基于无线传感网络的空调监控系统

翁志远，陈多壮，程　颖，翁志刚

（皖西学院 机械与电子工程学院，安徽 六安237012）

基于无线传感网络的空调监控系统

翁志远，陈多壮，程颖，翁志刚

（皖西学院 机械与电子工程学院，安徽 六安237012）

为了使空调系统运行在高效节能的状态，研究了基于无线传感网络的中央空调控制系统，完成了系统硬件电路设计，开发了上位机监控软件，实现了空调系统的无线监控。

无线传感网络；空调监控；ZigBee；温控器

随着社会的发展，人们对居住环境舒适度的要求越来越高，因此空调成为重要的建筑设备之一。空调在建筑设备中的能耗最大，约占建筑总能耗的50%～60%，对空调设备能耗的综合管理与控制是节约能源的一种重要手段。目前，从国内外文献报道中可知，人们对空调设备节能控制的研究已取得了一定的成果。M.A.GUVENSAN等从空调系统微能量监控和性能评价的角度，采用无线传感网络对系统能耗进行监控［1］，李楠等在中央空调系统的冷热源、水泵和风机的综合控制等方面实现了能耗控制［2］。

近几年，无线传感网络技术得到了快速发展，ZigBee技术作为无线传感网络的一种，由于设计成本低、组网简单和功耗低等优点，在短距离无线通信技术领域得到了广泛的应用［3］。我们将无线传感网络技术应用于空调系统的监控当中，利用分布于建筑中不同位置的节点采集数据，使用这些数据来控制空调系统末端的风机盘管。系统采用ZigBee技术组网，利用无线网关节点实现与上位机之间的通信［4–5］。

1　结构设计

系统的总体设计方案如图1所示，总体的组网方式如图2所示。为了便于管理，整个系统由末端控制层、网络层和上位机监控层组成。各层要完成如下任务。

（1）末端控制层完成对建筑房间内信息的采集。主控制器执行既定的控制算法，通过运算结果来控制风机盘管电动阀门的开度，实现室内温度的调节。在这一层，采集到的室内温度、湿度、风机盘管工作状态以及阀门开度等信息通过ZigBee射频模块无线方式传送给上位机，同时无线接收上位机传送的控制指令。

图1　系统总体方案结构图

图2　系统的组网方式

（2）网络层是末端控制层与上位机监控层之间数据无线传输的桥梁，由多个路由节点和网关组成。路由节点负责无线接收控制器传来的数据，并回传控制信号给控制器。网关负责建立ZigBee网络与各个路由节点之间的通信及连接上位机与路由节点的任务。

（3）上位机监控层属于楼宇自动化当中的管理层，主要完成对控制系统的监控。上位机监控软件将接收到的信息进行处理和保存，并根据这些信息分析设备的运行情况向底层设备发送相应的控制信号，以确保整个系统工作在低功耗状态。

上位机监控软件界面采用Visual Studio 2010平台搭建，后台数据库由SQL Server 2005构建完成。

2　硬件设计

ZigBee网络结构采用微控制器加协议栈芯片的形式。微控制器选用意法半导体公司的微处理器STM32F103，主要完成数据的采集与设备的控制。ZigBee协议栈RF芯片选用TI公司的CC2530协议栈芯片作为无线收发器，用来完成无线通信。整个系统的组网支持IEEE 802.15.4通信协议。

2.1温控器硬件设计

温控器是空调系统中直接面向底层执行器的控制器，它将用户设置的温度数据与传感器采集到的温度、湿度和压力等数据进行运算，再根据运算结果控制电动阀、风机转速，并向上位机传送执行器的运行状态。图3所示为温控器的硬件框图。

图3　智能温控器的硬件框图

主控制器以STM32F103RET6为核心，外围电路包括时钟电路、复位电路、BOOT启动电路、JTAG接口、无线模块接口及其他接口电路［5］。系统时钟频率72 MHz是将有源晶振的8 MHz频率经9倍频后得到的。因为控制器需要实时时钟来完成对时间的计量，所以系统中使用了一个32.768 MHz的无源晶振。其他接口电路包括普通I/O接口、A/D转换接口和D/A转换接口电路等。

2.2路由节点

建筑中，空调系统覆盖的范围比较大，要求无线传输的距离也较远，但是ZigBee网络传输数据的距离比较近，无法满足要求，这就需要在建筑内各个区域都部署路由节点。路由节点起到数据转发和数据融合的作用，可扩大传输距离，但由于组网时数据传输量大，对节点发射功率和接收信号的灵敏度要求也较高［6］。

本文路由节点采用的是CC2530+CC2591的硬件结构。CC2591是TI公司推荐的2.4 GHz射频前端，输出功率可达22 dBm。它集成了功率放大器、低噪声放大器、收发切换开关、非平衡变压器和逻辑电路等高性能单元，且能通过低噪声放大器改进接收灵敏度。CC2591可提高路由节点数据的无线传输速度和准确性。

2.3网关

网关是连接监控上位机与路由节点的桥梁，是ZigBee网络的重要组成部分。本文中的网关通过USB接口与上位机相连并完成数据的传输。我们选用转换芯片PL2303完成RS232串口与USB接口之间的转换，这是因为PL2303完全支持USB2.0协议。在串行数据传输时，还需要将控制器的TTL电平转换为RS232标准电平，为此添加了电平转换芯片SP213。

3　软件系统设计

系统监控软件是整个系统管理层最重要的部分，主要用于处理底层采集到的数据并显示处理结果，根据既定的控制策略完成控制逻辑运算并据此向底层发送控制信号。系统上位机软件是基于Visual Studio 2010开发的，数据库采用的是SQL Server 2005，完成的功能主要包括底层数据的监控、用户费用的监控、系统各个节点的运行监控和系统设置等。系统监控软件的功能划分如图4所示。

3.1软件系统结构

软件系统结构如图5所示，主要包括以下三个层次。

（1）硬件驱动层，主要包括对CPU芯片内部外围功能的底层驱动和对CPU芯片外围硬件设备的操作，如通过串口或SPI对外围设备进行操作、ADC转换器的使用等。

（2）硬件适配层，包括各个模块中可以被应用层调用的部分及一些介于硬件驱动和应用层之间的部分，如板间协议。

（3）应用层是应用开发主要针对的一层。在这一层中，开发的应用程序通过调用硬件适配层的模块来满足不同产品的具体需求。

图4　系统软件功能划分

图5　软件系统结构

3.2软件系统执行流程

软件流程如图6所示。在图6中，软件系统的执行过程包括如下几步。

（1）关中断，确保之后的初始化不会被打断。

（2）初始化系统频率。

（3）一般输入、输出管脚的初始化。

（4）根据硬件适配层的需求有选择地初始化所需要的模块。

（5）单盘业务初始化。根据具体产品的功能需求，在这一步确定接下来需要完成的任务并将这些任务挂载到系统定时器中。

（6）看门狗初始化（可选择）。

（7）开中断。

（8）进入正常工作，刷新定时器，在定时器计满定时时间到后响应中断，如果有串口接收任务的中断，则检测串口是否接收到信息，如果是，则处理器读取数据。

图6　软件平台执行流程

4　系统测试

将控制器、路由节点、网关的硬件电路和软件安装成功后，就可对整个无线监控系统进行系统的功能测试。测试前，需将底层设备，包括温度传感器、湿度传感器、风机和控制阀等与温度控制器进行可靠连接。系统的运行界面及温度监控曲线如图7和图8所示。

通过此监控系统可以实时监控空调系统中各个设备的运行状态，再通过控制器的有效控制提高空调系统的运行效率。

图7　系统监控界面

图8　温度监控曲线

5　结束语

本文利用无线传感网络技术，实现了空调系统的无线监控。与传统的监控系统相比，本文中的监控系统的组网与布线得到了大大的简化，实现了对空调的监控与控制和设备管理等功能，提高了空调的运行效率和综合管理水平。

［1］GUVENSAN M A.Energy Monitoring in Residential Spaces with Audio Sensor Nodes：Tiny EARS［J］.Ad Hoc Networks，2013，11（5）：1539-1555．

［2］LI N.Measuring and Monitoring Occupancy with an RFID Based System for Demand-driven HVAC Operations［J］. Automation in Construction，2012，24：89-99．

［3］王欢，严良文，徐凤平，等.基于组态王的中央空调监控系统设计［J］.机械设计与制造，2010（12）：35-36.

［4］徐晓宁，丁云飞，朱赤辉.基于网络控制的中央空调运行管理、控制与分户计费系统［J］.建筑科学，2009，25（6）：65-72.

［5］郭昌飞.基于ZigBee的无线传感器组网技术研究与应用［D］.北京：北京信息科技大学，2012.

［6］董海燕，翁志远.基于无线传感的逆变器监控设计［J］.聊城大学学报（自然科学版），2015，28（2）：97-102.

［7］李文仲，段朝玉，崔亚远，等.ZigBee无线网络技术入门与实战［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007：25-84.

【责任编辑梅欣丽】

Study of Air Conditioning Monitoring System Based on Wireless Sensor Network

WENG Zhiyuan，CHEN Duozhuang，CHENG Ying，WENG Zhigang
（College of Mechanical and Electronic Engineering，West Anhui University，Lu'an 237012，China）

In order to make the air conditioning system run in the state of high efficiency and energy saving，the central air conditioning control system based on the wireless sensor networks was studied.The hardware circuit and software of the system were designed，and the monitoring software of the upper computer was developed to realize the wireless monitoring and controlling of the air conditioning system.

wireless sensor networks；air condition monitoring and controlling；ZigBee；temperature controller

TU993.4

A

2095-7726（2016）09-0058-04

2016-03-25

安徽省优秀青年人才基金重点项目（2013SQRL072ZD）；六安市定向委托产学研项目（2014LWA001）；皖西学院优秀毕业论文培育计划项目（pyjh2016110）

翁志远（1986-），男，安徽六安人，讲师，硕士，研究方向：电气工程。