ZigBee無線傳輸技術(shù)在集中空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳夏　高巖

摘 ?要： 為了解集中空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，并針對(duì)其中可能出現(xiàn)的運(yùn)行效果不佳進(jìn)行優(yōu)化，首先建立基于ZigBee無線傳輸技術(shù)的集中空調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，用于獲取空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，具有可靠性高、靈活性高以及能耗較低等特點(diǎn);其次，分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該集中空調(diào)系統(tǒng)在控制房間熱濕環(huán)境時(shí)存在房間溫度持續(xù)波動(dòng)、難以穩(wěn)定在設(shè)定值、房間熱舒適性較差等問題;最后，提出降低水閥PID控制器中KP參數(shù)值的優(yōu)化控制方法，改善了集中空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

關(guān)鍵詞： 集中空調(diào)系統(tǒng); ZigBee無線傳輸; 平臺(tái)建立; 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè); 數(shù)據(jù)分析; 運(yùn)行優(yōu)化

中圖分類號(hào)： TN926?34; TU831 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）24?0045?04

Application of ZigBee wireless transmission technology in central air?conditioning system

WU Xia1， GAO Yan1，2

（1. Beijing Key Laboratory of Heating and Gas Supply， Ventilation and Air Conditioning Engineering， Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044， China; 2. Beijing Advanced Innovation Center for Future Urban Design， Beijing 100044， China）

Abstract： In order to comprehend the operation status of the central air?conditioning system and optimize for the poor operation effect that may appear among them， a central air?conditioning system data monitoring platform based on ZigBee wireless transmission technology is established first to obtain real?time data of air?conditioning system operation， which has the characteristics of high reliability， high flexibility and low energy consumption. By analyzing the monitoring data， it is found that the central air?conditioning system can produce continuous fluctuation of room temperature， is difficult to stabilize the set value， and has poor thermal comfort of the room when controlling the hot and humid environment of the room. The optimal control method for reducing the Kp parameter value of the PID controller of the water valve is proposed， which improves the operation effects of the central air?conditioning system.

Keywords： central air?conditioning system; ZigBee wireless transmission; platform establishment; data monitoring; data analysis; operation optimization

0 ?引 ?言

集中空調(diào)系統(tǒng)在建筑中的廣泛使用，使得建筑室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性得到了良好的提升。然而，在實(shí)際建筑中，室內(nèi)熱濕環(huán)境往往出現(xiàn)冷熱不均、時(shí)冷時(shí)熱、調(diào)控滯后等各種各樣的問題，因此需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)集中空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，進(jìn)而改善運(yùn)行控制效果。

楊懷毅等提出一種將空調(diào)器溫度測(cè)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)與電路參數(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)房間空調(diào)系統(tǒng)制冷量、制熱量、功率、能效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法[1];徐強(qiáng)偉等采用Arduino單片機(jī)作為主控器的數(shù)字傳感器及控制設(shè)備，監(jiān)測(cè)了地鐵車站候車區(qū)的空氣品質(zhì)[2];鮑玲玲等提出PLC+變頻器+組態(tài)軟件的舒適性空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，使空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行可靠、操作簡單、功能豐富[3]。此外，艾紅等建立了基于ZigBee無線傳輸?shù)墓┡瘻囟缺O(jiān)測(cè)系統(tǒng)，避免了有線傳輸布線困難問題，對(duì)供暖系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)測(cè)[4];O. P. Bodunde等將ZigBee通信技術(shù)應(yīng)用于供水機(jī)械，推斷水泵的流量[5];劉雁將ZigBee無線通信模塊與氣壓等終端傳感器結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)有害氣體濃度的精確檢測(cè)[6];GUAN Yuxi等將ZigBee通信技術(shù)應(yīng)用于對(duì)建筑火災(zāi)的感知與預(yù)防，大大提高了消防安全水平[7]。上述關(guān)于ZigBee的應(yīng)用研究充分表明了這種技術(shù)在監(jiān)測(cè)室內(nèi)熱環(huán)境等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前，用于維持建筑室內(nèi)熱環(huán)境狀態(tài)的集中空調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)主要是采用以下方式：利用傳感器對(duì)集中空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過有線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳回控制中心，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理[8]。由于空調(diào)系統(tǒng)管路復(fù)雜，調(diào)控房間數(shù)量繁多，造成了接電線路過長、維護(hù)難、平臺(tái)建造成本高、后期改造不方便等問題。為此，本文基于ZigBee無線傳輸技術(shù)，建立集中空調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化。

1 ?ZigBee無線傳輸技術(shù)

ZigBee是一種無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、若干路由器和若干終端節(jié)點(diǎn)組成，通信距離從標(biāo)準(zhǔn)的75 m到幾百米、幾千米不等，并且支持無限擴(kuò)展。ZigBee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以組成星型網(wǎng)、樹型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)[9]。星型網(wǎng)是一種最簡單的拓?fù)湫问?，包括一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和一系列的終端節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)只能與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，如圖1a）所示;樹型網(wǎng)包括一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、一系列的路由器和一系列的終端節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)連接一系列的路由器和終端節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)的路由器也可以連接一系列的路由器和終端節(jié)點(diǎn)，可以重復(fù)多個(gè)層級(jí)，如圖1b）所示;網(wǎng)狀網(wǎng)包含一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、一系列的路由器和一系列的終端節(jié)點(diǎn)，形式和樹型網(wǎng)相似，不同之處在于，網(wǎng)狀網(wǎng)具有更加靈活的信息路由規(guī)則，在可能的情況下，路由節(jié)點(diǎn)之間可以直接通信，如圖1c）所示[10]。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要為工業(yè)設(shè)備自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，具有簡單方便、工作可靠、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：數(shù)據(jù)通過無線終端進(jìn)行傳輸，各個(gè)節(jié)點(diǎn)間能夠?qū)崿F(xiàn)自由重組，靈活布置;當(dāng)檢測(cè)到新的設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，能夠自動(dòng)更新和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)路徑，進(jìn)行自我配置;能夠?qū)⒐?jié)點(diǎn)間的干擾降至最低，且終端節(jié)點(diǎn)可以選擇采用休眠?喚醒模式，在不工作時(shí)進(jìn)入休眠，降低能耗[11]。

2 ?集中空調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

2.1 ?集中空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

集中空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由冷機(jī)、冷卻塔、水泵、空調(diào)箱等設(shè)備以及水系統(tǒng)、風(fēng)系統(tǒng)組成;末端采用空調(diào)箱送風(fēng)，為全空氣系統(tǒng);調(diào)控對(duì)象為一個(gè)面積36.8 m2的房間?？照{(diào)箱中設(shè)有根據(jù)房間溫度，自動(dòng)調(diào)節(jié)水閥開度的PID控制器，以保證房間溫度穩(wěn)定在設(shè)定值，控制流程如圖2所示。集中空調(diào)系統(tǒng)管路中預(yù)留有水溫、水壓、閥位及空氣溫濕度等物理量測(cè)點(diǎn)。

2.2 ?集中空調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和11個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)連接一個(gè)傳感器，分別監(jiān)測(cè)冷凍水供水溫度、冷凍水回水溫度、冷卻水供水溫度、冷卻水回水溫度、冷凍水流量、冷卻水流量、水泵進(jìn)口壓力、水泵出口壓力、水閥開度、送風(fēng)溫濕度以及房間溫濕度等數(shù)據(jù)。每個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)與之相連的終端節(jié)點(diǎn)通過ZigBee無線傳輸技術(shù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)端服務(wù)器，根據(jù)協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫，并將處理后的各個(gè)物理量值顯示于界面程序。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)工作流程如圖3所示，數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場設(shè)備狀況如圖4所示。

該數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)中采用的ZigBee無線傳輸技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高;由于終端節(jié)點(diǎn)全部實(shí)現(xiàn)無線方式傳輸數(shù)據(jù)，且均由可充電電池供電，同時(shí)，可充電電池也可作為24 V直流電源為與之相連的傳感器供電，因此減少了線路布置，靈活性高;終端節(jié)點(diǎn)僅在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)喚醒進(jìn)行工作，其余時(shí)間自動(dòng)休眠，降低了電能消耗，具有低能耗性;此外，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)置數(shù)據(jù)上傳的時(shí)間間隔為10 s，相對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)各物理量的變化，時(shí)間十分短暫，因此可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取。

2.3 ?數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)過程及結(jié)果

在集中空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)中，設(shè)定管路最大冷凍水流量為3.02 m3/h，冷凍水供水溫度為7 ℃，送風(fēng)量為3 200 m3/h，送風(fēng)溫度為18 ℃，房間溫度為26 ℃。開啟冷機(jī)、冷卻塔、水泵、空調(diào)箱等設(shè)備，打開管路中的閥門，使集中空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。開啟各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)及服務(wù)器等，使數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)正常工作。監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)經(jīng)進(jìn)一步整理后，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

繼續(xù)分析其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，水閥振蕩頻繁，開度不斷變化，變化范圍為32%～55%，如圖5中虛線所示;房間溫度在24.8～27.4 ℃范圍內(nèi)持續(xù)波動(dòng)，難以穩(wěn)定在設(shè)定值，如圖5中實(shí)線所示。由此得出，此時(shí)集中空調(diào)系統(tǒng)在調(diào)控該房間時(shí)控制效果不佳。

3 ?集中空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化

經(jīng)分析，由于水閥振蕩頻繁，導(dǎo)致冷凍水流量不斷產(chǎn)生較大變化;當(dāng)冷凍水供水溫度不變、送風(fēng)量不變時(shí)，冷凍水流量的不斷變化引起送風(fēng)溫度不斷變化，最終導(dǎo)致房間溫度持續(xù)波動(dòng)，難以穩(wěn)定在設(shè)定值26 ℃。因此，要想解決房間溫度持續(xù)波動(dòng)問題，首先需要了解水閥的開度?相對(duì)流量特性，以進(jìn)一步分析水閥開度變化與水流量變化以及房間溫度波動(dòng)之間的關(guān)系。

保持冷凍水系統(tǒng)最大流量為3.02 m3/h不變，手動(dòng)調(diào)節(jié)水閥開度，監(jiān)測(cè)流過水閥的流量數(shù)據(jù)，并計(jì)算相對(duì)流量，即計(jì)算流過水閥的流量與水閥全開時(shí)系統(tǒng)最大流量的比值。根據(jù)水閥開度及相對(duì)流量，繪制出圖6所示的特性曲線。由圖6可以看出，該水閥為快開型水閥，當(dāng)開度在50%以下時(shí)，流量變化較快，0～50%的水閥開度變化引起的流量變化范圍為0～90%;當(dāng)水閥開度在50%以上時(shí)，流量變化較慢，50%～100%的水閥開度變化引起的流量變化范圍僅為90%～100%。

根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)顯示的集中空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)該水閥開度變化范圍為32%～55%可知，較小的開度變化引起了較大的水流量變化，結(jié)合式（1）PID控制的數(shù)學(xué)模型[12]，以及控制參數(shù)KP的意義（KP值是輸出值對(duì)偏差值的增益倍數(shù)，其值比例越大，對(duì)調(diào)節(jié)所起的作用越大，若過大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定而持續(xù)振蕩[13]），推測(cè)該水閥的PID控制器中KP參數(shù)可能偏大，使得當(dāng)房間溫度與設(shè)定值有微小偏差時(shí)，水閥調(diào)節(jié)幅度過大、冷凍水流量變化過大，最終造成房間溫度持續(xù)波動(dòng)。

[U（t）=KPe（t）+1TIe（t）dt+TDde（t）dt] （1）

式中：[U（t）]為控制器輸出;[KP]為比例系數(shù);[TI]為積分時(shí)間常數(shù);[TD]為微分時(shí)間常數(shù);[e（t）]為偏差信號(hào)。

嘗試減小[KP]參數(shù)值。根據(jù)PID控制參數(shù)整定方法“經(jīng)驗(yàn)試湊法”，將原始[KP]=45調(diào)整為[KP]=33，力求降低水閥調(diào)節(jié)幅度，避免流量過度變化，改善系統(tǒng)不穩(wěn)定、持續(xù)振蕩的現(xiàn)象。調(diào)整控制參數(shù)后，集中空調(diào)系統(tǒng)再次運(yùn)行時(shí)，繼續(xù)通過數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)監(jiān)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)。此時(shí)，水閥開度和房間溫度變化分別如圖7中虛線和實(shí)線所示?？梢钥闯?，水閥開度變化范圍為33%～50%，且調(diào)節(jié)幅度較小，較為穩(wěn)定;房間溫度變化范圍為25.1～26.8 ℃，較優(yōu)化之前變化范圍縮小，且逐漸穩(wěn)定在26 ℃。因此，集中空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果得到優(yōu)化。

4 ?結(jié) ?語

本文基于ZigBee無線傳輸技術(shù)，建立集中空調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。該平臺(tái)抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，為無線傳輸，且終端節(jié)點(diǎn)及傳感器采用可充電電池供電，靈活性高;終端節(jié)點(diǎn)采用休眠?喚醒模式，能耗較低。平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)集中空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的水流量、水溫、水壓、閥門開度以及送風(fēng)溫度和房間溫度等數(shù)據(jù)，分析這些數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，由于水閥控制器中控制參數(shù)KP值過大，導(dǎo)致房間溫度頻繁波動(dòng)，房間熱舒適性差。因此，采取適當(dāng)降低水閥控制參數(shù)的方法，使集中空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果得到了優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊懷毅，任滔，丁國良，等.基于有限測(cè)點(diǎn)的空調(diào)系統(tǒng)性能在線監(jiān)測(cè)方法[J].制冷學(xué)報(bào)，2018，39（6）：70?76.

[2] 徐強(qiáng)偉，宋瑞剛.地鐵車站候車區(qū)間空氣監(jiān)測(cè)及空調(diào)系統(tǒng)控制裝置[J].輕工科技，2019（8）：114?115.

[3] 鮑玲玲，趙陽，王子勇，等.PLC在舒適性空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（18）：22?27.

[4] 艾紅，邱靖鵬.基于ZigBee無線傳輸?shù)墓┡瘻囟缺O(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（23）：113?117.

[5] BODUNDE O P， ADIE U C， IKUMAPAYI O M， et al. Architectural design and performance evaluation of a ZigBee technology based adaptive sprinkler irrigation robot [J]. Computers and electronics in agriculture， 2019， 160： 168?178.

[6] 劉雁.基于ZigBee通信和ARM控制器的車內(nèi)有害氣體濃度帶電檢測(cè)[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2018，13（6）：725?731.

[7] GUAN Yuxi， FANG Zheng， WANG Tianran. Fire risk assessment and daily maintenance management of cultural relic buildings based on ZigBee technology [J]. Fire science & technology， 2018， 211： 192?198.

[8] 王定奧，劉清惓，戴偉，等.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的空調(diào)能耗預(yù)測(cè)與監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（22）：140?144.

[9] 劉吉.ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由優(yōu)化算法研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2017.

[10] 胡怡.基于ZigBee無線傳輸?shù)臓恳冸娝€路夾件無線測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安：西安理工大學(xué)，2019.

[11] 王磊.Zigbee無線傳輸技術(shù)在油田數(shù)字化建設(shè)中的應(yīng)用探討[J].中國設(shè)備工程，2019（20）：231?232.

[12] 許遠(yuǎn)超.中央空調(diào)水系統(tǒng)優(yōu)化控制策略研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2005.

[13] 潘毅群，黃森，劉羽岱.建筑能耗模擬前沿技術(shù)與高級(jí)應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2019.

作者簡介：吳 ?夏（1994—），女，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)榧锌照{(diào)系統(tǒng)運(yùn)行控制。

高 ?巖（1973—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)榧锌照{(diào)系統(tǒng)控制、復(fù)合能源高效利用等。