測室內(nèi)人數(shù)，綜合兩方面的“需求”來確定空調(diào)的開關(guān)和風(fēng)量，使空調(diào)系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)，從而達到節(jié)能的目的。若檢測到室內(nèi)沒人時，系統(tǒng)將延時15 min自動關(guān)閉空調(diào)電源，這樣能夠避免空調(diào)頻繁啟動。當(dāng)室內(nèi)溫度達到設(shè)定溫度時，將自動關(guān)閉空調(diào)電源，減少待機狀態(tài)時的能耗。

2.3 無線遙控

節(jié)能空調(diào)控制器能夠接收無線遙控器發(fā)出的無線射頻控制信號，即315 MHz或433 MHz的無線射頻信號，實現(xiàn)無線就地控制；同時還可接收其它主機發(fā)來的控制信號，或通過其對外接口與外部主機建立相關(guān)的通訊聯(lián)系，以實現(xiàn)對整個建筑中央空調(diào)系統(tǒng)的遠程遙控和集中控制的目的。

2.4 根據(jù)用戶作息時間調(diào)控

對于一些對中央空調(diào)系統(tǒng)實施集中控制和管理的場所，在工作日時，一般是上班后開啟，下班后關(guān)閉，但實際上用戶希望室內(nèi)空氣品質(zhì)能在上班時就達到舒適性的要求。由于空氣溫度的調(diào)節(jié)具有較大的滯后性，中央空調(diào)系統(tǒng)需要經(jīng)過一段時間的運行后才能使空氣品質(zhì)達到舒適性的要求，用戶往往需要提前一段時間開啟空調(diào)系統(tǒng)才能在預(yù)定的時間達到希望的效果，在下班前可以提前關(guān)閉空調(diào)，而不需要下班后才關(guān)閉空調(diào)。根據(jù)大樓用戶作息時間和室內(nèi)與室外的溫度差異，本控制器可設(shè)定自動開啟和關(guān)閉的時間，既可以及時達到舒適性的要求，又能避免開啟過早和關(guān)閉過晚造成的能源浪費。

3 節(jié)能空調(diào)控制器軟件設(shè)計

3.1 MODBUS通信協(xié)議

節(jié)能空調(diào)控制器內(nèi)部采用了RS485通信，通過修改內(nèi)部寄存器和輸出命令碼來進行控制，通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS RTU通信協(xié)議。串口設(shè)定：波特率“9 600”，校驗位“無”，數(shù)據(jù)位“8”，停止位“1”。

3.2 軟件設(shè)計

節(jié)能空調(diào)控制器控制的主程序見圖3所示，解碼芯片實時檢測射頻信號，當(dāng)檢測到的射頻信號地址經(jīng)兩次匹配后，認為該信號為正確射頻信號，該信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)化后連接至單片機的外部中斷輸入端。單片機不斷檢測中斷信號，發(fā)生中斷后，單片機轉(zhuǎn)入中斷子程序進行射頻信號的解析。

圖3 節(jié)能空調(diào)控制器主程序流程

在檢測到射頻信號后，首先判斷信號類型。若為控制指令，則對其進行解析：若為開空調(diào)指令，則觸發(fā)485發(fā)送器，并向中央空調(diào)面板發(fā)送開空調(diào)命令；若為關(guān)空調(diào)指令，則觸發(fā)485發(fā)送器，并向中央空調(diào)面板發(fā)送關(guān)空調(diào)命令；若為升高溫度指令，則觸發(fā)485發(fā)送器，并向中央空調(diào)面板發(fā)送升溫命令；若為降溫指令，則觸發(fā)485發(fā)送器，并向中央空調(diào)面板發(fā)送降溫命令；若為人體熱釋電紅外檢測信號，通過分析接收到的兩個傳感器信號的時間順序來判斷人員是進入還是離開房間，若先接收到傳感器1的信號則為進入房間，若先接收到傳感器2的信號則為離開房間，以此來統(tǒng)計房間內(nèi)的人數(shù)，根據(jù)房間人數(shù)來控制空調(diào)風(fēng)量。

在程序中，空調(diào)風(fēng)量的大小選擇通常是根據(jù)室內(nèi)面積和室內(nèi)人數(shù)來決定?？照{(diào)風(fēng)量與房間面積和室內(nèi)人數(shù)的匹配表見表1所示，用戶也可根據(jù)實際情況進行修改。

表1 調(diào)風(fēng)量與房間面積和室內(nèi)人數(shù)的匹配

4 應(yīng)用分析

以中國第一座被動式低能耗正能量智能房屋為例，該建筑位于中國國際門窗城內(nèi)（保定），其中安裝了整套智能家居控制系統(tǒng)。其中的中央空調(diào)器采用了該文設(shè)計的節(jié)能型控制器。該節(jié)能型空調(diào)控制器既可單獨運行，還可以通過無線射頻、RS485線與智能家居主機進行通信，將中央空調(diào)融入到了智能家居控制系統(tǒng)之中。

在該建筑內(nèi)以2個相同的房屋進行節(jié)能效果比較，其中一間安裝節(jié)能型空調(diào)控制器，另一間安裝普通的中央空調(diào)控制器。將中央空調(diào)設(shè)定為25℃，記錄每天的溫度和中央空調(diào)用電量，對比2個房屋溫度變化和用電情況，一個月的運行數(shù)據(jù)，溫度和用電量對比見圖4和圖5所示，可以看出安裝節(jié)能型空調(diào)控制器的房屋比使用普通空調(diào)控制器的房屋溫度波動小并且用電量少，且每月少用電量約20 k Wh。

圖4 室內(nèi)溫度變化對比

圖5 用電量對比

5 結(jié)束語

以上設(shè)計的節(jié)能型空調(diào)控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)對中央空調(diào)的智能化動態(tài)控制，無需用戶操作即可進行溫度調(diào)整，即根據(jù)室內(nèi)溫度、室內(nèi)人數(shù)進行自動調(diào)節(jié)，使空調(diào)一直工作在最佳的節(jié)能狀態(tài)。同時該控制器還可做為一個控制節(jié)點，很方便地融入整個建筑的智能控制系統(tǒng)之中，用戶可以利用任何具有網(wǎng)絡(luò)瀏覽能力的個人計算機、手機，并在授權(quán)的情況下，對空調(diào)設(shè)備進行控制。實際應(yīng)用表明，該控制器設(shè)計合理、性能穩(wěn)定、安裝方便，達到整個建筑的節(jié)能降耗目的。

［1］ 謝陳磊，方潛生，張振亞，等.建筑節(jié)能檢測中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與研究［J］.電子測量與儀器學(xué)報，2012，26（1）：49－50.

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