陳志楨,董建懷

(福建江夏學(xué)院電子信息科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350108)

?

家居新風(fēng)系統(tǒng)控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

陳志楨,董建懷

(福建江夏學(xué)院電子信息科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350108)

為使新風(fēng)系統(tǒng)與空調(diào)協(xié)調(diào)工作，設(shè)計了由主控制器、空調(diào)控制單元、空調(diào)狀態(tài)檢測單元以及室外溫度采集節(jié)點等模塊組成的新風(fēng)系統(tǒng)控制器.該控制器各模塊間利用Zigbee技術(shù)進行通信，控制器通過對室外當(dāng)前溫度與預(yù)設(shè)的房間期望溫度的比較，以±1 ℃溫控的方法平滑控制空調(diào)的啟閉以及智能地控制新風(fēng)的引入.實驗表明：該控制器功耗低、可靠性高、成本低、使用方便，可在智能家居領(lǐng)域推廣使用.

智能家居；控制器；新風(fēng)系統(tǒng)；Zigbee技術(shù)

隨著空調(diào)應(yīng)用的普及，人們長時間處于封閉空調(diào)房中容易引發(fā)下呼吸道、大腦神經(jīng)失衡等疾病，采用新風(fēng)系統(tǒng)[1]來提高家居空氣質(zhì)量將成為一種趨勢.近年來，有不少關(guān)于新風(fēng)系統(tǒng)的研究成果，如劉小斌等[2]設(shè)計了一種集通風(fēng)與控制為一體的智能環(huán)保新風(fēng)系統(tǒng)用于降低基站空調(diào)能耗；向宏[3]提出使用BIN法計算新風(fēng)負荷量，減少新風(fēng)負荷，降低空調(diào)能耗.同時，一些研究者將模糊控制理論和自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制引用到新風(fēng)系統(tǒng)[4-5]，但迄今為止，在新風(fēng)系統(tǒng)控制器中引入無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)還比較少見.另外，當(dāng)前研究的新風(fēng)系統(tǒng)控制器主要存在以下兩個問題：一是控制器大多僅局限于控制新風(fēng)的啟閉，沒有結(jié)合當(dāng)前環(huán)境溫度實現(xiàn)新風(fēng)與空調(diào)的聯(lián)動控制，更沒有對空調(diào)的啟閉進行平滑控制[6]；二是控制器電路復(fù)雜，價格昂貴，安裝不便，難以在一般家庭普及應(yīng)用[7].針對上述問題，本文設(shè)計了一種基于Zigbee技術(shù)的新風(fēng)系統(tǒng)控制器，通過實時采集室外環(huán)境溫度與房間預(yù)置溫度，智能、協(xié)調(diào)地控制各房間空調(diào)與新風(fēng)的啟閉，達到提高室內(nèi)空氣質(zhì)量，節(jié)約能耗的目的.

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新風(fēng)系統(tǒng)是一套完整的空氣處理系統(tǒng)，由控制器，新風(fēng)機組、多層凈化過濾系統(tǒng)和能量交換系統(tǒng)組成.按送風(fēng)方式可分為單向流新風(fēng)系統(tǒng)、雙向流新風(fēng)系統(tǒng)和地送風(fēng)系統(tǒng).本文以雙向流新風(fēng)系統(tǒng)為例進行設(shè)計，文中不討論多層凈化過濾系統(tǒng)與能量交換系統(tǒng)的采集與反饋電路，主要研究新風(fēng)系統(tǒng)控制器的設(shè)計.新風(fēng)系統(tǒng)控制示意圖如圖1所示.新風(fēng)系統(tǒng)控制器由主控制器、空調(diào)控制單元、空調(diào)狀態(tài)檢測單元和室外溫度采集節(jié)點等模塊組成，各模塊間通過Zigbee技術(shù)通信.主控制器上包含的CC2530片上系統(tǒng)作為Zigbee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，室外溫度采集節(jié)點上的CC2530片上系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)的終端，其他模塊上所包含的的CC2530片上系統(tǒng)充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的路由器.

圖1中，主控制器負責(zé)協(xié)調(diào)各模塊工作，控制新風(fēng)機組的運行，實行人機交互等，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.空調(diào)控制單元負責(zé)采集當(dāng)前房間的溫度，控制該房間空調(diào)的運行；空調(diào)狀態(tài)檢測單元負責(zé)檢測空調(diào)的狀態(tài)；室外溫度采集節(jié)點主要實現(xiàn)對室外溫度的實時采集.

當(dāng)主控制器對某一空調(diào)控制單元發(fā)出控制空調(diào)的命令時，該空調(diào)控制單元使用紅外遙控器控制空調(diào)動作，同時向主控制器反饋當(dāng)前房間的溫度信息，空調(diào)狀態(tài)檢測單元向主控制器反饋空調(diào)狀態(tài)，構(gòu)成閉環(huán)回路控制.同時為保證系統(tǒng)的可靠性，設(shè)定在控制開始5 min后,室內(nèi)溫度無明顯變化趨勢且該房間溫度仍未達到所設(shè)定溫度±1 ℃范圍內(nèi)，即為控制不成功，在主控制器的人機交互模塊上發(fā)出警報.

2　硬件設(shè)計

2.1空調(diào)控制單元設(shè)計

空調(diào)控制單元由CC2530片上系統(tǒng)、電源模塊、紅外遙控器和DS18B20溫度傳感器[8]組成.電源模塊采用芯源半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的AC-DC原邊反饋芯片MP020-5GS.它內(nèi)部集成一個700 V的金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，具有過電壓、開路和過流保護，空載功率小于30 mW.MP020-5GS的原邊反饋使得電源方案簡單，節(jié)省了成本和PCB布局空間.220 V交流電經(jīng)電源模塊后直接轉(zhuǎn)換成3.3 V的直流電供CC2530片上系統(tǒng)、紅外遙控器和DS18B20溫度傳感器使用.DS18B20溫度測量范圍為-55～125 ℃，精度為±0.5 ℃，最大工作電流為3 mA，靜態(tài)電流為3 μA，可滿足系統(tǒng)需求.

2.2空調(diào)狀態(tài)檢測電路設(shè)計

為使空調(diào)控制單元準確地對空調(diào)發(fā)出控制命令，必須判斷空調(diào)當(dāng)前的運行狀態(tài).空調(diào)狀態(tài)檢測由電壓跟隨器、比較電路和單穩(wěn)態(tài)電路組成，如圖3所示.信號采集使用交流互感器完成，交流互感器兩端接1 kΩ取樣電阻.

從取樣電阻接入的信號經(jīng)電壓跟隨器和比較電路接入單穩(wěn)態(tài)電路，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只固定維持外圍電阻電容給定的一段時間就恢復(fù)觸發(fā)前狀態(tài).74HC123外圍所接的電阻為1 kΩ，電容22 μF，輸出的脈沖寬度Wp=R×C，計算可得脈沖寬度為22 ms.信號頻率為50 Hz，每個信號周期內(nèi)低電平最長持續(xù)時間不超過20 ms，可做到B端有連續(xù)正脈沖輸入時，Q端一直保持高電平，為系統(tǒng)判斷空調(diào)狀態(tài)提供準確的信號.

2.3無線傳輸模塊設(shè)計

CC2530與天線之間連接有巴倫電路、隔直電容和一個π型電路.CC2530是以差分的形式輸出，所以需要加巴倫電路以實現(xiàn)平衡—非平衡轉(zhuǎn)換，功率發(fā)射模塊電路原理圖如圖4所示.圖4中，L1，C8，L3和C12構(gòu)成巴倫電路.巴倫電路的設(shè)計應(yīng)考慮外界因素造成的影響.在PCB板的設(shè)計過程中，一個過孔的寄生電感、電容值計算公式如下：

L=5.08h(ln(4h/d)+1)，

(1)

C=1.41ErTD1/(D2-D1).

(2)

設(shè)計中,PCB板過孔長度為h=2.00 mm，鉆孔直徑d=0.20 mm，代入式(1)可得一個過孔的寄生電感值：L=1 nH.PCB板過孔在地層上的阻焊區(qū)域直徑D2=0.81 mm，PCB過孔焊盤的直徑D1=0.41 mm，板厚T=1.26 mm，使用FR-4板基材，介電常數(shù)值Er取4.5.代入式(2)可得一個過孔寄生電容值：C=0.78 pF.因外界因素的影響，巴倫電路的電感、電容實際取值為2.2 nH和1 pF.節(jié)點天線采用倒F天線[9]，如圖4所示.

2.4溫度采集節(jié)點電源設(shè)計

室外溫度采集節(jié)點電源采用升壓型DC-DC芯片PT1301，該芯片啟動電壓為0.8 V，轉(zhuǎn)換效率90%以上，圖5為輸出電壓+3.3 V、電流100 mA時 PT1301的工作原理圖.該節(jié)點每隔15 s進行一次溫度采集并將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，其中DS18B20以9位分辨率進行一次溫度采集最長時間不超過100 ms， CPU工作電流8.9 mA.CC2530以2.81 mW的功率發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，工作時間15 ms，最大工作電流37.5 mA.A/D轉(zhuǎn)換時間短，工作電流小，該功耗忽略不計.其余時間CC2530以電源模式1進行睡眠定時，計算可得該節(jié)點一天消耗的總電量為7.53 mA·h.一節(jié)普通五號堿性電池電量為2 000 mA·h左右，同時使用兩節(jié)普通五號堿性電池即可保證該節(jié)點正常工作時間達到1 a以上.

3　軟件設(shè)計

3.1空調(diào)平滑控制

為防止控制空調(diào)時出現(xiàn)乒乓效應(yīng)，避免短時間內(nèi)頻繁啟動和關(guān)斷空調(diào)而影響空調(diào)壓縮機壽命，設(shè)計中采用溫控±1 ℃的方法對空調(diào)的運轉(zhuǎn)進行平滑控制，如圖6(a)所示，起始室內(nèi)溫度為27 ℃，室外溫度28 ℃，假設(shè)用戶將室內(nèi)的溫度設(shè)定為25 ℃.在a點時系統(tǒng)控制空調(diào)打開，設(shè)定空調(diào)工作溫度為24 ℃，同時新風(fēng)系統(tǒng)關(guān)閉.直至b點，室內(nèi)溫度達到24 ℃時，關(guān)閉空調(diào)，打開新風(fēng)系統(tǒng).至c點時，打開空調(diào)，關(guān)閉新風(fēng)系統(tǒng).d點與c點動作相反.圖6(b)中，e和f兩點與圖(a)中的a，b兩點操作相同，g點時打開空調(diào)進行制熱，直至h點室外溫度達到25 ℃時，關(guān)閉空調(diào)，打開新風(fēng)系統(tǒng)進行工作.始終將室內(nèi)溫度控制在用戶所設(shè)定溫度的±1 ℃范圍內(nèi)，同時確保空調(diào)運轉(zhuǎn)的平滑性.

3.2通信及控制流程

本設(shè)計采用樹型Zigbee拓撲結(jié)構(gòu)[10].協(xié)調(diào)器負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的組建，對加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點進行判別，以及負責(zé)通信鏈路及路由的建立、數(shù)據(jù)包協(xié)議轉(zhuǎn)換等.路由器可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，起到路由的作用，也可以收發(fā)數(shù)據(jù).終端只發(fā)送數(shù)據(jù)，不接收數(shù)據(jù).當(dāng)系統(tǒng)完成初始化，協(xié)調(diào)器開始組建Zigbee網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)組建成功后各模塊進行信息采集并將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)傳送至MCU.當(dāng)用戶完成對系統(tǒng)各項參數(shù)的設(shè)置后，協(xié)調(diào)器將控制命令發(fā)送至各模塊，系統(tǒng)開始運行.程序流程圖如圖7所示.室外溫度采集節(jié)點以15 s/次的頻率向協(xié)調(diào)器發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，同時監(jiān)測電源電池的電壓，當(dāng)1節(jié)堿性電池的電壓低于1 V時，認為電池的電量基本消耗完畢，向協(xié)調(diào)器發(fā)送警報，程序流程圖如圖8所示.

4　性能測試

4.1模塊RF性能測試

Zigbee的工作頻段為2.4 GHz，容易受到藍牙與其它Zigbee網(wǎng)絡(luò)的干擾，為得到準確、真實、有效的測試數(shù)據(jù)，測試時將Zigbee模塊放置在屏蔽箱中，斷開天線部分，將巴倫電路的輸出連接到IQxel測試儀.在確保模塊中CC2530輸出功率為2.81 mW的前提下，設(shè)置不同的工作頻率，測試各模塊的發(fā)射功率(經(jīng)巴倫電路后的功率)和接收靈敏度，測試結(jié)果如表1所示.表1中各模塊數(shù)據(jù)的差異主要與巴倫電路的制作和PCB布線有關(guān).

表1　Zigbee發(fā)射功率與接收靈敏度測試表

自由空間下電波傳播損耗計算公式[11]

Los=32.44+20lgd+20lgf .

(3)

式(3)中：d為傳輸距離；f為工作頻率；傳播損耗Los=發(fā)射功率-接收靈敏度.為了得出各模塊間的最短通信距離，取表1中發(fā)射功率的最小值1.90 mW，接收靈敏度的最大值5.37×10-13W，理想傳播損耗為95.5 dB，考慮到外界因素造成的傳輸損耗(這里取15 dB)，則實際傳播損耗Los=80.5 dB，根據(jù)式(3)，可求得工作頻率f為2 480 MHz時模塊間正常通信的最小傳輸距離d=101.9 m，完全滿足家居控制器模塊間通信距離的要求.

4.2系統(tǒng)測試

測試時，選用海爾KFR-50LW 2匹柜式無氟變頻空調(diào)，空調(diào)的工作溫度在16～30 ℃之間任意切換，系統(tǒng)測試結(jié)果如表2所示.表中溫度實測值指的是采用專用儀器測得的各模塊(空調(diào)狀態(tài)檢測單元除外)環(huán)境溫度，檢測值指的是主控制器無線接收到的各模塊(空調(diào)狀態(tài)檢測單元除外)環(huán)境溫度，測試誤差≤0.5 ℃，這個誤差主要是由溫度傳感器造成的，表明控制器各模塊檢測、通信正常.

表2　系統(tǒng)測試結(jié)果

5　結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于Zigbee技術(shù)的模塊間有效通信距離可達95 m以上的家居新風(fēng)系統(tǒng)控制器，通過閉環(huán)控制實現(xiàn)了空調(diào)與新風(fēng)的智能統(tǒng)調(diào)，有效改善了家居空氣質(zhì)量，提高人體舒適度，以±1 ℃溫控的方法平滑控制空調(diào)的啟閉，避免影響空調(diào)壓縮機壽命.此外，控制器具有電路簡單、性能可靠、功耗低、安裝方便等特點.本設(shè)計為智能家居新風(fēng)系統(tǒng)在節(jié)能減排方面提供了一種實用的方案.但該系統(tǒng)實現(xiàn)的功能比較單一，以后可將該系統(tǒng)加入“家庭網(wǎng)絡(luò)”，使用手機軟件實現(xiàn)遠程控制.

[1]厲松,任慧忠,李云龍.住宅式中央新風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].節(jié)能,2012(4):38-42.

[2]劉小斌,田愛軍.智能環(huán)保節(jié)能新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2014(1):109-112.

[3]向宏.長沙市商場空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2011,30(3):98-101，85.

[4]劉芹,余錦視,吳佳.獨立新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的模糊控制方法研究[J].仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院學(xué)報,2013,26(2):48-52.

[5]房安.基于自適應(yīng)PID和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制在新風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].北京：北京郵電大學(xué),2013：53-70.

[6]婁小軍.機房新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)[J].建筑節(jié)能,2009(12):24-26.

[7]殷從偉,鐘廷志,鄒克,等.基于單片機控制的太陽能家用新風(fēng)系統(tǒng)[J].節(jié)能,2012(11):45-47，3.

[8]方琨,張娟,蔡振江,等.基于DS18B20數(shù)字溫度傳感器的溫室環(huán)境采集系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,38(23):12 792-12 794.

[9]胡朝斌,朱旗.一種小型化平面倒F天線設(shè)計[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2012(4):289-295.

[10]寧炳武.ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)研究與實現(xiàn)[D].大連：大連理工大學(xué),2007：17-23.

[11]黃玉立,童玲,田雨.基于CC2531+CC2591的WSN節(jié)點通信模塊設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2011(1):71-73.

(責(zé)任編輯李寧)

Design and Implementation of Controller of the Fresh Air System

CHEN Zhizhen,DONG Jianhuai

(School of Electronic Information Science,Fijian Jiangxia University,Fuzhou 350108,China)

A fresh air system controller composed of the main controller,air conditioning controller,air conditioning leak detector,and outdoor temperature acquisition nodes was designed to coordinate the fresh air system and air conditioning.Communication between modules was based on Zigbee technology.Current outdoor temperature was measured and compared with the preset value of room temperature.The controller started the opening or closing of air conditioning and the introduction of fresh air when the temperature difference reached one degree Celsius.Experiment shows that the controller is of low-power consumption and low-cost,efficient,reliable and easy to use,a good appliance for intelligent home.

intelligent home;controller;fresh air system;Zigbee technology

2015-08-30

2016-04-18

國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(201413763003)

陳志楨(1991-)，男，助理工程師，研究方向為電子自動化與通信.E-mail:czzhyt@sina.com

TP273.3

A

1673-4432(2016)03-0028-06