易藝 郝建衛(wèi) 于新業(yè) 李俊凱 宋陽柳

關(guān)鍵詞： CC2530; STM32; ATxmega128A1; 自動管理; 節(jié)能控制; 無線通信技術(shù)

中圖分類號： TN876.3?34; TP915?34; TP27 ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）06?0109?05

Abstract： In allusion to the problem of electric energy waste caused by the unscientific management during the usage of the current central air?conditioner， a thermostat control system for the central air?conditioner is designed. In the system， the ATxmega128A1 chip and STM32 chip are adopted as microcontrollers. The ZigBee technology， sensor detection technology， and wireless communication technology are organically integrated with the control technology. The thermostat of the central air?conditioner system installed in the building rooms such as hotels， classrooms and offices is automatically controlled and managed by means of the wireless network constituted by the CC2530 radio frequency module. The thermostat of the central air?conditioner in the building room can independently manage the operation parameters of the central air?conditioner based on the parameters of temperature， air speed and room capacity set by users. The test results show that the design has many advantages such as simple structure， easy installation， reliable performance， convenience and practicality， which can achieve the purposes of saving energy， and managers′ human and material resources.

Keywords： CC2530; STM32; ATxmega128A1; automatic management; energy conservation control; wireless communication technology

隨著我國城市化的發(fā)展，各種現(xiàn)代建筑也不斷增加，中央空調(diào)也在被加大使用，在給人們創(chuàng)造舒適環(huán)境的同時也造成了很大的能源消耗。據(jù)統(tǒng)計，在裝有中央空調(diào)的建筑樓中，中央空調(diào)的能源消耗占整棟建筑樓能源消耗的60%以上[1]。此外，目前市場上的中央空調(diào)溫度控制器大都是單一的、分散的控制器[2]，既不具有聯(lián)機智能控制和管理的功能，也不具有檢測房間內(nèi)長時間無人員時，可以自動調(diào)整空調(diào)的工作模式、工作狀態(tài)或自動關(guān)機的功能，更不具有可以根據(jù)房間內(nèi)的人員數(shù)量，自動調(diào)整空調(diào)的工作狀態(tài)的功能。因此，現(xiàn)有的中央空調(diào)基本采用由進入房間人員人工控制的方式。這種控制方式缺乏合理的控制與管理，經(jīng)常出現(xiàn)房間內(nèi)溫度適宜卻開空調(diào)、離開后忘記關(guān)空調(diào)或空調(diào)溫度開得很高或很低的現(xiàn)象[3]，因而使得室內(nèi)中央空調(diào)有效利用率不高，造成電能的浪費。這與當(dāng)今社會提倡“節(jié)約能源、低碳環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展”的主題，極其不相符。為了解決上述存在的問題，設(shè)計一種中央空調(diào)溫控器及其監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但能夠?qū)ㄖ欠块g內(nèi)安裝有中央空調(diào)系統(tǒng)末端的溫度控制器通過無線網(wǎng)絡(luò)進行自動控制和管理，而且房間內(nèi)的中央空調(diào)溫度控制器還能夠根據(jù)用戶設(shè)置的溫度、風(fēng)速和房間內(nèi)的人數(shù)進行自我管理房間的中央空調(diào)，以解決用戶節(jié)能意識不高而造成的電能浪費的問題。該監(jiān)控系統(tǒng)具有性能可靠、成本較低和易安裝等諸多優(yōu)點。

1 ?系統(tǒng)的總體設(shè)計

中央空調(diào)溫控器監(jiān)控系統(tǒng)由用戶控制終端、中央空調(diào)溫度總控中心和中央空調(diào)溫度控制器組成。其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

中央空調(diào)溫度控制器安裝于建筑樓的每間房內(nèi)，用于調(diào)節(jié)每個房間內(nèi)空調(diào)的溫度和風(fēng)速等參數(shù)。中央空調(diào)溫度總控中心安裝于建筑樓的中央空調(diào)管理中心室內(nèi)，用于對整棟樓的中央空調(diào)溫度進行監(jiān)控和管理。用戶控制終端為手機或PC機，PC機通過WiFi或USB與中央空調(diào)溫度總控中心進行數(shù)據(jù)和命令傳輸，手機通過WiFi或GPRS與中央空調(diào)溫度總控中心進行數(shù)據(jù)和命令傳輸。中央空調(diào)溫度總控中心通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與各個中央空調(diào)溫度控制器進行通信。管理者可以在用戶控制終端上安裝客戶端軟件，根據(jù)需要通過用戶控制終端輸入命令和數(shù)據(jù)。然后使用中央空調(diào)溫度總控制中心通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)對每個房間的中央空調(diào)溫度控制器進行監(jiān)測，實時掌握使用情況;也可通過中央空調(diào)溫度總控中心對中央空調(diào)溫度控制器進行控制操作，打開每個房間的中央空調(diào)、設(shè)置中央空調(diào)溫度控制器的溫度、風(fēng)速、工作模式、定時自動關(guān)機等參數(shù)。

2 ?系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計主要包括中央空調(diào)溫度控制器和中央空調(diào)溫度總控中心的電路設(shè)計。

2.1 ?中央空調(diào)溫度控制器的硬件設(shè)計

中央空調(diào)溫度控制器主要負(fù)責(zé)測量房間內(nèi)的溫度、濕度等參數(shù)。然后通過微控制器控制繼電器模塊控制風(fēng)機盤管工作，調(diào)節(jié)房間內(nèi)的溫度。還可以通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與中央空調(diào)溫度總控制中心進行數(shù)據(jù)和命令的交互。中央空調(diào)溫度控制器主要由微控制器、ZigBee模塊、繼電器模塊、WiFi模塊、溫濕度傳感器、人體紅外傳感器和人機交互模塊組成，其硬件設(shè)計框圖如圖2所示。

為了降低成本、方便施工人員安裝，中央空調(diào)溫度控制器和中央空調(diào)溫度總控制中心之間的通信模塊采用以TI公司生產(chǎn)的CC2530F256 芯片為核心來設(shè)計ZigBee模塊，結(jié)合TI公司的ZigBee協(xié)議棧Z?Stack可以實現(xiàn)ZigBee的組網(wǎng)[4]，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和命令的無線傳輸。

選用ST公司生產(chǎn)的STM32F103VCT6芯片作為微控制器，該微控制器片內(nèi)資源豐富，具有性價比高、功耗低、存儲容量大等眾多優(yōu)點[5?6]。微控制器是中央空調(diào)溫度控制器的控制核心，它擔(dān)負(fù)起中央空調(diào)溫度控制器的監(jiān)控和管理任務(wù)：第一，控制溫濕度傳感器和人體紅外傳感器進行工作，獲取房間內(nèi)的溫度、濕度等各項參數(shù)，并根據(jù)需要對繼電器模塊進行適當(dāng)?shù)目刂?，使房間內(nèi)的環(huán)境參數(shù)達到用戶或管理者設(shè)定的要求;第二，通過WiFi模塊與用戶控制終端通信，以方便用戶可以使用安裝有客戶端軟件的用戶控制終端（如：手機）對中央空調(diào)溫度控制器的溫度、風(fēng)速、工作時間和工作模式等參數(shù)進行設(shè)置;第三，通過ZigBee模塊與中央空調(diào)溫度總控中心進行通信，以實現(xiàn)中央空調(diào)溫度總控中心對各個房間內(nèi)中央空調(diào)溫度控制器進行監(jiān)控和管理;第四，對人機交互模塊進行控制，房間內(nèi)的用戶既可以通過人機交互模塊進入設(shè)置菜單，設(shè)置房間內(nèi)空調(diào)的溫度、風(fēng)速、工作模式、定時關(guān)機等參數(shù)，也可以通過液晶顯示屏顯示房間內(nèi)空氣的溫濕度、空調(diào)的風(fēng)速、空調(diào)的工作模式等參數(shù)。

溫度和濕度的檢測選用廣州奧松電子有限公司生產(chǎn)的AOSONG數(shù)字式溫濕度復(fù)合傳感器AM2305[7]。它能將空氣溫濕度轉(zhuǎn)化為已校準(zhǔn)的數(shù)字信號，并通過單總線輸出，方便與微控器連接。

房間內(nèi)人員的檢測選用熱釋電人體紅外感應(yīng)模塊：HC?SR501模塊，該模塊具有靈敏度高、可靠性強、超低功耗等眾多優(yōu)點。

繼電器模塊由3個松樂繼電器 SRD?05VDC、光耦芯片、二極管和三極管等器件組成。3個繼電器的常開控制輸出端分別連接風(fēng)機盤管的高、中、低檔位。微控制器將采集到的各種參數(shù)進行分析處理，或根據(jù)中央空調(diào)溫度總控中心發(fā)送過來的命令進行分析處理，然后通過控制繼電器模塊控制風(fēng)機盤管工作，以改變空調(diào)的風(fēng)速等參數(shù)。

WiFi模塊選用TTL串口轉(zhuǎn)WiFi模塊USR?WIFI232?B來實現(xiàn)。USR?WIFI232?B是一個采用IEEE 802.11b/g/n無線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的WiFi模組，它集成了MAC、射頻收發(fā)單元、基頻芯片和功率放大器等單元電路，且模塊內(nèi)部已經(jīng)完成協(xié)議的轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)TTL串口與WiFi無線雙向透明傳輸。其可以很方便地將MCU控制的設(shè)備接入WiFi網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的管理與控制[8]。

人機交互模塊選用陶晶馳3.5寸TFT觸摸液晶屏。該液晶屏通過USART接口與微控制器進行通信，方便設(shè)計人員進行開發(fā)。房間內(nèi)的用戶可以通過該液晶觸摸屏對溫度、風(fēng)速、時間、工作模式進行設(shè)置，操作方便。

2.2 ?中央空調(diào)溫度總控中心的硬件設(shè)計

中央空調(diào)溫度總控中心用于控制和管理該棟樓的所有中央空調(diào)溫度控制器。它由微控制器、ZigBee模塊、GPRS模塊、WiFi模塊和高精度時鐘模塊組成。其硬件設(shè)計框圖如圖3所示。

用戶控制終端為安裝有客戶端軟件的手機或PC機。手機通過GPRS模塊或WiFi模塊與微控制器進行通信;PC機通過WiFi模塊與微控制器進行通信;微控制器通過ZigBee模塊與中央空調(diào)溫度控制器進行通信。中央空調(diào)溫度總控中心上的高精度時鐘模塊具有存儲器，可以存放管理整棟樓房間空調(diào)的開啟與關(guān)閉的時間數(shù)據(jù)。管理者既可以根據(jù)需要通過用戶控制終端在任意時刻實現(xiàn)對整棟樓某間房、某幾間房或所有房間的空調(diào)的開啟與關(guān)閉，又可以通過用戶控制終端進行查看或修改整棟樓某間房、某幾間房或所有房間空調(diào)的開啟與關(guān)閉控制時間、空調(diào)的溫度、風(fēng)速、工作模式、定時自動關(guān)機等參數(shù)。一經(jīng)設(shè)置完成，中央空調(diào)溫度總控中心可以脫離用戶控制終端單獨工作，這樣既方便管理員實時掌握中央空調(diào)的使用情況，又方便用戶使用中央空調(diào)。中央空調(diào)溫度總控中心選用Atmel 公司的ATxmega128A1芯片作為微控制器，其內(nèi)部具有128 KB閃存、8個USART、1個USB設(shè)備接口等豐富的片上資源[9]。ZigBee模塊采用TI公司生產(chǎn)的CC2530F256芯片來實現(xiàn)，它與中央空調(diào)溫度控制器的ZigBee模塊組成ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)來完成數(shù)據(jù)和指令的傳輸。高精度時鐘模塊選用DS3231高精度時鐘模塊，該模塊由內(nèi)部自帶溫補晶振電路的DS3231芯片和I2C芯片AT24C256組成。GPRS模塊選用TTL串口轉(zhuǎn)GPRS模塊USR?GPRS232?7S3來實現(xiàn)。該模塊軟件功能完善，覆蓋絕大多數(shù)常規(guī)應(yīng)用場景，用戶只需通過簡單的設(shè)置，即可實現(xiàn)串口與互聯(lián)網(wǎng)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)相互傳輸數(shù)據(jù)的功能[10]。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要由中央空調(diào)溫度控制器軟件、中央空調(diào)溫度總控中心軟件和用戶控制終端的客戶端軟件組成。

3.1 ?中央空調(diào)溫度控制器軟件設(shè)計

中央空調(diào)溫度控制器的軟件設(shè)計由在Keil集成開發(fā)環(huán)境下用C語言編寫的各個模塊程序組成，主要包括溫濕度傳感器AM2305的單總線驅(qū)動程序、人體紅外傳感器的檢測程序、繼電器的控制程序、ZigBee模塊的組網(wǎng)程序和STM32的串口驅(qū)動程序等。其主程序流程圖如圖4所示。

3.2 ?中央空調(diào)溫度總控中心軟件設(shè)計

中央空調(diào)溫度總控中心的軟件設(shè)計由在Atmel Studio 7.0集成開發(fā)環(huán)境下用C語言編寫的各個模塊程序組成，主要包括高精度時鐘模塊的驅(qū)動程序、ZigBee模塊的組網(wǎng)程序和ATxmega128A1的串口驅(qū)動程序等。其主程序流程圖如圖5所示。

3.3 ?用戶控制終端的客戶端軟件設(shè)計

用戶控制終端的客戶端軟件設(shè)計包括PC機的客戶端軟件設(shè)計和手機的客戶端軟件設(shè)計。

手機的客戶端軟件APP是采用易語言開發(fā)環(huán)境進行開發(fā)。易語言以中文作為程序代碼的編程語言，其開發(fā)環(huán)境集成了許多實用的類庫，此次設(shè)計調(diào)用了易語言自帶的TCP/IP類庫作為APP與硬件的通信協(xié)議，實現(xiàn)了手機與WiFi模塊之間的通信。

PC機的客戶端軟件采用Visual Basic 6.0開發(fā)，使用Winsock控件，選擇TCP協(xié)議，把WiFi模塊和PC機客戶端軟件分別設(shè)置為服務(wù)器端和客戶端，它的工作原理為：客戶端（PC機客戶端軟件）向服務(wù)器端（WiFi模塊）發(fā)出連接請求，服務(wù)器端則不停地監(jiān)聽客戶端的請求，當(dāng)兩者的協(xié)議溝通時，客戶端和服務(wù)器端之間建立了連接，這時客戶端和服務(wù)器端就可以實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信。

4 ?系統(tǒng)功能測試驗證

系統(tǒng)的功能測試是選用安卓手機、筆記本電腦、設(shè)計制作好的中央空調(diào)溫度控制器和中央空調(diào)溫度總控中心，在某單位的辦公樓中進行測試。辦公樓的管理人員根據(jù)單位對中央空調(diào)開啟時間、關(guān)閉時間、空調(diào)溫度控制器的參數(shù)設(shè)置等要求，通過用戶控制終端設(shè)置辦公樓各個房間中央空調(diào)溫度控制器的各項參數(shù)，然后啟動該系統(tǒng)，讓其試運行。使用優(yōu)利德UT61C四位半數(shù)字萬用表對該系統(tǒng)的各個控制單元進行功耗測試，測試結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1的功耗測試結(jié)果，結(jié)合該棟辦公樓某區(qū)2年同期4個月的空調(diào)用電量進行了測試對比。未使用該監(jiān)控系統(tǒng)之前，每天中午、下午、晚上下班后，辦公樓管理人員需要親臨每間房間檢查空調(diào)是否關(guān)閉，該棟辦公樓該區(qū)的空調(diào)4個月的總用電量為17 615 kW·h;使用中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)之后，辦公樓管理人員不必親臨每間房間檢查空調(diào)是否關(guān)閉，由監(jiān)控系統(tǒng)按照設(shè)置好的參數(shù)，控制中央空調(diào)溫控器進行關(guān)閉空調(diào)，該棟辦公樓該區(qū)的空調(diào)4個月的用電量為13 564 kW·h，共節(jié)省4 051 kW·h，平均每月節(jié)省1 013 kW·h，達到了節(jié)約能源和管理者人力的目的。

除此之外，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。中央空調(diào)溫度總控中心既可以按照管理者設(shè)置好的管理參數(shù)對辦公樓中各個房間的中央空調(diào)溫度控制器進行自動控制和管理，又可以和用戶控制終端（手機和PC機）進行雙向通信，完成管理人員和各個中央空調(diào)溫度控制器之間命令和數(shù)據(jù)的交互，滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

5 ?結(jié) ?論

本文采用ATxmega128A1芯片和STM32芯片作為微控制器，將ZigBee技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)、無線通信技術(shù)和控制技術(shù)進行有機的融合，設(shè)計一種基于ZigBee的中央空調(diào)溫控器監(jiān)控系統(tǒng)。詳細介紹了系統(tǒng)的工作原理、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，并對整個系統(tǒng)進行測試驗證。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅達到了設(shè)計要求，還具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、易安裝、人機界面友好等諸多優(yōu)點，達到了節(jié)約管理者的人力和節(jié)約能源的目的，具有良好的市場前景。

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