陳兵+胡雯

收稿日期：2013-05-27

作者簡介：陳 兵（1962—），男，湖北武漢人，副教授，碩士，研究方向：計算機應用。

文章編號：1003-6199(2014)02-0077-04

摘 要：以物聯(lián)網傳感器技術為基礎，結合計算機信息管理系統(tǒng)，根據被控溫度場的特點，設計并實現集群溫度遠程實時控制系統(tǒng)，實現動態(tài)溫度采集，生成最優(yōu)控制方案，最后通過物流網達到系統(tǒng)的實時控制。

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關鍵詞：物聯(lián)網;WEB;數據庫

中圖分類號：TP3文獻標識碼：A

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The Analysis and Design of the Air Conditioning Control Based on the Internet ofThings

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CHEN Bing,WENHu

(School of Information, Wuchang University of Technology, Wuhan,Hubei 430223，China)

Abstract:Based on the Zigbee Sensor technology, this article has combined the computer information management system with the characteristics of the controlled temperature field to design a Cluster temperature remote realtime control system. This control system is able to provide the optimal management strategy through instant temperature collection. Hence, it effectively leads to a real-time control of the system via the Zigbee technology.

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Key words:the Internet of things;WEB;database

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1 引 言

空調智能管理系統(tǒng)一般需要布設現場總線，然后將現場設備連接到一臺電腦進行數據處理，而如果需要實現跨地區(qū)的遠程管理，更是需要在互聯(lián)網上架設一臺專門的服務器，這樣，不僅需要投入服務器等網絡設備以及開發(fā)相應的服務軟件，系統(tǒng)的維護除現場級設備和總線鏈路外還需要IT部門的管理員協(xié)助維護服務器設備。因此，將物聯(lián)網技術引入到遠程空調智能管理系統(tǒng)中來，底層運用無線傳感網絡連接現場傳感器及設備，上層使用互聯(lián)網技術服務，消除現場級布線的煩惱，可以消除網絡硬件的投入及日常的IT維護，同時可以輕松實現基于WEB服務的遠程管理

2 傳統(tǒng)空調控制的主要方法

以往我國的空調集中控制系統(tǒng)主要采用以單片機為控制核心的單機組控制器，即一個控制器只能控制一臺空調機組，這種控制方法控制簡單，但是在多層或者較大型的建筑中控制能力就顯得力不從心了。

近年來也出現了采用ARM處理器作為控制芯片的集中控制器，基于ARM的空調網絡集中控制器能夠大大提高空調的使用效率，節(jié)約了能源，并且能夠顯著提高空調控制人員的工作效率，這一般運用于預先設計好的場所，對于臨時性的大型場所，不能實現快速組網從而實現集中控制。多年以來，我國公共建筑的空調管理比較粗放，空調溫度設置不盡合理，由于溫度設置的隨意性，及人走后未能及時斷電，導致造成能源資源的極大浪費。嚴重增加了環(huán)境壓力，同時浪費了用戶的大量資金成本投入。

3 基于物聯(lián)網的空調集中控制方法

基于物聯(lián)網的空調集中控制方法的分析及實現，主要加入了物聯(lián)網技術和基于Zigbee的無線傳輸技術［1］。Zigbee是遵循IEEE 802.15.4通訊協(xié)議，是一種短距離、低功耗的無線通信技術。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。

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系統(tǒng)模型建立

本文根據武昌理工學院大學生活動中心空調實際控制系統(tǒng)加以說明，針對項目對象得到的參數(每臺空調所設置的溫度Ti，時間t，以及功率W)，利用CAD制圖軟件和ANSYS模擬仿真軟件，對系統(tǒng)的各個參數進行模擬設置［2］。

1) 導入實體被控對象的實體模型

根據實際工程數據，利用CAD軟件畫出其三維圖，導出成 .sat 格式 和.dwg格式。打開ANSYS的workbench 導入.sat三維圖，對圖形中的每一個部分進行屬性設置。

2)導出相應的溫度場溫度數據

計算技術與自動化2014年6月

第33卷第2期陳 兵等：基于物聯(lián)網的空調集中控制方法的分析及實現

常規(guī)空調系統(tǒng)氣流組織的設計是以送風射流為基礎，通過反復迭代對溫度和速度進行校核，最后找到合理的送風方案和參數，通過ANSYS軟件繪制溫度場的模型，導出相應的溫度場溫度數據。

3)確定控制目標

在本系統(tǒng)的控制中，提供三種模式供操作人員選擇：

最經濟模式:在達到預設的溫度條件下，消耗最少的電能。從而達到節(jié)能環(huán)保的效果。

最快模式:以達到預設溫度為目的的條件下，耗時最短的一種調節(jié)模式，從而達到及時制冷的目的和效果。

最舒適模式：按照人體體驗最舒適的自然風和溫度，對制定區(qū)域進行溫度控制。

根據用戶選擇控制模式，按照系統(tǒng)軟件的參數需求，用VC調用ANSYS后臺數據，在顯示運行狀態(tài)圖的同時，計算得出各個空調的控制信息。

4 系統(tǒng)的結構

系統(tǒng)以易被接受、實用為目標，其主要技術指標包括先進性、方便性、實用性、準確性、實時性、安全性、適應性等方面。項目將采用單片機控制、中間件、接口、工作流引擎等多種技術，解決現場數據采集、下位機與上位機多點對一點數據通信、系統(tǒng)資源充分利用、數據暢通流轉、信息整合、不同網絡訪問等問題［3］。

整個系統(tǒng)將從基礎設備和應用軟件層進行構建。

基礎設備層包括：單片機、cc2430、18b20溫度傳感器、溫度采集輔助軟件、接口技術輔助軟件ZigBee、windows操作系統(tǒng)、電腦硬件、網絡、防火墻等；應用軟件層包括：數據庫支持層、后臺數據處理、用戶界面交互層［4］，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

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4.1 網絡拓撲結構

本IACIMSBIOT系統(tǒng)共由三個應用程序組成，分別是無線發(fā)送接收程序，溫度數據記錄程序，web服務端程序,其結構圖如圖2所示。4.2 無線發(fā)送接收程序

無線發(fā)送程序是由C語言所編寫，在單片機上接有仿真器和ds18b20溫度傳感器，利用zigbee協(xié)議將寫好的程序寫入cc2430射頻單片機，那么，在通電的情況下，該部分會自動讀取溫度傳感器采集的數據，并通過cc2430自帶的無線發(fā)射功能，定時發(fā)送所采集到得數據。而無線接收端和控制端可以在直徑100m的范圍內，接收到無線發(fā)送端發(fā)送來的溫度數據，無線接收端和發(fā)送端的程序代碼基本相同，硬件連接也差不多。只是本系統(tǒng)的是多點對一點的溫度采集控制系統(tǒng)，即采集數據的發(fā)送端有多個，而數據的接收端只有一個，每個發(fā)送端都有標識符，所以在接收端能很方便的加以區(qū)別［5］，如圖3所示。

圖2 網絡拓撲圖

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圖3 無線發(fā)送接收程序流程圖

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4.3 溫度數據記錄程序

溫度數據記錄程序的設計考慮了很多因素，比如傳輸效率等問題，本溫度數據記錄程序是由VB語言編寫，將數據接收端的cc2430通過串口與pc機連接，pc機上的溫度數據記錄程序檢測串口并同步接收由無線發(fā)送端發(fā)送來的數據，所接收的數據都是有13byte的字節(jié)數據，通過數據中的第5、6字節(jié)區(qū)別各發(fā)送端，并通過第10、11字節(jié)讀取解析溫度數據，與此同時，此溫度數據記錄程序將所檢測到得數據寫入服務器所在的MySQL數據庫，如圖4所示。

圖4 溫度數據記錄程序流程圖

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4.4 Web服務端程序

系統(tǒng)與用戶交互的WEB服務端程序，該程序是由PHP編寫，整個程序采用TinkPHP框架，面向對象的開發(fā)結構和MVC模式，因而整個服務端程序符合高類聚低耦合的要求，程序可拓展性和可維護性很強，業(yè)務邏輯清晰，用戶可在在家電腦瀏覽器上，通過IP地址訪問服務端程序，服務端能靈活的辨別不同級別的用戶，并且返回相對應的用戶界面［6］。本程序還提供了簡單又好的圖形化界面管理，屏蔽繁雜的控制部分，將業(yè)務流程直白的通過圖形交互控制，簡單的表現出來。本程序提供了三套科學的控制方案，經過后臺算法的分析計算，呈獻給用戶的是直觀的終極溫度控制方案報表，如圖5所示。

圖5web服務端程序用戶登錄和

各模塊間切換流程圖

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5 結 論

1) 具有可靠的運行環(huán)境，確保安全工作 

對于將空調的溫度可以有效的控制在25℃左右，保證不會因為使用環(huán)境溫度高，造成電子元器件的損壞和故障機會增加；房間的溫度控制在25℃~28℃之間，因為與外界的溫差相對減少更有效地減少冷量損失。

2) 合理控制空調的溫度，節(jié)約了能源，達到節(jié)能的目的

系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)空調控制系統(tǒng)的控制方式（單一的一臺空調設置溫度，不能實時控制房間的溫度），實現最佳輸出能量控制，即空調主機溫度實時在計算機顯示器上顯示，自動同步溫度的變化，因此，在空調系統(tǒng)的任何負荷狀況（滿負荷或部分負荷）下，都能既保障空調的服務質量（舒適性），又實現最大的節(jié)能。 

3) 具有實時監(jiān)控的智能控制 

房間的環(huán)境溫度的實時監(jiān)控，可以的及時發(fā)現空調系統(tǒng)故障，迅速處理，通過記錄分析系統(tǒng)的運行規(guī)律，提前檢修預防。因此系統(tǒng)采用了物聯(lián)網技術，使系統(tǒng)具有快速、實時的監(jiān)控功能，實現了空調系統(tǒng)在各種負荷條件下的最大節(jié)能。

4) 優(yōu)化多臺空調主機運行的環(huán)境 

系統(tǒng)全面采集空調的在一定溫度下運行參量，再利用物聯(lián)網技術，對這些相互關聯(lián)、相互影響的運行參量進行動態(tài)優(yōu)化處理，以滿足空調系統(tǒng)非線性和時變性的要求， 使空調主機始終運行在最佳工況，以保持最高的熱轉換效率，從而減少主機的能耗 5%-10%。

參考文獻

［1］ 張莉.ZigBee技術在物聯(lián)網中的應用［J］.電信網技術, 2010(3): 1-5.

［2］ RICQUEBOURG V,MENGAD,DURAND D. The Smart Home Concept: Our Immediate Future［C］//Proc. of 2006 1ST IEEE International Conference on E-learning in Industrial Electronics. ［S. 1.］: IEEE Press, 2006.

［3］ ZIGBEE ALLIANCE.Zigbeespecification 2008［EB/OL］. ［2008-01-27］. http://www.Zigbee.org.

［4］ 楊倩. 物聯(lián)網關鍵技術及應用［J］.電信科學, 2010,(S1): 139-142.

［5］ 黃曉亮, 徐曉輝,宋軍華，等. 智能家居系統(tǒng)中無線傳感器網絡的設計［J］. 電子設計工程, 2011, 19(4): 35-37.

［6］ 徐敬東, 趙文耀,李淼，等. 基于Zigbee 的無線傳感器網絡設計［J］. 計算機工程, 2010, 36(10): 110-112.

圖2 網絡拓撲圖

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圖3 無線發(fā)送接收程序流程圖

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4.3 溫度數據記錄程序

溫度數據記錄程序的設計考慮了很多因素，比如傳輸效率等問題，本溫度數據記錄程序是由VB語言編寫，將數據接收端的cc2430通過串口與pc機連接，pc機上的溫度數據記錄程序檢測串口并同步接收由無線發(fā)送端發(fā)送來的數據，所接收的數據都是有13byte的字節(jié)數據，通過數據中的第5、6字節(jié)區(qū)別各發(fā)送端，并通過第10、11字節(jié)讀取解析溫度數據，與此同時，此溫度數據記錄程序將所檢測到得數據寫入服務器所在的MySQL數據庫，如圖4所示。

圖4 溫度數據記錄程序流程圖

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4.4 Web服務端程序

系統(tǒng)與用戶交互的WEB服務端程序，該程序是由PHP編寫，整個程序采用TinkPHP框架，面向對象的開發(fā)結構和MVC模式，因而整個服務端程序符合高類聚低耦合的要求，程序可拓展性和可維護性很強，業(yè)務邏輯清晰，用戶可在在家電腦瀏覽器上，通過IP地址訪問服務端程序，服務端能靈活的辨別不同級別的用戶，并且返回相對應的用戶界面［6］。本程序還提供了簡單又好的圖形化界面管理，屏蔽繁雜的控制部分，將業(yè)務流程直白的通過圖形交互控制，簡單的表現出來。本程序提供了三套科學的控制方案，經過后臺算法的分析計算，呈獻給用戶的是直觀的終極溫度控制方案報表，如圖5所示。

圖5web服務端程序用戶登錄和

各模塊間切換流程圖

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5 結 論

1) 具有可靠的運行環(huán)境，確保安全工作 

對于將空調的溫度可以有效的控制在25℃左右，保證不會因為使用環(huán)境溫度高，造成電子元器件的損壞和故障機會增加；房間的溫度控制在25℃~28℃之間，因為與外界的溫差相對減少更有效地減少冷量損失。

2) 合理控制空調的溫度，節(jié)約了能源，達到節(jié)能的目的

系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)空調控制系統(tǒng)的控制方式（單一的一臺空調設置溫度，不能實時控制房間的溫度），實現最佳輸出能量控制，即空調主機溫度實時在計算機顯示器上顯示，自動同步溫度的變化，因此，在空調系統(tǒng)的任何負荷狀況（滿負荷或部分負荷）下，都能既保障空調的服務質量（舒適性），又實現最大的節(jié)能。 

3) 具有實時監(jiān)控的智能控制 

房間的環(huán)境溫度的實時監(jiān)控，可以的及時發(fā)現空調系統(tǒng)故障，迅速處理，通過記錄分析系統(tǒng)的運行規(guī)律，提前檢修預防。因此系統(tǒng)采用了物聯(lián)網技術，使系統(tǒng)具有快速、實時的監(jiān)控功能，實現了空調系統(tǒng)在各種負荷條件下的最大節(jié)能。

4) 優(yōu)化多臺空調主機運行的環(huán)境 

系統(tǒng)全面采集空調的在一定溫度下運行參量，再利用物聯(lián)網技術，對這些相互關聯(lián)、相互影響的運行參量進行動態(tài)優(yōu)化處理，以滿足空調系統(tǒng)非線性和時變性的要求， 使空調主機始終運行在最佳工況，以保持最高的熱轉換效率，從而減少主機的能耗 5%-10%。

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［6］ 徐敬東, 趙文耀,李淼，等. 基于Zigbee 的無線傳感器網絡設計［J］. 計算機工程, 2010, 36(10): 110-112.

圖2 網絡拓撲圖

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圖3 無線發(fā)送接收程序流程圖

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4.3 溫度數據記錄程序

溫度數據記錄程序的設計考慮了很多因素，比如傳輸效率等問題，本溫度數據記錄程序是由VB語言編寫，將數據接收端的cc2430通過串口與pc機連接，pc機上的溫度數據記錄程序檢測串口并同步接收由無線發(fā)送端發(fā)送來的數據，所接收的數據都是有13byte的字節(jié)數據，通過數據中的第5、6字節(jié)區(qū)別各發(fā)送端，并通過第10、11字節(jié)讀取解析溫度數據，與此同時，此溫度數據記錄程序將所檢測到得數據寫入服務器所在的MySQL數據庫，如圖4所示。

圖4 溫度數據記錄程序流程圖

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4.4 Web服務端程序

系統(tǒng)與用戶交互的WEB服務端程序，該程序是由PHP編寫，整個程序采用TinkPHP框架，面向對象的開發(fā)結構和MVC模式，因而整個服務端程序符合高類聚低耦合的要求，程序可拓展性和可維護性很強，業(yè)務邏輯清晰，用戶可在在家電腦瀏覽器上，通過IP地址訪問服務端程序，服務端能靈活的辨別不同級別的用戶，并且返回相對應的用戶界面［6］。本程序還提供了簡單又好的圖形化界面管理，屏蔽繁雜的控制部分，將業(yè)務流程直白的通過圖形交互控制，簡單的表現出來。本程序提供了三套科學的控制方案，經過后臺算法的分析計算，呈獻給用戶的是直觀的終極溫度控制方案報表，如圖5所示。

圖5web服務端程序用戶登錄和

各模塊間切換流程圖

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5 結 論

1) 具有可靠的運行環(huán)境，確保安全工作 

對于將空調的溫度可以有效的控制在25℃左右，保證不會因為使用環(huán)境溫度高，造成電子元器件的損壞和故障機會增加；房間的溫度控制在25℃~28℃之間，因為與外界的溫差相對減少更有效地減少冷量損失。

2) 合理控制空調的溫度，節(jié)約了能源，達到節(jié)能的目的

系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)空調控制系統(tǒng)的控制方式（單一的一臺空調設置溫度，不能實時控制房間的溫度），實現最佳輸出能量控制，即空調主機溫度實時在計算機顯示器上顯示，自動同步溫度的變化，因此，在空調系統(tǒng)的任何負荷狀況（滿負荷或部分負荷）下，都能既保障空調的服務質量（舒適性），又實現最大的節(jié)能。 

3) 具有實時監(jiān)控的智能控制 

房間的環(huán)境溫度的實時監(jiān)控，可以的及時發(fā)現空調系統(tǒng)故障，迅速處理，通過記錄分析系統(tǒng)的運行規(guī)律，提前檢修預防。因此系統(tǒng)采用了物聯(lián)網技術，使系統(tǒng)具有快速、實時的監(jiān)控功能，實現了空調系統(tǒng)在各種負荷條件下的最大節(jié)能。

4) 優(yōu)化多臺空調主機運行的環(huán)境 

系統(tǒng)全面采集空調的在一定溫度下運行參量，再利用物聯(lián)網技術，對這些相互關聯(lián)、相互影響的運行參量進行動態(tài)優(yōu)化處理，以滿足空調系統(tǒng)非線性和時變性的要求， 使空調主機始終運行在最佳工況，以保持最高的熱轉換效率，從而減少主機的能耗 5%-10%。

參考文獻

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［2］ RICQUEBOURG V,MENGAD,DURAND D. The Smart Home Concept: Our Immediate Future［C］//Proc. of 2006 1ST IEEE International Conference on E-learning in Industrial Electronics. ［S. 1.］: IEEE Press, 2006.

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［6］ 徐敬東, 趙文耀,李淼，等. 基于Zigbee 的無線傳感器網絡設計［J］. 計算機工程, 2010, 36(10): 110-112.