一種新型聯網型智能溫控器的應用

王凱，沈星林

（浙江中控自動化儀表有限公司）

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一種新型聯網型智能溫控器的應用

王凱，沈星林

（浙江中控自動化儀表有限公司）

【摘要】針對中央空調的風機盤管溫度控制系統,設計一種基于低功耗芯片KL36的聯網型FCU520溫控器。主要包括人機交互和風機盤管控制兩大模塊，采用主流的電容按鍵和液晶顯示完成人機交互，采用模糊控制風機盤管算法實現風機盤管的節能控制。在一般實用溫控器功能基礎上，設計了遠程聯網控制功能，該功能兼備上位機遠程操作和Wi-Fi遠程控制能力。

【關鍵詞】風機盤管；低功耗；模糊控制；遠程聯網控制；Wi-Fi

1 引言

建筑電氣的智能化、節能化是世界建筑技術發展的大趨勢。在辦公樓、賓館、醫院、商用住宅、科研單位、休閑娛樂等公共場所中，大部分都采用風機盤管空調系統[1]。隨著人們生活水平的提高，機械、電子溫控器已不能滿足人們對舒適程度、便捷操作、人性化設計等方面的要求。

在互聯網大潮的推動下，浙江中控自動化儀表有限公司推出聯網型FCU520溫控器，在設計性能可靠的風機盤管控制器的基礎上，實現組網集中控制、Wi-Fi互聯網控制、風速模糊控制、分戶計量功能以及機組節能。增加了人們使用的便捷性以及娛樂性，更加有利于這種新興智能建筑產品的推廣[2]。

2 新型智能溫控器設計原理

2.1 傳統溫控器設計原理

普通風機盤管控制器基本上是一個閉環的溫度調節控制系統，主要由溫度傳感器、雙位控制器、溫度設定機構、手動三速開關和冷熱切換裝置組成。其控制原理是根據溫度傳感器測得的室溫與設定值的比較結果，發出雙位控制信號，使得室溫在設定值上下某個范圍之內波動。但是，卻普遍存在“控制精度不高”、“時間常數設置太大”，“操作過復雜”等問題[3]。

2.2 新型智能溫控器設計原理

聯網型FCU520溫控器系統總體上可以分為人機交互和風機盤管控制兩大模塊，圖1為總體設計架構框圖。其中，人機交互模塊的作用是：熱敏電阻采集室溫，操作電容按鍵修改配置，液晶顯示屏實時顯示參數，也可通信或者通過Wi-Fi遠程控制本地設備。風機盤管控制模塊的作用是：按照液晶顯示屏配置，完成風機盤管控制；自動模式下，采集溫度與設置溫度為模糊控制策略的輸入參數，完成對應風機盤管控制，進而完成對室內溫度平穩、快速的控制，最終營造一個舒適的溫度環境。

3 系統設計與分析

3.1 系統總體設計

溫控器以融合低功耗技術的Kinetis L系列微控制器KL36為核心，充分利用KL36微控制器的強大外設功能，實現人機交互模塊、溫度精確采集模塊、實時時鐘和數據存儲模塊、能耗計量模塊、模糊控制模塊、聯網通信和Wi-Fi通信模塊，以及其他人性化模塊。

整體系統設計框圖如圖2所示。系統在完成初始化后即進入主循環，從而循環處理按鍵狀態判斷、界面顯示、溫度采集和計算、模塊控制等相關任務，以及完成蜂鳴器、呼吸燈、背光亮度的控制。同時，開啟定時器控制部分任務的節拍（RTC更新、溫度采集、按鍵掃描、無線模塊狀態等）；另外開啟UART中斷，處理RS485網絡數據和Wi-Fi數據的交互。

圖1　總體設計架構框圖

圖2　系統設計框圖

3.2 功能模塊

3.2.1 人機交互

人機交互模塊實現通過芯片TSI模塊，實時掃描電源/模式/減少/增加/時鐘/風速6個電容按鍵通道。圖3為單個電容按鍵采集原理圖，通過手對KEY3的觸碰完成采集按鍵。并實現時間設置、模式和檔位切換、溫度的調節等功能。圖4為FCU520溫控器人機界面圖。無人操作15s后，降低背光燈亮度，關閉按鍵指示燈，啟用呼吸燈，在保證家庭舒適的同時，盡量做到節能舒適以及智能便捷。為了適合不同的應用場景，軟件配置加鎖功能、遠程/本地切換功能、禁止修改通信地址等功能，給予不同控制權限，防止誤觸碰。

圖3　電容按鍵采集原理圖

圖4　溫控器人機界面圖

3.2.2 溫度采集與處理

圖5　溫度采集模塊

圖5為溫度采樣電路硬件設計原理圖。2.5V為芯片提供的采樣基準電壓值，根據電阻分壓原理，采集103AT熱敏電阻一端的電壓信號。經過運算放大芯片，提高ADC模塊的輸入阻抗，可以調高采集精度，且電路簡便[4]。內部16bitA/D對采集到的16進制電壓信號進行處理，計算出熱敏電阻端電壓值，并再次折算出熱敏電阻阻值；通過查精度為1℃的阻值-溫度對照表，得出當前實際溫度值。可以方便如CO2數據采集、報警、濕度監測等功能的擴展。

3.2.3 模糊控制

采用智能模糊控制算法直接控制風機轉速，實現風機自動在高、中、低三檔切換，用循環風量調節室溫。在無需任何改動的條件下，實現簡單“雙位控制”到“智能模糊控制”的飛躍。操作界面簡單化，整個控制過程只需設定一個溫度值，即可實現全自動智能運行。

本系統選擇空調房間的溫度差E(t)（E(t)= 實際值-設定值）和溫度差的變化率ΔE(t)（ΔE(t) = E1(t)-E2(t)，E1(t)本次偏差值，E2(t)上一次偏差值（30s前的溫度值）），作為模糊控制器的輸入變量。通過模糊控制器中的模糊規則邏輯判斷，決策出控制量、風機送風量和冷熱水閥的開關作為模糊控制器的輸出變量。輸入變量中的溫度差論域m=7，溫度差變化率論域n=7。輸出變量控制量論域l=5，選擇五個詞匯（關閥/風1，關閥/風2，開閥/冷1，開閥/冷2，開閥/冷3）或（關閥/風1，關閥/風2，開閥/熱1，開閥/熱2，開閥/熱3），使用條件語言描述手動控制策略，如表1所示，完成模糊控制器的控制規則設計。

3.2.4 計費功能

該溫控器還具備能耗計量功能，通過記錄3個檔位的運行時間，形成單個風機盤管運行歸一時間，PC端可以聯網讀取每個溫控器各檔位運行時間。系統軟件累計各戶所有溫控器的統一運行時間，通過與總的空調能耗對比，按比例去計算分攤每臺溫控器或每戶的空調費用，這樣就實現分戶計量功能。

3.2.5 通信功能

溫控器具有聯網功能和Wi-Fi控制功能，屬于智能家居的一部分。聯網功能適合監控中心為主設備、通信連接為標準的RS485，以及溫控器為從設備的數據通信。通信協議遵循標準的Modbus協議，使用Modbus-RTU模式。監控中心定時輪詢網絡上各溫控器，獲取運行時間、檔位等信息，并具有多項遠程控制功能，比如遠程開關、遠程/本地控制權限切換、遠程鎖定通信地址等功能。同時兼備遠程Wi-Fi控制功能，如圖6所示。日常生活中，采用點對點網絡連接，直接連接Wi-Fi模塊控制；如果需要遠程控制，則將溫控器Wi-Fi模塊接入因特網，用戶都可以通過定制的手機APP程序，通過網絡控制該溫控器，且具有控制目標的唯一性。

3.2.6 實時時鐘與數據存儲

實時時鐘芯片使用PCF8563，采用簡單普遍的I2C接口與芯片通信，提供年、月、日、時、分、秒、星期等信息，芯片工作功耗較低，典型工作電流為0.25μA。并且硬件設計外部電源和備用電池切換機制，使得外部供電時，不消耗備用電池電源；掉電時，可以長久維持時鐘芯片正常工作。

表1　模糊控制器的制冷控制規則表

數據存儲采用SPI接口通信且高效存儲芯片CAT25160，長時間掉電數據不丟失。用于完成對模式、風機檔位、能耗計量時間、地址、補償溫度、管制等重要數據的保存。在掉電后，用戶不必反復設置之前各重要參數，設計更加人性化并增加用戶的體驗感。

圖6　Wi-Fi控制示意圖

4 結束語

聯網型FCU520溫控器外觀設計為標準86外形尺寸及標準安裝尺寸，方便智能樓宇改造，布置方便靈活，工作可靠，組網方便，可移動性和可擴展性強。該產品自動化程度高，控制穩定精準，操作簡單，設計人性化，適合寫字樓、商場、賓館、醫療、別墅等民用建筑使用。家居控制和Wi-Fi技術的結合具有很廣闊的前景，是當前智能樓宇發展的一個方向。在性能可靠的控制器的基礎上，進一步優化風機盤管控制方式，提高溫度控制精度，實現建筑節能，提高樓宇自動化程度。

參考文獻

[1]李炎鋒,張寧,邊江.風機盤管空調系統智能控制方案的實驗研究[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版),2014,05:731-736.

[2]劉曉石,沈忠華,姚曉東等.基于ZigBee和Wi-Fi的室內智能照明系統[J].信息系統工程,2014,04:35-37.

[3]郝學軍,楊暉,侯書新等.智能溫控器在風機盤管空調系統中的應用與節能分析[J].家電科技,2004,06:82-83.

[4]蔡滿軍,吳磊.智能溫度控制器的設計[J]. 自動化儀表,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