基于物联网中央空调远程控制以及节能策略的设计与实现

宫华耀 矫晓龙 任兆亭 林文涛

（青岛海信日立空调系统有限公司 山东省青岛市 266000）

随着网络时代的快速发展，家电产业的智能化水平也都有很大程度的提高。同时用户的生活习惯与方式也发生了较大的变化，促使着传统家电产业朝着更为便捷、高效的方向发展来满足用户的需求，且随着近年来物联网产业的飞速发展，物联网相关家电产品应运而生。

物联网（Internet of things）在当今信息技术组成中占据着重要的地位，其基本含义是由美国Auto-ID 提出，是指“万物皆可通过网络互连”，可以理解为，物联网是将互联网进行了新的拓展，将用户端范围扩展到任何物品之间进行传递和数据通信[1]。故实现应用创新是物联网发展的核心，同时以用户体验为核心的创新是目前物联网发展的灵魂。

为提升我司多联机组的智能化水平，首先，最为重要的是要现将机组联网入云，也是最为关键的一部，为后续的智能化工作做好了准备。在行业中，常用的几种设备入云的方式有：NB-IoT, 2G,4G,Lora 等方式。几种通讯方式的优缺点对如表1 所示。

不同的通讯形式均有各自的优缺点，可以针对不同的应用场景考虑不同的通讯形式。由表1 分析可知，2G 的成本虽然较低，覆盖面较广，但是功耗较大，信号的穿透力也相对较弱。因其技术应用的较早，相对也比较成熟，也是国内外市场最为普遍的一种物联网通讯方式。NB-IoT 相较与2G 具有功耗低，穿透力强的特点，且可以与2G 基站复用，故通过此方式入网效率更高。上述三种方式基本可以满足普通的家装项目和公建项目的设备入网需求。若是考虑大数据量通讯的应用场景，一个通信终端需要上传大量的音频或视频数据，此时，上述的三种通信方式便不再适用，若成本压力和运维压力较小的话，建议使用4G 通讯方式将设备入云。

1 物联网空调的功能介绍

1.1 物联网中央空调功能概述

本论文所涉及的物联网中央空调，是在原有的传统中央空调的基础上，标配了智能通讯模块，故除了保留了原有机组的基本功能外，物联网中央空调新增功能如下：

（1）免去繁琐配网流程，机组上电自动联网，方便用户远程控制。

（2）设备追踪，实现物流追踪，仓储中的设备位置管理。

（3）维修提效，远程获取故障数据，提升一次性维修率；基于故障预测，调配人力和配件。

（4）主动服务，自动检测和评估用户需求，主动销售耗材，延保服务及清洗保养等。

表1：常用物联网通讯方式对比

表2：物联网通讯业务对比分析

表3：NB-IoT 适配器功能一览表

图1：物联网空调工作原理

（5）能源集成化，可视化管理，优化控制策略节省能耗。

物联网中央空调的工作原理如图1 所示。

简言之，NB-IoT 适配器作为Homebus 通信系统中集控器的存在，通过与整机通讯，获取实时的运行参数，再将控制指令下发。然后通过与NB-IoT 适配器通讯，将整机的信息与云端交互，作为远程控制及后台运营维护的基础。

1.2 云端通讯方式

整体的物联网产业的技术分类可以概括为表2 所示。

如表2，家电产业集合物联网技术时，会更倾向于低功耗，广覆盖的入网形式，技术方向会倾向于LPWA 类，且在国内市场，NB-IoT 技术可以复用2G 网络基站，所以覆盖范围基本遍布全国，考虑到低功耗，广覆盖的特点，且对通讯速率的要求不严苛，故选择NB-IoT 的入网方式。

1.3 NB-IoT适配器的设计

1.3.1 NB-IoT 适配器功能一览表

NB-IoT 适配器功能一览如表3 所示。

1.3.2 硬件设计思路

NB-IoT 适配器的硬件具备的功能如下：

（1）收集机组运行参数，下发控制指令。

（2）检测电池安装情况，保证使用前电池被拆下。

（3）特殊运行模式下检测当地的信号强度。

为实现上述功能，NB-IoT 适配器的设计框图如图2 所示。

图2：NB-IoT 适配器硬件设计

图3：NB-IoT 适配器硬件设计

图4：通讯模组状态迁移图

NB-IoT 适配器中的MCU，主要负责与整机通讯，采集机组运行参数，同时下发控制指令。NB-IoT 通讯模组主要负责接收云端指令，将指令下发至MCU 从而实现对整机的控制。二者通过UART 进行数据交互。

硬件上的SW1，负责执行自检动作，同时清除EEPROM 中的内容。SW2 负责控制NB-IoT 模组进入信号强度的检测模式，当地信号的强度会通过信号强度LED 显示。

硬件中的电池主要是为了在运输过程中，支持NB-IoT 通讯模组上报地理位置，更好的服务物流。

1.3.3 主控芯片的状态迁移

NB-IoT 适配器的功能状态迁移图如图3 所示。

下述为状态迁移条件。图中的（）内的号码与以下所示（）内的号码对应。

（1）NB-IoT 适配器与内外机通信过程中，按住自检按钮3s以上，进入自诊断状态。

（2）自诊断结束后无异常便进入通常，无需再次上电。

1.3.4 通讯模组的状态迁移

下述为状态迁移条件。图4 中的（）内的号码与以下所示（）内的号码对应。

（1）通讯芯片向主控芯片连续发送10 次指令却无反馈，则进入休眠状态。

（2）首次上电或者收到激活中断。

2 NB-IoT适配器控制逻辑

NB-IoT 适配器上电以后，执行以下工作：

主控芯片与NB 模组间的通讯时序如图5 所示，二者经过初始化的数据交互后，NB 模组和云端以及APP 均确认了当前机组的联机情况，进入通常阶段后，APP 端便可以控制机组动作。

2.1 EEPROM的启动控制

同时满足以下两逻辑，判定EEPROM 内数据有效：

（1）读取EEPROM 中保存的室内机数量是否合法。合法范围是 1＜= 室内机数量 ＜= 32。

（2）读取EEPROM 中保存的室内机在线列表，确认列表中存在的室内机总数与第一步读取的室内机总数一致。

经过上述两步判定EEPROM 内数据是否有效，进而选择HomeBus 端的启动逻辑。如图6 所示。

若NB-IoT 适配器首次上电，EE 数据为空，与内外机按照正常步骤进行初始化通讯，然后进入通常状态。

若NB-IoT 适配器再次上电，且EE 数据有效，则跳过与内外机间的初始化阶段，直接进入通常控制。需要注意的是，当进入通常状态后，需要监听内外机当前通讯状态，若内外机处于握手阶段，NB-IoT 适配器需要主动保持静默，待内外间握手结束后，再进入通常通讯。

所以当二次上电后，若有部分内机未上电，则NB-IoT 适配器会将EEPROM 中的数据更新到云端，与内外机持续通讯3min 后，检测无应答的室内机，则报警离线。

2.2 电池检测设计

主控芯片完成自身的端口初始化后，开始执行电池检测逻辑，同时不能影响Homebus 端的通信。检测思路如下：

图7 中，P153 端口由主控芯片控制，负责给通讯模组供电，Test19的测试点，有AD采样电路直接连通主控芯片的AD采样端口。在检测周期30s 内，AD 采样口获取的采样值没有超过设定的阈值，则判定无电池装入，则P153 输出高电平，由主控芯片控制给通讯芯片供电。

2.3 双芯片通讯机制

图5：NB-IoT 适配器工作流程图

主控芯片（MCU）与通讯芯片（NB 模组）之间采用标准Modbus 协议，一问一答的形式进行交互，通讯芯片主动下发读或者写指令，主控芯片回复点位内容，将公共的Modbus 协议转换为私有的Homebus 协议，进而获取机组状态信息以及下发控制指令。

通讯芯片与主控芯片之间采用状态变化标志位的轮训机制，大幅度提高了点位检索的效率，检索思路如下：

（1）对所有状态点位进行区域划分，以30 个状态点位为一组举例。

（2）对每个组分配一个变化标志位。这些标志位单独占用一部分点位。

（3）若每组的状态点位值有所变化，下位机自动将该组的变化标志位给置位。

（4）上位机仅需要不断轮询少部分的变化标志位的点表即可。

（5）上位机轮询到某一变化标志位置位以后，进一步去查找该标志位对应的状态位分组。

（6）上位机仅对该组内的所有状态点位轮询一遍，更新变化的状态值，随后，将该变化的标志位清0。

流程图如图8 所示。

根据上述流程，举例如图9 所示。

2.4 NB- IoT适配器的绑定和解除

NB-IoT 适配器绑定流程：

工厂内商检结束下线后，NB-IoT 适配器已经记录了外机制造条码，实现了自动绑定。在后续机组正常使用的情况下，NB-IoT适配器会将写入EE 的制造条码连同自身的IMEI 号一同上传至云端被记录，实现了外机——NB-IoT 适配器——云端的绑定。用户通过扫描NB-IoT 的条码实现与云端的绑定。具体流程如图10 所示。

NB-IoT 适配器解绑流程：

图6：NB-IoT 适配器EE 启动逻辑

（1）更换机主：解除绑定仅考虑云端与用户间的绑定，APP端用户提出解绑申请，绑定解除后，APP 端重新扫描新IMEI 号对设备进行绑定。

（2）更换NB-IoT 适配器：若NB-IoT 适配器出现故障，整体更换新适配器后，用户通过APP端记录的制造条码进行身份确认后，重新实现绑定。

3 节能指数算法介绍

3.1 节能指数算法概要

本算法主要适用于计算云平台控制空调机组的节能指标，通过对用户使用空调的习惯进行多维度的整体评价，给出一个节能指标的综合打分。结果将会通过APP 推送给用户，指导其更为合理的使用空调机组，避免能源过度的浪费。

算法主要思路：想用户推送节能报告，报告计算的依据是统计上月的空调使用情况。报告推送的形式有两种：

周期性发送：每隔1 个月，向用户APP 推送上月的节能报告。

图7：NB-IoT 适配器电池检测思路

图8：状态变化位轮询流程图

触发式发送：APP 上设置节能报告的button，当用户触发时，自动发送上月的节能报告。

以上两种触发方式收到的结果均是上月机组的节能运行情况。

3.2 节能指数算法实现方式

通过理论功耗对比实际功耗的方式，给出节能指数的走向趋势。两个功耗分别由各空调系统的智能终端计算而来，定时将理论功耗和实际功耗上传至云平台，由云平台进行进一步的对比分析，并给出指导策略。其中NB- IoT 适配器需要完成以下任务：

（1）获取机组内各个室内、外机的运行数据，并通过获取到的数据计算理论功耗W theory 和实际功耗 W。

（2）将W theory 和W 每天定时发送至云端，由云端进行进一步的处理。

图9：状态变化位轮询示例

3.2.1 实际功耗计算方式

机组终端采集外机一次侧电流A1，乘以额定电压U，得到当前运行功率。一天的平均功率乘以运行时间，得到机组的实际功耗。

每分钟采集一次一次侧电流（A1），乘以额定电压U。U 需要从外机型号中读取出来，可选220V 或者380V。

采集60 次一次侧电流A1 后，计算一次平均值Aavr。

使用Aavr*U 得到平均功率P，则每小时的实际功耗W=P*H。

3.2.2 理论功耗计算方式

理论功耗，同样是每小时计算一次：

上式中，Q 代表室内理论负荷，EER 代表空调器制冷性能系数。

上式中，Ta 代表室外环境温度，Tm 代表推荐设定温度，M 代表使用面积，K 是传热系数。EER 和Tm 的取值详见表4。

M 代表的使用面积包括地面的面积和墙面的面积之和，考虑到门窗等散热因素，本文所涉及的算法是根据用户实际使用的内机匹数大小，得出的地面、墙面、窗户等的平均散热面积，M 可查表得来，1HP 对应15m2，则M 类比出等效面积，对照详见表5。

图10：NB-IoT 适配器绑定流程

图11：气候分区简图

传热系数K 可以查表得来（不同地区的传热系数不同，由云平台反馈给设备终端）

由图11 所示，国内的地域大致可以分为：严寒地区，寒冷地区，夏热冬冷地区，夏热冬暖地区，温和地区。所以当机组投入使用时，会将自己的位置信息上报至云平台，从而云平台会将区域代码下发至设备终端，进而获取K 值，见表6。

综上：每小时计算一次理论功耗W theory 和实际功耗 W，累计24H 的平均功耗，上传至云端供进一步分析和处理。

4 结论

随着空调机组智能化需求的提高，相关的智能化配件也层出不穷，NB-IoT 物联网室外机在技术突破和平台搭建方面都有着不可估量的深远意义。

本文重点对NB-IoT 适配器的整体设计进行展开，重点介绍了NB-IoT 适配器的设计思路和主要逻辑。不仅可以满足现行品开发的需求，且该平台的搭建也为后续物联网空调产品的开发做好了基础。

表4：参数取值对照表（1）

表5：参数取值对照表（2）

表6：K 值对照表