基于物聯網的中央空調末端溫控器

李乾龍　龍馨　龍光利

摘 要：當人們不在家忘記關閉空調時，空調仍然工作，造成了電能的浪費以及影響了空調的使用壽命，而且有時人們所調的溫度并不合適，不能有一個合適的溫度體驗而且也會造成電能的浪費。因此文中基于物聯網的設計了一種中央空調末端溫控器。該溫控器采用STM32為主控，利用ZigBee關鍵技術，將中央空調末端風扇盤管進行物聯，做到并存管理與控制。該控制系統不但可以對樓內房間加裝有中央空調系統末端的溫度控制器通過無線網絡進行自動化控制和監管，還可以根據使用者所設的溫度、風力和房間的總人數完成房內的中央空調的自我管理，降低能耗。

關鍵詞：中央空調;紫峰協議;溫控裝置;STM32;物聯網;溫度體驗

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）04-0-03

0 引 言

隨著社會的發展，中央空調的選用越來越普遍，中央空調在給人們帶來更加人性化環境的同時也產生了相當大的能耗。據估計，在裝有中央空調的建筑樓中，中央空調的能耗占整棟建筑物能耗的50%以上。

目前，消費市場上的中央空調溫度控制器大都是單獨分散的控制裝置，不具備互聯人工智能管控和監管功能，在房間較長時間無人時不能變動空調設備工作方式、工作狀況或自動關機，更無法根據房間人數，自動變動空調設備的工作狀況。因此，現階段的中央空調大體上是人工控制方法，這種操控方法缺少恰當的操控與監控，常存在房間溫度適宜卻開空調系統、離去后忘了關空調設備或空調系統溫度開得很高或很低的狀況，因而使得室內中央空調利用率不高，導致電力的耗費。這與現在社會倡導“節約能源、低碳環保、可持續發展”的主題，完全不一致。為了消除上述普遍存在的缺陷，采用STM32為主控，借助于ZigBee技術設計一種基于物聯網中央空調末端溫控器，將中央空調末端風扇盤管物聯[1]，做到統合監管與操控。該控制系統不但能對建筑物樓房間加裝有中央空調系統末端的溫度控制器，通過無線通信展開自動化控制和監管，而且房間的中央空調溫度控制裝置還能根據使用者設定的溫度、風力和房間的總人數自主管理房間的中央空調，以徹底解決使用者節能意識不高而導致的電力耗費問題。

1 基于物聯網中央空調末端溫控器技術優勢

（1）選用STM32微處理器和ZigBee芯片建構星型網

絡[2]，利用ZigBee技術提供無線數據傳輸功能，在功耗方面控制得比較好，實時性較強;

（2）ZigBee的其特點是短距離、復雜度低、自組織、低功耗、低數據速度，適用于自動化操縱和遠程控制層面，可以內嵌各種設備;

（3）ZigBee網絡可以接上萬點的組網，可根據項目需要靈活增減數量，可以在室內安裝多個檢測裝置進行數據傳輸，最主要的是成本低，免通信費，運營成本低;

（4）監測設備性能準確、生產成本較低、易裝配，可達到節能和減少管理人員人力、物力的目的。

2 溫控器系統框架設計

2.1 系統整體設計

基于物聯網的中央空調末端溫控器構成如圖1所示，中央空調溫控系統由PC機、數據檢測模塊、ZigBee網關和中央空調溫度控制器組成。

（1）STM32控制模塊。首先STM32使用用途非常廣泛的ARM內核，集成了非常豐富的接口、通信模塊以及其他功能模塊，開發工具比較齊全，開發資料也比較豐富，在功耗方面控制得比較好，另外，實時性比較強[3]，對各種流行的嵌入式操作系統比較支持，且各大嵌入式操作系統網站基本上都會提供支持，其相應的代碼非常強大。

（2）傳感器組件。傳感器結點只與協調器彼此之間通過點對點的方式來無線通信，所以在處理程序中須要設置點對點通信。感應器模塊的CC2530通過感光感應器來獲取光強度信息，然后調用發送函數用串流的方式將光照數據發給協調器。

（3）協調器模塊。協調器和傳感器控制模塊之間采用廣播形式。有無線信號接收時，調用處理信息函數，提取溫度高低和室內人數數據，利用CC2530模塊實時發送溫度人數信息。

2.2 ZigBee技術

ZigBee網絡是一種低速度、短距離、低功耗的無線傳感器網絡，具有星型、樹形、網狀等多種拓撲結構。傳統樹狀互聯網傳送路徑固定，如果某根節點壞了，由于網絡傳輸路徑不能進行自動調整，會對后續葉節點的數據傳輸將造成嚴重的影響。為提升控制系統的可靠性和安全性，使用網狀網作為該系統網絡拓撲結構。ZigBee網絡拓撲構建圖如圖2所示。

2.3 ZigBee入網流程

ZigBee入網流程如圖3所示。節點入網可選擇區域內信號最強的父節點加入互聯網，成功加入后，會得到一個網絡IP，并通過這個IP進行信息的接收和發送。網絡拓撲關系和IP會留存在各自的FLASH中。選擇一個合適的ID后，設備的上層會請求MAC層對物理層和MAC層的phyCurrentChannel，macPANID等PIB特點進行適當的設置。

3 中央空調溫控系統軟件設計

3.1 主程序設計

設計的控制系統主程序流程如圖4所示。中央空調控制設備的軟件工程由在Keil開發環境下用C語言的各個組件程序構成，主要包含溫濕度傳感器AM2305的單總線應用程序、人體內紅外線傳感器的檢驗程序、繼電器的控制程序、ZigBee組件的組網程序和STM32的串口驅動程序等[4]。

3.2 系統子程序設計

3.2.1 控制主機子程序設計

控制主機子程序流程如圖5所示?？刂浦鳈C的串口接收到協調器發送的數據后，進行數據顯示及參數閾值設置，判斷接收到的各個環境參數是否超過設定的閾值，未超過閾值為正常狀態，超過閾值為異常狀態[5]，進行語音告警，同時打開調控模塊，進行對應位置點環境參數的調控。

3.2.2 按鍵子程序檢測

按鍵子程序流程如圖6所示。系統循環檢測是否有按鍵按下，用戶可通過鍵盤來設置各參數的報警閾值[6]。設定完成后，控制主機通過接收到ZigBee協調器發送的數據流，對數據流進行提取、整理、分析、對比。當檢測到獲取的室內環境參數為安全狀態，OLED顯示屏顯示正常數據[7];若檢測到的數據超過設定的閾值，語音模塊發出警報提示，用戶采取相應措施。

3.2.3 OLED顯示子程序設計

顯示模塊子程序流程如圖7所示。系統主機通過I2C總線傳輸指令，首先對顯示模塊初始化，然后進行清屏處理。緊接著通過調用庫函數來進行顯示屏的顯示。對計劃好的數據顯示方式設置初始位顯示坐標。然后調用OLED庫函數進行顯示。

3.2.4 自動控制子程序設計

自動控制子程序流程如圖8所示。首先通過按鍵為室內環境參數設置合適的閾值;然后系統進行循環掃描檢測，與設定好的參數閾值做對比。如果其中某一位置點的某個參數異常時，系統開啟繼電器，來打開滅火外接設備進行環境參數調控;當室內環境參數達到正常狀態，繼電器關閉，空調設備停止工作。

3.2.5 WiFi傳輸子程序設計

WiFi傳輸子程序流程如圖9所示。系統使用WiFi模組中燒錄機智云的GAgent固件，這個固件庫把復雜的傳輸協議和交互都交給了封裝，WiFi模組與主機MCU之間的交互只有串口透傳[10]，所以只需將需要上傳至云平臺的數據打包，通過調用封裝好的庫函數，將數據轉發至云平臺。

4 結 語

基于ZigBee的中央空調溫控設備利用人體紅外感測器采集房子內部人數狀況，其裝設于建筑的每間房內，調控每個房子空調設備的溫度和風力等變量。將總控中心放置在控制中心，對整棟樓的中央空調溫度展開監測和監管。使用者操控終端為手機或PC機，PC機通過互聯網與中央空調溫度總控中心進行數據和命令傳輸。手機通過互聯網與中央空調溫度總控中心展開數據和指令傳送。中央空調溫度總控中心通過ZigBee互聯網與各個中央空調溫度控制裝置展開通信。管理人員可以在使用者操控終端上加裝客戶端應用程序，根據需要通過使用者操控終端輸入指令和信息。然后中央空調溫度總控制室通過ZigBee無線網絡對每個房子的中央空調溫度控制裝置展開監控，實時掌握使用情況;也可通過中央空調溫度控制中心對中央空調溫度控制裝置進行操控，開啟每個房間的中央空調、設定中央空調溫度控制裝置的溫度、風力、工作方式、定時自動關機等參數。

參考文獻

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作者簡介：李乾龍（1996—），男，本科。

龍 馨（1998—），女，本科。

龍光利（1968—），陜西南鄭人，教授，研究方向為無線通信與電子技術應用。