基于无线传感网络的室内环境舒适度智能调节系统

冯浩洋 郭文翀 江泽涛 李健

（广东电网有限责任公司计量中心 广东省广州市 518049）

1 绪论

室内环境舒适度是指室内拥有适合人类居住的热工程环境（合适的温度和湿度）、互不干扰的声学环境、不同使用条件下的光环境及轻松舒适的空间感。当今社会，随着人们群众的生活水平大幅度提高，对于自己的生活环境也越来越重视。室内环境是人们生活的重要组成部分，绝大部分人们的工作、休息、娱乐相关活动都是在室内进行的，因此室内环境的好坏和舒适度如何直接关系到人们的生活质量和身体健康。目前，随着计算机技术、网络通信技术的快速发展和广泛应用，将自动监控技术、电子计算机运算技术、和信息通信技术应用与室内环境的检测已经成为测控行业的发展方向。如今物联网的概念越来越受大家认可，各种智能化设备的应用，以及现在各式各样数量巨大的传感器，可穿戴设备，这些东西甚至能时刻伴随着人们。物联网是因特网的延伸，以感知为目的，利用局域网或其它通信技术把机器和人联系起来，实现万物互联，进而构件一个信息化智能化的网络[1]。

2 系统功能设计

基于无线传感网络的室内环境舒适度智能调节系统，根据环境的状态、用户的舒适度变化，以最短的时间和最优的效率为目标，通过调节空调运行参数以及新风系统的运行参数实现对室内环境的智能调节[2]。

2.1 嵌入式控制系统功能设计

根据系统功能设计要求，对嵌入式控制系统进行方案设计。嵌入式控制系统为整个系统的核心模块，负责与无线温湿度采集模块通讯以获取环境参数，采集空调进风口温湿度、出风口温湿度以及控制空调，采集新风系统进出口温湿度，采集空调、新风系统的电量参数，采集空调进风口的二氧化碳浓度。

嵌入式控制系统电源从空调的三相四线中的零线和火线引出交流220V 电源，经过开关电源模块转换为直流24V，直流24V 转换成直流12V、直流5V、直流3.3V。嵌入式控制系统设计包括：4G通讯模块，用于接入网络；Micro SD 卡接口，用于存储运行参数及环境实时参数；触摸屏模块，用于设置及查看系统运行状态信息；ZigBee 协调器模块，用于连接ZigBee 温湿度传感器；红外发射模块，用于控制空调和新风系统；电量采集模块，用于采集空调及新风系统各项电量参数。嵌入式控制系统功能设计如图1所示[3]。

2.2 无线温湿度采集模块功能设计

无线温湿度采集模块用于采集室内多处的温度参数、湿度参数，温度采集精度±0.2℃，湿度精度±3%，需要设计成体积小，使用电池形式供电，方便摆放。无线温湿度采集模块采用Zigbee 通讯电路+温湿度传感器+电池模式。CC2530F256 芯片作为温湿度传感器采集电路的主控芯片，也作为Zigbee 通讯终端与ZigBee 协调器进行通讯。无线温湿度采集模块功能设计如图2所示[4]。

图1：嵌入式控制系统功能设计

图2：无线温湿度采集模块功能设计

图3：Zigbee 模块功能设计

2.3 Zigbee模块功能设计

Zigbee 通讯电路主控芯片选用TI 公司的CC2530F256，集成2.4GHz、IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 的SoC 解决方案，总材料成本非常低，整合RF 收发器、ZigBee 协议栈，运行在终端模式、路由器模式或协调器模式。Zigbee 模块功能设计如图3所示。

3 系统硬件设计

3.1 主控芯片电路

嵌入式系统的主控芯片，选用ST 公司的STM32F429VGT6，ArmCortex-M4 32 位RISC 内核，浮点单元（FPU）单精度，工作频率高达180 MHz，支持所有Arm单精度数据处理指令和数据类型，主要功能为向无线传感网络发送采集温湿度数据[5]。

3.2 电源电路

开关电源模块选用金升阳公司LDE10-20B24 模块，实现220V 交流转直流24V；选用XL1509-Adj，实现直流24V 转换为直流12V；选用SPX1117-5.0，实现直流12V 转直流5V；选用SPX1117M3-L-3-3/TR，实现直流5V 转3.3V。各直流电源给各模块使用。

3.3 触摸屏电路

触摸屏选用迪文科技的DMT80480T070_15WT，7.0 英寸、800X480 分辨率、65K 色，触摸屏电路如图4所示。触摸屏的通讯接口UART_TX、UART_RX 与STM32F429VGT6 的PC6、PC7 管脚相连。

3.4 ZigBee电路

为提高CC2530F256 的收发功率，增加链路预算，对RF 收发器增加一款功率放大器CC2592，使输出功率提高到+22dBm，有效提高传输的距离和稳定性。ZigBee 电路及硬件PCB 板如图5所示。CC2530F256 无线模块运行在协调器模式，PCB 电路板的引脚P16、P17 分半与STM32F429VGT6 的PA3、PA2 管脚相连[6]。

3.5 无线温湿度采集电路

温湿度传感器选用Sensirion 公司的SHT35，已校准的数字信号输出，1 MHz 的通信速度，增强的信号处理，两个独特的和用户可选的I2C 地址，特点：温度测量范围：-40℃ - 125℃；温度测量精度：±0.1@20-60℃；湿度测量范围：0 - 100% RH；湿度测量精度：±1.5@0-80% RH；数据输出接口：I2C；供电电压：2.4～5.5V；能耗：4.8µW（在2.4 V 时低重复性，1 次/秒）。无线温湿度采集电路及硬件PCB 板如图6所示。

3.6 二氧化碳气体浓度采集电路

二氧化碳气体传感器采用炜盛科技的MH-Z19B，利用非色散红外（NDIR）原理，无氧气依赖性，寿命长，内置温度补偿，数字输出、模拟输出及PWM 输出，测量范围可达0～10000ppm，测量精度为±5%。MH-Z19B 通过UART 通讯口与智能调节系统相连接，MH-Z19B_TXD、MH-Z19B_RXD 分别与STM32F429VGT6 单片机的PA9、PA10 管脚相连。MH-Z19B 模块实物及安装如图7所示。

3.7 空调系统、新风系统电量采集

空调系统、新风系统的电量采集采用思优博的ST-AJ42 三相四线综合测量电量仪模块，高精度24 位专用AD 芯片，动态范围比高达1000:1，测量参数有频率、电流、电压、无功功率、有功能功率、功率因数和累计电量等等各种电参数，通过RS-485Modbus通讯。ST-AJ42 外观及安装接线如图8所示。

3.8 红外收发电路

图4：触摸屏电路

图5：ZigBee 电路及硬件PCB 板

图6：无线温湿度采集电路及硬件PCB 板

图7：MH-Z19B 模块实物及安装

图8：ST-AJ42 外观及安装接线

系统通过红外收发电路对空调、新风系统进行控制，其原理是利用一个红外发光二极管，以红外光为载体来将控制信息传递给接收端的设备空调及新风系统，用以调节室内环境的温度和更换室内空气，控制管脚与STM32F429VGT6 单片机的PD13 管脚连接。

3.9 4G通讯电路

系统通过4G 模块，与云平台实时通讯，采用有人科技的WHLTE-7S4 模块，支持5 模13 频，支持联通、移动、电信2G/3G/4G接入，基于嵌入式Linux 系统开发。WH-LTE-7S4 电路及模块如图9所示。

图9：WH-LTE-7S4 电路及模块

图10：模块整体流程

图11：温湿度测试

3.10 数据存储电路

为满足系统的各项数据存储，增加Micro SD 卡存储解决方案，支持4GB～32GB 容量，方便系统扩展。

4 系统软件设计

4.1 模块整体流程

微处理器首先将硬件初始化，比如串口、时钟，传感器用到的IO 口，然后开启线程，接着创建各个传感器的任务和监视任务，监视任务主要是监视各个创建任务有没有完成，组网有没有成功，数据测量同步通过，通过串口打印信息。模块整体流程如图10所示[7]。

4.2 系统主要代码

4.2.1 温湿度

4.2.2 电量参数

4.2.3 二氧化碳浓度

4.2.4 空调、新风系统

4.2.5 4 G 通讯

4.2.6 数据存储

图12：二氧化碳浓度测试

图13：电量数据测试

5 系统测试

5.1 温湿度测试

温湿度测试如图11所示，在测试环境中布置了6 个温湿度传感器，通过调试助手链接嵌入式系统，发送读取温湿度命令“:000|14|101 ”，嵌入式系统返回六个温湿度传感器数据，其中地址0x8C78 温湿度传感器置放在室外，温湿度比其他5 个高，为32.2℃，适度为81.3%[8]。

5.2 二氧化碳浓度测试

二氧化碳浓度测试如图12所示，向嵌入式系统发送读取二氧化碳浓度测试命令“:000|10|101 ”，返回当前二氧化碳浓度数据为411ppm，也就是当前室内二氧化碳浓度为万分之411。

5.3 电量数据测试

电量数据测试如图13所示，向嵌入式系统发送读取电量数据测试命令“:000|11|101 ”，返回当前电量数据，包括电压、电流、功率等等数据。

5.4 空调、新风系统控制测试

通过发送控制空调命令，嵌入式系统能准确控制空调启停、风向、温度、风速。通过发送控制新风系统命令，嵌入式系统能准确控制新风系统启停、风速。

6 总结

随着现在科技的高速发展，以及人们对生活要求的提高，人们对自身的生活环境状态越来越重视起来，开发基于STM32F429VGT6 单片机的嵌入式控制系统和基于ZigBee 无线终端，实现对环境参数的采集，随人体舒适度自适应调节以及节能运行的设计目标控制空调机、新风系统，改善室内环境质量，使人们处在一个更加舒适的室内环境[9]。