物聯網技術在暖通空調中的應用

楊韶男

（太原學院建筑與環境工程系 山西 太原 030032）

0 引言

人們生活水平不斷提高，對環境熱舒適性也提出了更高要求，空調系統運行消耗的能源在建筑運行總能耗中所占比重較大，一個優良的空調自動控制系統可實現空調系統的各項功能，并且還可以在空調系統運行時達到節能降耗的目的。隨著物聯網技術的快速發展，其也逐漸受到了建筑領域的重視，暖通空調系統作為建筑的一個重要組成部分，在管理設備與自動運行系統方面也開始引用物聯網技術，以此來實現系統的遠程訪問與遠程控制，從而達到節能減排的目的。因此，應充分發揮物聯網技術優勢，將物聯網技術與暖通空調系統設計有機地結合起來，從而有效地促進暖通空調領域的發展。

1 物聯網技術概述

物聯網即“萬物相連的互聯網”，其發展與互聯網密切相關，是以互聯網為基礎網絡的延伸與擴展，它可將多種信息傳感設備與互聯網有效結合，形成一個巨大的網絡，實現任何時間、任何空間、人、機、物的連接。其技術組成（簡單版）如圖1所示。物聯網實際上也是一種集信息技術、計算機技術、嵌入式技術和其他科學技術于一體的綜合技術，給人類的生活、工作帶來更方便的體驗[1]。如今，物聯網技術與人工智能技術、大數據技術和云計算技術的結合創造了更多的應用場景，總的來說，物聯網技術促進了網絡技術、信息技術、計算機技術和嵌入式技術的發展，加速了人工智能的應用[2]。

物聯網的體系主要由3個結構組成：（1）感知層：收集各種數據與信息；（2）網絡層：又稱傳輸層，主要功能為將感知層收集的數據傳輸到應用層；（3）應用層：利用信息技術對傳輸的數據進行分類、分析與處理，完成各種任務需求。物聯網技術主要包括5大核心技術：（1）RFID技術：即射頻識別技術，是讓物“開口說話”的關鍵技術，是一種簡單的無線系統，該系統主要包括一個閱讀器與多種標簽，標簽中存儲著規范且具有互用性的信息，通過無線數據通信網絡自動收集到中央信息系統中，實現物品的識別；（2）傳感器技術：是一門多學科的現代科學與工程技術，它從自然資源和過程中獲取信息，并對其進行轉換和識別，主要負責接收物體的“聲音”內容；（3）無線網絡技術：要實現人與人之間無障礙通信，必然離不開高速的無線網絡，才能傳輸大量的數據。無線網絡技術包括藍牙與紅外線技術；（4）人工智能技術：是一種通過計算機模擬某些思維過程和智能行為的技術，其在物聯網主要是通過分析物體的“聲音”內容來實現計算機的自動處理；（5）云計算技術：物聯網終端計算能力與存儲容量是有限的，云計算技術實現了大量數據的存儲與計算[3-4]。

物聯網可以構成許多智能應用，可應用于廣泛的領域，包括幾乎所有的行業。目前，物聯網技術已在暖通空調中得到了廣泛應用，其在暖通空調中應用框架的總體架構如圖2所示，如物聯網嵌入式技術可實現空調的遠程操控、智能控制器可實現中央空調的分戶冷量計費、AI技術可使暖通空調運行達到節能目的，根據建筑物的具體情況在不同的暖通空調系統中引入不同技術，以此來充分發揮物聯網技術的優勢[5]。

2 物聯網技術在暖通空調中的應用優勢

2.1 有利于加強對數據的管控

科學合理地將物聯網技術應用于建筑領域，既可以為居民創造一個舒適的生活環境，還可在建筑設計、數據檢測等方面帶來很多便利。現階段，物聯網技術在暖通空調中應用最明顯的優勢是可以實時控制與診斷暖通空調數據，故空調制造商也在物聯網一體化方向邁進，嘗試開發能夠實時運行的設備。操作人員應充分利用物聯網技術，對暖通空調系統在運行過程中可能出現的問題進行預測管理，以防止空調系統出現故障造成停機，不僅節省了空調維修成本，且可以隨時對空調運行數據進行監控和管理，保證空調系統的正常運行[6]。

2.2 實現節能降耗

暖通空調運行過程中能源消耗較高，因此居民在使用暖通空調的過程中，越來越重視節能環保的性能，而暖通空調設備中引入物聯網技術能夠有效實現節能降耗。例如在傳統的暖通空調使用方式中，無法突破時間、地點限制，只有與空調相隔距離較近才能啟動與停止空調，而物聯網技術的應用可以有效改善這一缺陷，通過智能手機相關APP就可實現對空調的控制，還可以定時開啟與關閉，不僅為居民生活提供了方便，而且在一定程度上實現了能耗最小化，達到了高效、節能、降耗的目的[7]。

3 物聯網技術在暖通空調領域的具體應用

3.1 嵌入式技術在空調系統遠程控制中的應用

人類生活水平不斷提高，對傳統的空調產品也提出了新要求，即是否能夠實現空調開關、溫度等遠程操作。隨著物聯網技術快速發展，利用網絡技術實現對暖通空調遠程控制已成為可能，用戶可利用一個控制器，通過電腦或手機在網絡上實現對暖通空調的遠程控制，包括開機、調溫度、關機等。通常以嵌入式技術為基礎來開發設計用于暖通空調開關的控制器，空調控制部分可由嵌入式微處理器 S3C4510B來實現，再利用S3C4510B的I／O接口外部連接繼電器實現空調系統開關，最后通過climax操作系統實現網絡通信與其他系統功能，以此來實現空調系統的遠程控制[8-9]。

移動終端主控器軟件的設計部分主要包含了uboot移植、系統移植、設備驅動程序編寫、內核編譯、應用程序編寫等。首先啟動Bootloader，通過程序對系統的硬件設備進行初始化并對應的建立起內存空間影射，使系統可以成功調用系統內核進行適當的狀態。主控制器運行系統為UHomeOS，基于該系統提供的開發工作進行編譯和調試，UHomeOS提供了多種開發套件，可以實現賬號服務、uSDK等多種相關的基礎服務能力。在UHomeOS操作系統被啟動后，用戶可以通過移動終端對智能暖通空調設備發送開啟或關閉的相應指令，指令在路由器與WiFi的傳輸下被送至主控制器，在接收到指令后，會記錄其開啟時刻，通過GET請求，從相應服務器API獲取天氣數據，從而實現定期向云平臺上報智能暖通空調的開啟時間與天氣數據，其主控器軟件的流程圖見下圖3所示[10]。

此外，研究人員還利用嵌入式Web技術設計了Web服務器，實現了基于模糊控制算法的遠程監控仿真空調控制系統，并對其進行了測試，結果表明該系統具有良好的性能，以此實現了應用Web服務器對空調進行遠程監控與控制（如圖4所示），且穩定性好，可靠性較高，具有良好的應用前景[11]。

3.2 智能控制器在暖通空調計費系統中的應用

合理使用與控制空調系統，是在滿足舒適要求的同時減少能源消耗的最有效方法，但當前中央空調系統計費需要單獨建立計費網絡，從而增加了系統復雜性。若在冷量計費方面采取分戶冷量計費，不僅增加了成本，且加大了冷量表的維護工作量，因此一般采用其他方法計算冷量，如采用基于時間的計算方法來計算風機盤管機組的風速設定參數與運行時間，這種方法雖然實施起來簡單，但容易產生較大誤差，而通過測試風機、供水、回水溫差與流量等參數計算出的冷量計費方式精度較高，但涉及檢測流量，成本較高且安裝維護不便[12]。

因此，如果研制出一種基于物聯網技術與現代網絡控制技術的智能控制器及相應的終端設備，將暖通空調系統中所有終端設備集成為一體化管理與控制，根據智能控制器的特點，對暖通空調末端設備采用計算空氣焓差的方式進行冷量計算，從而實現中央空調系統冷量分戶計費，該方法比按時計費更經濟實用。當前很多廠家都開發了基于物聯網技術的空調運行管理平臺，可以同時實現分戶冷量計費、設備運行控制和系統管理等功能，為空調節能運行管理提供了有效技術手段[13]。

3.3 人工智能技術在暖通空調系統節能中的應用

人工智能技術（以下簡稱AI技術）在暖通空調中的應用主要是融合傳感技術、通信技術、自動控制技術等實現暖通空調系統的智能控制，使空調在能效最佳點運行，實現智能按需供熱/冷，以此來實現高效節能的AI暖通空調節能系統，見圖5[14]。

AI技術可根據自然環境的變化以及用戶對室內環境舒適要求的感知自動調節供熱/制冷量，采用自適應與自學習策略實現能源按需供應，并且還可根據電壓以與電流值數據的反饋來估測暖通設備使用壽命，分析設備運行最佳狀態，選擇最佳節能方案，促使暖通空調系統高效運行，降低能耗。AI技術主要是采用一種極其緊湊、多芯片、低功耗的物聯網產品實現數據采集與節能控制（如圖6所示），通信軟件則用于對能源設備的運行情況進行采集、分析與控制，通過嵌入節能策略與自學習智能算法科學控制暖通設備的運行，故將AI技術等多項技術應用于暖通空調領域，可以使空調系統資源得到充分利用，實現節能目的[15]。

4 結語

綜上所述，在建筑暖通空調領域中，傳統技術與系統已不能滿足人們對新時代建筑的要求，通過物聯網技術的有效應用，能有效實現暖通空調系統遠程控制、合理計費、節能降耗等方面的使用需求，為建筑暖通空調系統管理提供了有效的技術手段。