閆澤磊 單梅

【摘要】介紹了計算機控制的實現(xiàn)原理，梳理了暖通空調(diào)系統(tǒng)的計算機智能控制管理的優(yōu)化思路，闡述了暖通空調(diào)系統(tǒng)的計算機智能控制管理系統(tǒng)主要功能模塊的硬件設(shè)計實現(xiàn)方式，供參考。

【關(guān)鍵詞】暖通空調(diào)系統(tǒng);計算機控制;功能模塊;硬件設(shè)計

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.24.

暖通系統(tǒng)包含建筑采暖、通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)三項功能，是日常生活中不可或缺的內(nèi)容。在傳統(tǒng)的建筑設(shè)計中，上述所有功能在實現(xiàn)方式方面都較為單一，且智能化程度嚴(yán)重不足。比如通風(fēng)，完全由室內(nèi)人員自行通過開窗的方式完成，無法由系統(tǒng)對室內(nèi)空氣指數(shù)進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)數(shù)值變化時自行通風(fēng)。隨著技術(shù)的不斷升級，建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了計算機智能控制管理。大幅度提升了建筑的居住舒適感。

1、計算機控制的實現(xiàn)原理

清華大學(xué)教授江億早在20世紀(jì)90年代末便對計算機控制管理做出過精確定義——以計算機為核心部分的監(jiān)測控制系統(tǒng)[1]。此種系統(tǒng)的科學(xué)說法是“直接控制系統(tǒng)”，對測量數(shù)據(jù)的處理、控制算法均以數(shù)字計算作為基礎(chǔ)[2]。在計算機控制管理模式出現(xiàn)之前的“監(jiān)測”工作幾乎都是依靠人工查驗與系統(tǒng)通路相連的儀器儀表，通過記錄讀數(shù)的方式，收集系統(tǒng)運行信息。而在計算機控制管理模式出現(xiàn)之后，傳統(tǒng)的模擬儀表系統(tǒng)便逐漸向計算機系統(tǒng)過渡。事實上，早期的計算機控制管理系統(tǒng)即是單片機控制系統(tǒng)，主要的運行原理為：

（1）元器件組成：①控制芯片（如89C51單片機）;②功能電路（以暖通空調(diào)系統(tǒng)為例，該電路中有空調(diào)，有溫度傳感器，有連接線，有或沒有PLC可編程邏輯控制）;③電源。

（2）運行原理：將控制芯片（計算機）、暖通空調(diào)系統(tǒng)電路、電源三者完成連接。實際上，如果沒有計算機，則暖通空調(diào)系統(tǒng)與電源之間即為用電設(shè)備與電源之間的連接，將該系統(tǒng)放置于某個建筑的一個房間之中后，由房內(nèi)人員根據(jù)室內(nèi)溫度決定是否開啟空調(diào)，目的在于使室內(nèi)溫度維持在“舒爽”狀態(tài)，需避免過涼和過熱。但完全依靠人工進行溫度調(diào)整的過程缺乏“智能性”，故需在系統(tǒng)內(nèi)增設(shè)“智能管理”功能模塊，實現(xiàn)這一功能的便為計算機（發(fā)揮具體作用的是期內(nèi)的控制芯片）。技術(shù)人員根據(jù)居住在室內(nèi)人員對環(huán)境溫度的需求，編寫溫度監(jiān)控和控制空調(diào)設(shè)備的程序，將之導(dǎo)入控制芯片后，便初步完成了計算機智能控制管理的設(shè)定。此種簡單的暖通空調(diào)計算機智能管理系統(tǒng)早已應(yīng)用于千家萬戶。具體而言，幾乎所有的空調(diào)設(shè)備都自帶“溫度控制功能”，即在空調(diào)處于接通電源的狀態(tài)時，用戶可以同時“激活”空調(diào)的“溫度監(jiān)控”和“溫度調(diào)節(jié)”功能。比如，一戶居民認為自己處于25℃的環(huán)境時，便會感到“非常舒適”，則其會調(diào)整空調(diào)的功能，命令空調(diào)“監(jiān)測室內(nèi)溫度”，如果溫度不是25℃，便會吹出冷氣或熱氣，使室內(nèi)溫度穩(wěn)定保持在25℃。

2、暖通空調(diào)系統(tǒng)的計算機智能控制管理的優(yōu)化思路

上文所述的暖通空調(diào)系統(tǒng)計算機智能控制管理功能已經(jīng)成功實施。但隨著生活水平的提升，人們對居住舒適性提出了更高的要求。比如相較于普通建筑，現(xiàn)代智能建筑為了帶給居民更加良好的居住體驗，需要實現(xiàn)設(shè)備之間的資源共享。為實現(xiàn)此種功能，需在下列方面優(yōu)化暖通空調(diào)系統(tǒng)的計算機智能控制方案：（1）在計算機智能控制系統(tǒng)中增加“暖通空調(diào)系統(tǒng)運行過程中的能量狀況分析”功能。此功能的“優(yōu)化”之處在于，不僅包含上文所述的“溫度自動調(diào)節(jié)”功能，還會借助傳感器，監(jiān)控并收集空調(diào)系統(tǒng)運行期間產(chǎn)生的所有參數(shù)。相關(guān)信息傳遞至計算機總控端后，系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的分析程序會對空調(diào)系統(tǒng)對溫度的調(diào)節(jié)質(zhì)量、實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)目的時的平均能耗進行自主計算。在此基礎(chǔ)上，由于計算機智能控制管理系統(tǒng)的程序庫中提前存儲了“空調(diào)健康使用的相關(guān)數(shù)據(jù)”，系統(tǒng)可結(jié)合客觀數(shù)據(jù)，幫助用戶制定出最佳的溫度調(diào)節(jié)方案，進而全面提升計算機智能控制管理系統(tǒng)的性能。（2）上述功能的實現(xiàn)完全依賴電能，盡管在“系統(tǒng)運轉(zhuǎn)”層面彰顯了“智能性”，但整體的智能化程度并不高。原因在于：現(xiàn)代建筑的建設(shè)過程十分注重對自然能源的運用。比如，如果室外溫度為25℃，則通過“過堂風(fēng)”的原理，加上建筑墻壁對陽光的遮擋作用，可將室內(nèi)溫度控制在20℃左右。如果不采用此種調(diào)節(jié)方式，關(guān)閉所有門窗，完全借助空調(diào)進行溫度調(diào)節(jié)，則室內(nèi)溫度也可以穩(wěn)定在20℃。相較之下，前一種方案的智能性、經(jīng)濟性更高?；诖?，提升暖通空調(diào)系統(tǒng)的計算機智能控制管理系統(tǒng)智能性的第二項優(yōu)化設(shè)計思路為，盡量運用自然資源，降低設(shè)備能耗。

3、暖通空調(diào)系統(tǒng)的計算機智能控制管理的目標(biāo)與特點

3.1實現(xiàn)太陽能、電能、空氣能熱源的融合應(yīng)用

空氣中含有大量的熱量，分為“顯熱”和“潛熱”兩種。與太陽能和風(fēng)能相同，空氣熱量也是一種清潔能源。如果暖通空調(diào)系統(tǒng)能夠充分利用這些熱量，即將空氣中的“低品位熱能”進行收集，實現(xiàn)暖風(fēng)輸送、水分加熱，必定有助于降低暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗?；诖朔N理念，暖通空調(diào)系統(tǒng)中新增的“空氣源熱泵”已經(jīng)在國內(nèi)外得到了較為廣泛的使用。但空氣中的熱量向人類能夠使用的熱能進行轉(zhuǎn)化的效率畢竟較低，故無法成為一種單獨能源。基于此，通過計算機智能控制管理系統(tǒng)，控制空氣源熱泵收集空氣熱量的同時，還可以同時納入太陽能、電能，進而使三種不同來源的能量在一定程度上完成融合，避免造成浪費。

3.2提高管理系統(tǒng)的自動化控制程度

對于學(xué)生宿舍、酒店等含有中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的場所來說，在滿足學(xué)生、客人需求的前提下，盡量控制暖通空調(diào)系統(tǒng)運行期間產(chǎn)生的能耗至關(guān)重要。為實現(xiàn)這一目的，需提高計算機管理系統(tǒng)的自動化控制程度。具體而言：對太陽能集熱水箱、空調(diào)水箱、洗浴水箱內(nèi)的水溫、自來水溫進行全面監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)任意一處的水溫與預(yù)設(shè)值出現(xiàn)差異時（具體的標(biāo)準(zhǔn)可以不同），需統(tǒng)籌當(dāng)前可運用的能源，采用最優(yōu)方式完成溫度的調(diào)整。比如天氣晴朗、陽光明媚的情況下，太陽能熱水器可有效轉(zhuǎn)化太陽能，完成對水的加熱;若是在陰雨天氣，則計算機控制管理系統(tǒng)可選擇電能作為主要能源，避免水溫降低。

4、暖通空調(diào)系統(tǒng)的計算機控制管理硬件構(gòu)成

4.1計算機控制系統(tǒng)下位機模塊設(shè)計

在多功能、覆蓋范圍廣的暖通空調(diào)系統(tǒng)的計算機控制管理系統(tǒng)中，下位機模塊的硬件構(gòu)成為：第一，CPU為具有100個功能管腳的STM32F103VET6芯片，程序存儲器的容量為512KB、數(shù)據(jù)存儲器的容量為64K。該芯片的時鐘頻率為72MHz，模擬電路向數(shù)字電路的轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)具體值為“3”;嵌入式接口的類型共分為7種，包含CAN、I2C、SPI在內(nèi)。第二，該下位機模塊處于工作狀態(tài)時，電源電壓的范圍為2V～3.6V，在實現(xiàn)對暖通空調(diào)系統(tǒng)溫度進行檢測的同時，還可以兼并接受PC端發(fā)送的控制指令。第三，一般的暖通空調(diào)系統(tǒng)計算機智能控制管理功能實現(xiàn)需要使用的輸入/輸出端口（I/O口）為：ADC、DAC、DMA、PWM四個16為通用定時器;此外， 還需包含三個同步或異步收發(fā)器，用以實現(xiàn)系統(tǒng)各部分之間的信息通訊功能（比如由溫度傳感器組成的溫度監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某一個區(qū)域內(nèi)的洗浴用水存儲箱內(nèi)水的溫度已經(jīng)低于標(biāo)準(zhǔn)值3℃，則相關(guān)信息會通過收發(fā)器實現(xiàn)監(jiān)控模塊箱計算機智能控制管理模塊的傳遞）。第四，選用標(biāo)準(zhǔn)的JTAG/SWD調(diào)試下載口，其用處為與JLINK調(diào)試器相連接（STM32支持SWD調(diào)試）。通過此種設(shè)置，能夠使計算機智能控制管理系統(tǒng)啟動行期間減少程序運行方面的問題。

4.2暖通空調(diào)系統(tǒng)的溫度采集模塊設(shè)計

上文提到，在暖通空調(diào)系統(tǒng)中，溫度的監(jiān)控是實現(xiàn)“智能化”的第一步。溫度作為一種熱量信號，經(jīng)由溫度（熱量）傳感器收集之后，需要將之轉(zhuǎn)化成電信號，進而經(jīng)由通路傳遞至計算機控制端（芯片處理器）。為實現(xiàn)這一功能，系統(tǒng)中必須具備溫度采集功能。仍然以學(xué)生宿舍或酒店等居住人數(shù)多、系統(tǒng)監(jiān)測覆蓋范圍廣的區(qū)域為例?？紤]到人數(shù)、范圍、持續(xù)性方面的要求，決定采用10K的t106-10k熱敏電阻感溫探頭作為主要的外接功能設(shè)備。該設(shè)備的主要布置區(qū)域為各個關(guān)鍵的溫度監(jiān)測點（即上文所述的太陽能集熱水箱、空調(diào)水箱、洗浴水箱內(nèi)、自來水存儲箱等）。需要指出的是，此種熱敏電阻自身具備的靈敏度符合“直觀、線性”的描述，可對監(jiān)控系統(tǒng)電路中的電阻值、電壓值之間的關(guān)系進行精準(zhǔn)顯示。通過此種設(shè)置，溫度傳感器監(jiān)測電路會將電阻阻值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓?在此基礎(chǔ)上，電壓值會進一步轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，傳遞至芯片端，經(jīng)過處理后，可測量出最重的A1阻值。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中預(yù)先存有熱敏電阻器的溫度-電阻對應(yīng)表，故可將A1阻值轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H溫度，體現(xiàn)在上位機顯示屏幕中。

4.3溫度智能調(diào)整模塊設(shè)計

與溫度相關(guān)的模塊在設(shè)計方面主要包含兩種電路：其一，溫度信息采集電路，即通過溫度傳感器，實時對目標(biāo)區(qū)域的溫度情況進行監(jiān)督，并完成信息的收集。實現(xiàn)該功能的模塊構(gòu)建主要運用STM32F103VET6芯片的29～34共6個引腳，具體位置CD4067（D、C、B、A），分列29～32，以及key10 cpu和key9 cpu。用于支持該功能的調(diào)用函數(shù)分別為ADC庫函數(shù)、SPI庫函數(shù)、TIM庫函數(shù)。如此設(shè)置之下，STM32F103VET6芯片和熱敏電阻t106-10k之間便可完成溫度信號的收集、傳輸、處理。其二，信號的傳輸。此處需要外接一個24功能引腳的單片機，其中，STM32F103VET6芯片的29～32號引腳應(yīng)與外接24功能引腳單片機的10、11、13、14號對應(yīng)引腳相連接（雙向模擬開關(guān)），即可在主電路的驅(qū)動下，完成溫度信號的傳輸。

結(jié)語：

實現(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)計算機智能控制管理的難度并不大，需要解決的核心問題在于，如何精準(zhǔn)地獲取目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域的溫度，如何將相關(guān)信息實時傳遞至計算機控制端（芯片）。在此基礎(chǔ)上，由系統(tǒng)下達指令，實現(xiàn)溫度的調(diào)整，即可全面提升暖通空調(diào)系統(tǒng)的智能程度。

參考文獻：

[1]陳鐘.智能建筑暖通空調(diào)的系統(tǒng)選擇運用研究[J].智能建筑與智慧城市，2019（03）：42-43.

[2]印紅梅.多源暖通空調(diào)控制技術(shù)應(yīng)用與實現(xiàn)[D].西南科技大學(xué)，2018.

作者簡介：

閆澤磊（1988.09-），性別：男，民族：漢，籍貫：內(nèi)蒙古赤峰人，學(xué)歷：本科，現(xiàn)有職稱：中級工程師，研究方向：暖通設(shè)計。