徐詠

摘 要 根據國內對空調控制器性能的需求，設計了一款基于Cortex-M4的空調控制器。它以NUC472為主控核心，采用電參數監(jiān)測傳感器、可燃性氣體傳感器、離子式煙霧傳感器、人體熱釋電紅外線傳感器、溫度傳感器和溫濕度傳感器實時采集空調工作電參數、所處環(huán)境的安防現(xiàn)狀、人員流動性、溫濕度和空調狀態(tài)等信息，通過Wi-Fi實現(xiàn)控制器與PC機服務器之間的信息通信和整體控制。經過現(xiàn)場測試使用后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、人機交互便捷、通信可靠及協(xié)調預測整體控制穩(wěn)定，實現(xiàn)了空調舒適、節(jié)能控制，特別是在最經濟的溫度控制模式下，與未改造前對比系統(tǒng)節(jié)能30.6%，可用于民用和工業(yè)智能空調場合。

【關鍵詞】空調控制器 Cortex-M4 多傳感器 物聯(lián)網

20世紀80年代空調進入我國，到如今的21世紀，空調已成為人們日常生活的常用家電產品。據最新發(fā)布的《2016上半年中國空調產品市場研究報告》顯示，變頻空調的消費者關注度為60.1%，成為最受關注的空調產品。隨著科學技術的進步和社會生活水平的提高，人們對空調控制器的需求日益增加、對其性能要求也越來越高。目前，國內的空調控制器是由低端單片機搭建，其性價比較低、功耗大，而國外的空調產品性能較高、功耗低、功能較齊全，但價格也昂貴。結合國內外發(fā)展狀況，空調控制器將向著性價比高、多功能、網絡化、低功耗、智能化和操作簡單的趨勢發(fā)展。根據空調的發(fā)展趨勢，改善傳統(tǒng)空調僅能現(xiàn)場控制或預約定時控制的局限性，本設計采用多傳感器和物聯(lián)網技術，設計了一款多功能、智能化、網絡化和整體控制的空調控制器。

1 系統(tǒng)結構

目前，國內的空調控制系統(tǒng)的基本結構包括系統(tǒng)控制部分、溫度采集部分、鍵盤控制部分、顯示板部分、壓縮機部分、室內外風機裝置部分和通信電路等。經過近年的發(fā)展，空調系統(tǒng)從傳統(tǒng)的定頻、定風量空調，發(fā)展到現(xiàn)在的變頻、變風量空調。本設計主要實現(xiàn)多種傳感器的信號采集和處理，結合傳統(tǒng)的空調控制器的設計方法，根據采集的各種傳感信息和用戶的控制策略，由PC機服務器軟件生成最優(yōu)控制方案，進而監(jiān)測和控制整個空調控制器系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

如圖1，本空調控制器結構由Cortex-M4 NUC472、JSY-MK-163電參數監(jiān)測傳感器、TGS2611可燃性氣體傳感器、NIS-07離子式煙霧傳感器、HC-SR501人體熱釋電紅外線傳感器、TMP275溫度傳感器、HTU21D溫濕度傳感器、觸摸顯示模塊、Wi-Fi無線模塊、隔離驅動電路、IPM智能功率控制模塊和變頻空調各部分控制功能模塊等組成。其中，高精度溫度傳感器TMP275實時采集冷凝器的溫度，HTU21D溫濕度傳感器采集所處環(huán)境溫度和濕度，Wi-Fi模塊負責空調控制器與PC機服務器之間的無線通信，觸摸顯示模塊進行人機交互，隔離驅動電路主要負責控制空調的左右掃風控制、上下掃風控制和風速控制等執(zhí)行機構，IPM智能功率控制模塊主要實現(xiàn)空調壓縮機的變頻控制。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控芯片

Nuvoton新唐公司的NUC472系列是基于32位ARM Cortex-M4內核的高性能芯片，采用低成本、低功耗、高性能的含有浮點運算單元和DSP的ARM Cortex-M4內核，廣泛應用于工業(yè)自動化、變頻器、智能家居和安防系統(tǒng)等各個領域。因此，本系統(tǒng)選用LQFP100封裝的NUC472VG8AE芯片作為系統(tǒng)主控芯片。

2.2 傳感器模塊

2.2.1 溫度傳感器

本設計的冷凝器溫度檢測部分采用TI（美國德州儀器）公司生產的高精度的溫度傳感器TMP275，其測溫范圍為-40℃至+125℃，測溫誤差最大值僅±0.5℃，適用于環(huán)境、消費類、工業(yè)和儀器儀表等領域的高精度溫度檢測。如圖2所示是TMP275測溫電路原理圖。

2.2.2 溫濕度傳感器

本設計通過法國Humirel公司的HTU21D溫濕度傳感器實現(xiàn)對空調控制器所處環(huán)境的溫度和濕度的測量，其應用電路如圖3所示。HTU21D芯片采用標準的IIC協(xié)議和3*3mm雙列扁平無引腳DFN封裝，測溫最大誤差±0.4℃，測濕最大誤差±5%。

2.2.3 電參數監(jiān)測傳感器

本設計選用380V電壓量程和50A電流量程的電參數監(jiān)測傳感器JSY-MK-163，其完全高低壓隔離，體積小，方便嵌入到空調設備中，采用標準MODBUS-RTU協(xié)議，其一條線路上可以同時連接多達255個設備，其應用電路圖如圖4所示。本設計使用常規(guī)的無校驗位、8個數據位的4800bps波特率的RS485通訊參數。

2.2.4 可燃性氣體傳感器

TGS2611傳感器是FIGARO公司的新型絲網印刷厚膜金屬氧化物半導體2600系列傳感器中的一種，能檢測甲烷等可燃性氣體，檢測范圍為：500～10000 ppm，靈敏度為：0.60±0.06，采用標準的TO-5的金屬封裝。如圖5所示，是本設計的可燃性氣體檢測電路圖。其中，RH是TGS2611傳感器加熱裝置，Rs是不同濃度氣體中的傳感器電阻值。由電阻分壓原理可得，只要測量到ADC0和ADC1端的電壓值，即可算出不同濃度氣體中的傳感器電阻值Rs，根據TGS2611傳感器的電阻比Rs/Ro，查表即可得到可燃性氣體的濃度。

2.2.5 離子式煙霧傳感器

本設計選用NIS-07離子式煙霧傳感器，其內部有一個電離室，正常狀態(tài)下處于電場的平衡狀態(tài)，當有煙塵進入時，破壞了內外電離室之間的平衡，導致電流、電壓有所改變，由此來確定空氣中的煙霧狀況。如圖6是NIS-07離子式煙霧傳感器的煙霧檢測電路圖，通過MC14468的2腳報警級聯(lián)輸出功能，驅動2SC1623三極管Q1，通過三極管Q1的集電極輸出OUT1連接到主控芯片，進而達到告警上報功能。

2.2.6 人體熱釋電紅外線傳感器endprint

本設計采用LHI778探頭的HC-SR501模塊，其最大感應半徑為7米，最大感應角度100度，具有靈敏度高等特點。當有人進入傳感器感應范圍時則輸出有效電平，當人離開傳感器感應范圍時傳感器自動延時一段時間再恢復初始狀態(tài)，其延時時間可設置，默認2.5秒。

2.3 Wi-Fi模塊

本設計使用支持802.11b/g/n無線標準的超低功耗的ESP8266串口Wi-Fi無線模塊ESP-12E，其采用體積小的電路板天線。本設計Wi-Fi配置為STA+AP模式，實現(xiàn)空調控制器與PC機服務器之間的連接，使用“9600bps，8，1，無校驗，無流控”的串口通訊參數，其應用電路如圖7所示。

2.4 觸摸顯示模塊

本設計使用ALIENTEK推出的一款高性能ATK-4.3 TFTLCD顯示模塊，其支持800*480高分辨率，采用16bit 8080接口通信控制，集成IIC通信的5點觸摸電容觸摸屏。

2.5 IPM智能功率控制電路

本設計選用三菱電機的第六代DIPIPM智能功率芯片PSS30S92F6-AG，其內部集成功率硅片、柵極驅動電路、短路保護和欠壓 保護等功能于一體，適用于交流100～240V級小容量電機的變頻控制。如圖8所示是本系統(tǒng)使用的IPM智能功率控制電路圖。

其中，P1和P2是220V市電接線座子，P3是保護地接線座子，220V市電經過流過壓保護電路、共模濾波電路、單相橋式不可控整流電路和大電容濾波電路后，變成平穩(wěn)的310V直流電，供智能功率芯片PSS30S92F6-AG的高壓側供電。P5、P6和P7是高壓側的U、V、W輸出端。

智能功率芯片PSS30S92F6-AG的輸入控制端分別是UP、UN、VP、VN、WP、WN，本設計在主控芯片NUC472程序里建立三個相差120度、0.8調制度、180個點的正弦波存儲表，由主控芯的Enhanced PWM Generator （EPWM）增強PWM發(fā)生器產生三相120度相移正弦波。其中UP和UN、VP和VN及WP和WN是互補差分輸出管腳，通過改變EPWM的調制頻率，即可改變U、V、W輸出端的變頻頻率，進而實現(xiàn)壓縮機的變頻控制。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計是在uC/OS-II操作系統(tǒng)上的開發(fā)，其進一步方便和簡化了系統(tǒng)程序各個功能任務的調度和管理。系統(tǒng)主程序設計主要負責接收和發(fā)送與服務器通信的數據、溫濕度等各個傳感器模塊的信息采集、執(zhí)行模糊PID控制算法控制空調相關執(zhí)行機構和驅動觸摸屏顯示等任務，其主程序流程圖如圖9所示。

系統(tǒng)開始運行后，將執(zhí)行系統(tǒng)及其各個功能模塊（如：Wi-Fi模塊、電參數監(jiān)測傳感器、溫濕度傳感器等各種傳感器、觸摸顯示模塊和隔離驅動電路）的初始化。初始化完成后，進行uC/OS-II系統(tǒng)任務調度，分別進行Wi-Fi發(fā)送與接收的通信處理，對采集到的空調工作電參數、所處環(huán)境的安防現(xiàn)狀、人員流動性、空調狀態(tài)、冷凝器溫度、環(huán)境溫度和濕度等各個傳感器的數據進行判斷和處理，根據采集的傳感器信息執(zhí)行模糊PID控制算法控制系統(tǒng)和隔離驅動電路的輸出，電容觸摸采集和處理，根據前面處理的數據信息在觸摸屏顯示各種狀態(tài)。

4 測試與分析

在搭建好的硬件和軟件平臺基礎上完成了終端加入網絡測試、各種控制指令測試和傳感器數據采集傳輸測試。最后在珠海某生產公司的同意下，將本控制器應用于該公司的空調系統(tǒng)中。本系統(tǒng)的測試環(huán)境在一個面積大約146平米生產車間，該生產車間已經裝有4臺美的3P立柜式直流變頻冷暖空調，具體型號為KFR-72LW/BP2DN1Y-PA401，車間的內部布局已經固定不能大改，生產車間內部已經覆蓋Wi-Fi信號。本設計的測試方案是將控制器移植到美的空調中，使用該車間原有的Wi-Fi網絡，在搭配一臺裝有服務器軟件的電腦即可實現(xiàn)本系統(tǒng)的測試。

為了對比控制效果，僅對環(huán)境溫度的變化數據做統(tǒng)計分析，且將未改造前和自定義模式下的溫度設為常規(guī)的27攝氏度。本系統(tǒng)溫濕度測量儀器選用美國福祿克FLUKE F971溫濕度測量儀，在空調設備總供電線路前端串接上海華立30A電子式單相電能表DDS738測量設備總用電量。本設計對空調控制器系統(tǒng)在未改造前、最經濟、最快速、最舒適和自定義控制模式進行測試和數據的統(tǒng)計，采用一天使用一種控制模式的方式，其統(tǒng)計數據如表1所示。測試結果表明，本空調控制器系統(tǒng)運行穩(wěn)定、通信可靠及協(xié)調預測整體控制效果良好，特別是在最經濟的控制模式下，與未改造前空調設備總用電量對比系統(tǒng)節(jié)能效果最佳，節(jié)能高達30.6%。

5 結語

基于Cortex-M4的空調控制器的設計，結合了物聯(lián)網、網絡化、整體控制技術和片上系統(tǒng)技術，充分利用NUC472的資源、采用高效的數據分析和程序設計方法，實現(xiàn)了空調舒適、節(jié)能控制。通過實物測試和實際使用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、操作簡單、功耗低、功能齊全。對比傳統(tǒng)空調，改善目前國內外僅使用單個空調控制器的信息來源單一、運行不穩(wěn)定和控制不方便的局限性，提高空調系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性，進一步體現(xiàn)了智能化、網絡化、可靠性高和功耗低等優(yōu)點，可廣泛應用于民用和工業(yè)空調領域。同時，本設計可增加NB-IoT功能模塊，解決在未有Wi-Fi覆蓋地方的系統(tǒng)使用問題。此外，在應用方面，可將系統(tǒng)接入公安部門接警網絡，當系統(tǒng)設備有消防、安防警報時，可實現(xiàn)第一時間報警功能。

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作者單位

1.深圳大學計算機與軟件學院 廣東省深圳市 518000

2.哈爾濱工業(yè)大學（深圳）計算機科學與技術學院 廣東省深圳市 518000

3.深圳市朗強科技有限公司 廣東省深圳市 518000endprint