一种新型联网型智能温控器的应用

王凯，沈星林

（浙江中控自动化仪表有限公司）



一种新型联网型智能温控器的应用

王凯，沈星林

（浙江中控自动化仪表有限公司）

【摘要】针对中央空调的风机盘管温度控制系统,设计一种基于低功耗芯片KL36的联网型FCU520温控器。主要包括人机交互和风机盘管控制两大模块，采用主流的电容按键和液晶显示完成人机交互，采用模糊控制风机盘管算法实现风机盘管的节能控制。在一般实用温控器功能基础上，设计了远程联网控制功能，该功能兼备上位机远程操作和Wi-Fi远程控制能力。

【关键词】风机盘管；低功耗；模糊控制；远程联网控制；Wi-Fi

1 引言

建筑电气的智能化、节能化是世界建筑技术发展的大趋势。在办公楼、宾馆、医院、商用住宅、科研单位、休闲娱乐等公共场所中，大部分都采用风机盘管空调系统[1]。随着人们生活水平的提高，机械、电子温控器已不能满足人们对舒适程度、便捷操作、人性化设计等方面的要求。

在互联网大潮的推动下，浙江中控自动化仪表有限公司推出联网型FCU520温控器，在设计性能可靠的风机盘管控制器的基础上，实现组网集中控制、Wi-Fi互联网控制、风速模糊控制、分户计量功能以及机组节能。增加了人们使用的便捷性以及娱乐性，更加有利于这种新兴智能建筑产品的推广[2]。

2 新型智能温控器设计原理

2.1 传统温控器设计原理

普通风机盘管控制器基本上是一个闭环的温度调节控制系统，主要由温度传感器、双位控制器、温度设定机构、手动三速开关和冷热切换装置组成。其控制原理是根据温度传感器测得的室温与设定值的比较结果，发出双位控制信号，使得室温在设定值上下某个范围之内波动。但是，却普遍存在“控制精度不高”、“时间常数设置太大”，“操作过复杂”等问题[3]。

2.2 新型智能温控器设计原理

联网型FCU520温控器系统总体上可以分为人机交互和风机盘管控制两大模块，图1为总体设计架构框图。其中，人机交互模块的作用是：热敏电阻采集室温，操作电容按键修改配置，液晶显示屏实时显示参数，也可通信或者通过Wi-Fi远程控制本地设备。风机盘管控制模块的作用是：按照液晶显示屏配置，完成风机盘管控制；自动模式下，采集温度与设置温度为模糊控制策略的输入参数，完成对应风机盘管控制，进而完成对室内温度平稳、快速的控制，最终营造一个舒适的温度环境。

3 系统设计与分析

3.1 系统总体设计

温控器以融合低功耗技术的Kinetis L系列微控制器KL36为核心，充分利用KL36微控制器的强大外设功能，实现人机交互模块、温度精确采集模块、实时时钟和数据存储模块、能耗计量模块、模糊控制模块、联网通信和Wi-Fi通信模块，以及其他人性化模块。

整体系统设计框图如图2所示。系统在完成初始化后即进入主循环，从而循环处理按键状态判断、界面显示、温度采集和计算、模块控制等相关任务，以及完成蜂鸣器、呼吸灯、背光亮度的控制。同时，开启定时器控制部分任务的节拍（RTC更新、温度采集、按键扫描、无线模块状态等）；另外开启UART中断，处理RS485网络数据和Wi-Fi数据的交互。

图1　总体设计架构框图

图2　系统设计框图

3.2 功能模块

3.2.1 人机交互

人机交互模块实现通过芯片TSI模块，实时扫描电源/模式/减少/增加/时钟/风速6个电容按键通道。图3为单个电容按键采集原理图，通过手对KEY3的触碰完成采集按键。并实现时间设置、模式和档位切换、温度的调节等功能。图4为FCU520温控器人机界面图。无人操作15s后，降低背光灯亮度，关闭按键指示灯，启用呼吸灯，在保证家庭舒适的同时，尽量做到节能舒适以及智能便捷。为了适合不同的应用场景，软件配置加锁功能、远程/本地切换功能、禁止修改通信地址等功能，给予不同控制权限，防止误触碰。

图3　电容按键采集原理图

图4　温控器人机界面图

3.2.2 温度采集与处理

图5　温度采集模块

图5为温度采样电路硬件设计原理图。2.5V为芯片提供的采样基准电压值，根据电阻分压原理，采集103AT热敏电阻一端的电压信号。经过运算放大芯片，提高ADC模块的输入阻抗，可以调高采集精度，且电路简便[4]。内部16bitA/D对采集到的16进制电压信号进行处理，计算出热敏电阻端电压值，并再次折算出热敏电阻阻值；通过查精度为1℃的阻值-温度对照表，得出当前实际温度值。可以方便如CO2数据采集、报警、湿度监测等功能的扩展。

3.2.3 模糊控制

采用智能模糊控制算法直接控制风机转速，实现风机自动在高、中、低三档切换，用循环风量调节室温。在无需任何改动的条件下，实现简单“双位控制”到“智能模糊控制”的飞跃。操作界面简单化，整个控制过程只需设定一个温度值，即可实现全自动智能运行。

本系统选择空调房间的温度差E(t)（E(t)= 实际值-设定值）和温度差的变化率ΔE(t)（ΔE(t) = E1(t)-E2(t)，E1(t)本次偏差值，E2(t)上一次偏差值（30s前的温度值）），作为模糊控制器的输入变量。通过模糊控制器中的模糊规则逻辑判断，决策出控制量、风机送风量和冷热水阀的开关作为模糊控制器的输出变量。输入变量中的温度差论域m=7，温度差变化率论域n=7。输出变量控制量论域l=5，选择五个词汇（关阀/风1，关阀/风2，开阀/冷1，开阀/冷2，开阀/冷3）或（关阀/风1，关阀/风2，开阀/热1，开阀/热2，开阀/热3），使用条件语言描述手动控制策略，如表1所示，完成模糊控制器的控制规则设计。

3.2.4 计费功能

该温控器还具备能耗计量功能，通过记录3个档位的运行时间，形成单个风机盘管运行归一时间，PC端可以联网读取每个温控器各档位运行时间。系统软件累计各户所有温控器的统一运行时间，通过与总的空调能耗对比，按比例去计算分摊每台温控器或每户的空调费用，这样就实现分户计量功能。

3.2.5 通信功能

温控器具有联网功能和Wi-Fi控制功能，属于智能家居的一部分。联网功能适合监控中心为主设备、通信连接为标准的RS485，以及温控器为从设备的数据通信。通信协议遵循标准的Modbus协议，使用Modbus-RTU模式。监控中心定时轮询网络上各温控器，获取运行时间、档位等信息，并具有多项远程控制功能，比如远程开关、远程/本地控制权限切换、远程锁定通信地址等功能。同时兼备远程Wi-Fi控制功能，如图6所示。日常生活中，采用点对点网络连接，直接连接Wi-Fi模块控制；如果需要远程控制，则将温控器Wi-Fi模块接入因特网，用户都可以通过定制的手机APP程序，通过网络控制该温控器，且具有控制目标的唯一性。

3.2.6 实时时钟与数据存储

实时时钟芯片使用PCF8563，采用简单普遍的I2C接口与芯片通信，提供年、月、日、时、分、秒、星期等信息，芯片工作功耗较低，典型工作电流为0.25μA。并且硬件设计外部电源和备用电池切换机制，使得外部供电时，不消耗备用电池电源；掉电时，可以长久维持时钟芯片正常工作。

表1　模糊控制器的制冷控制规则表

数据存储采用SPI接口通信且高效存储芯片CAT25160，长时间掉电数据不丢失。用于完成对模式、风机档位、能耗计量时间、地址、补偿温度、管制等重要数据的保存。在掉电后，用户不必反复设置之前各重要参数，设计更加人性化并增加用户的体验感。

图6　Wi-Fi控制示意图

4 结束语

联网型FCU520温控器外观设计为标准86外形尺寸及标准安装尺寸，方便智能楼宇改造，布置方便灵活，工作可靠，组网方便，可移动性和可扩展性强。该产品自动化程度高，控制稳定精准，操作简单，设计人性化，适合写字楼、商场、宾馆、医疗、别墅等民用建筑使用。家居控制和Wi-Fi技术的结合具有很广阔的前景，是当前智能楼宇发展的一个方向。在性能可靠的控制器的基础上，进一步优化风机盘管控制方式，提高温度控制精度，实现建筑节能，提高楼宇自动化程度。

参考文献

[1]李炎锋,张宁,边江.风机盘管空调系统智能控制方案的实验研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2014,05:731-736.

[2]刘晓石,沈忠华,姚晓东等.基于ZigBee和Wi-Fi的室内智能照明系统[J].信息系统工程,2014,04:35-37.

[3]郝学军,杨晖,侯书新等.智能温控器在风机盘管空调系统中的应用与节能分析[J].家电科技,2004,06:82-83.

[4]蔡满军,吴磊.智能温度控制器的设计[J]. 自动化仪表,2010,10:68-71.

Application of a new Networked Intelligent Temperature Controller

WANG Kai, SHEN Xing-lin

(Zhejiang Supcon Instrument Co.,Ltd. )

【Abstract】For the central air-conditioning fan coil temperature control system, the Networked FCU520 temperature controller which based on a low-power chips KL36 is designed. It mainly includes the HMI and fan coil control two modules. Capacitive buttons and LCD display are used in HMI module. Using the Fuzzy Control Algorithm to achieve energy saving control of the fan coil. On the basis of general utility temperature control function, remote network control function is designed. It combines PC remote operation and Wi-Fi remote control capabilities.

【Keywords】fan coil；low power；fuzzy control algorithm；remote network control；Wi-Fi