基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的中央空調(diào)實(shí)時(shí)溫度在線監(jiān)測方法

摘要：中央空調(diào)系統(tǒng)常處于復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境，受多種因素干擾，存在溫度監(jiān)測精度較低的問題。基于此，文章提出了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的中央空調(diào)實(shí)時(shí)溫度在線監(jiān)測方法。該方法構(gòu)建了溫度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，利用無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸與協(xié)同，完成各節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取。實(shí)驗(yàn)證明，該方法能夠精確獲取中央空調(diào)的溫度數(shù)據(jù)，快速掌握其運(yùn)行狀態(tài)及室內(nèi)溫度分布，為智能控制與節(jié)能管理提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；中央空調(diào)；實(shí)時(shí)溫度；在線監(jiān)測

中圖分類號：TD76" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，中央空調(diào)系統(tǒng)作為現(xiàn)代建筑環(huán)境中的重要組成部分，其運(yùn)行效率和能源利用率的提升成為研究重點(diǎn)。傳統(tǒng)的有線溫度監(jiān)測方法由于布線復(fù)雜、靈活性不足，已難以滿足現(xiàn)代中央空調(diào)系統(tǒng)的需求。在此背景下，本文提出了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的中央空調(diào)實(shí)時(shí)溫度在線監(jiān)測方法。無線傳感網(wǎng)絡(luò)憑借其布線簡便、易于擴(kuò)展等優(yōu)勢，特別適用于中央空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測［1］。該方法主要通過部署無線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對空調(diào)環(huán)境溫度的精準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，通過無線通信方式將數(shù)據(jù)傳輸至中央監(jiān)控中心進(jìn)行綜合分析。

1 部署無線傳感網(wǎng)絡(luò)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)因其靈活性、高效性和實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，在溫度在線監(jiān)測中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。因此，本文在中央空調(diào)系統(tǒng)中部署了無線傳感網(wǎng)絡(luò)，旨在實(shí)現(xiàn)對溫度的精確監(jiān)測。測溫節(jié)點(diǎn)由4個(gè)核心部分組成［2］，其采用MSP430F2012微控制器，輔以DS18B20溫度傳感器和nRF24L01無線模塊，確保實(shí)時(shí)采集中央空調(diào)溫度數(shù)據(jù)。DS18B20溫度傳感器通過一線接口與MSP430F2012的P1.0端口相連，實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)傳輸［3］。MSP430F2012微控制器接收數(shù)據(jù)后，將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度值，與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較。一旦溫度超過閾值，便通過nRF24L01無線模塊向基站發(fā)送預(yù)警信息；若在安全范圍內(nèi)，則保存數(shù)據(jù)并定期更新至基站。

根據(jù)中央空調(diào)系統(tǒng)的特性，本文首先選擇關(guān)鍵部位進(jìn)行傳感器的部署。具體地，本文將編號為S1—S5的傳感器分別部署在機(jī)房、送風(fēng)口1、送風(fēng)口2、回風(fēng)口1、回風(fēng)口2等關(guān)鍵位置；同時(shí)，合理配置傳感器通信協(xié)議與傳輸頻率，確保數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)、可靠地傳輸至中央處理器。通過精心部署傳感器節(jié)點(diǎn)，本文構(gòu)建了一個(gè)覆蓋全空調(diào)區(qū)域的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，通過無線方式傳輸至中央監(jiān)控中心。中央監(jiān)控中心對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，從而實(shí)時(shí)掌握空調(diào)環(huán)境的溫度分布狀況。

2 建立溫度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)聯(lián)系

在完成無線傳感網(wǎng)絡(luò)部署后，一旦傳感器節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)，將立刻啟動(dòng)內(nèi)置的DS18B20溫度傳感器，采集所在位置的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。在完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，傳感器節(jié)點(diǎn)會進(jìn)入低功耗的休眠狀態(tài)，以節(jié)省能量并延長使用壽命。當(dāng)休眠時(shí)間到達(dá)預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)會被再次喚醒并重復(fù)上述流程。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)被喚醒后，立即啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)搜索功能，尋找其通信范圍內(nèi)的可用網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器在接收入網(wǎng)請求后，根據(jù)預(yù)設(shè)的條件與算法，決定此節(jié)點(diǎn)的訪問請求是否被接納。當(dāng)協(xié)調(diào)器決定將這個(gè)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，系統(tǒng)就會賦予這個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)獨(dú)一無二的網(wǎng)址，讓該網(wǎng)址作為節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)路中的識別碼［4］。節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)流程如圖1所示。

在保障中央空調(diào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測的準(zhǔn)確性和高效性方面，本文通過節(jié)點(diǎn)的精心初始化來確保其內(nèi)部組件的穩(wěn)定性和可靠性；節(jié)點(diǎn)將通過入網(wǎng)流程，與其他節(jié)點(diǎn)建立通信聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的順暢傳輸和實(shí)時(shí)共享。這2個(gè)關(guān)鍵步驟共同構(gòu)建了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為后續(xù)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測提供了強(qiáng)有力的支撐，確保其能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地掌握中央空調(diào)系統(tǒng)的溫度狀況。

3 讀取中央空調(diào)實(shí)時(shí)溫度實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測

在上述準(zhǔn)備工作完成后，對中央空調(diào)實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行在線監(jiān)測。利用無線收發(fā)控制模塊將采集的數(shù)據(jù)包準(zhǔn)確、高效地傳輸至中央監(jiān)控中心，其具體過程如圖2所示。

DS18B20溫度傳感器需要通過單線式以及MSP430F2012通信，每次通信前須要進(jìn)行初始化處理。初始化包括置高電平、短暫延時(shí)、再置高并釋放數(shù)據(jù)線。若DS18B20在15～60 ms內(nèi)回應(yīng)“0”信號，則初始化成功；否則，被視為失敗并采取錯(cuò)誤處理［5］。成功后，進(jìn)行ROM（針對內(nèi)部存儲器特定區(qū)域）和RAM（讀取/寫入溫度數(shù)據(jù)）操作。MSP430F2012通過精確時(shí)序和命令序列從DS18B20讀取溫度數(shù)據(jù)。在讀取到中央空調(diào)實(shí)時(shí)溫度后進(jìn)行傳輸。本文采用nRF24L01的Enhanced ShockBurst模式，該模式相較于傳統(tǒng)的ShockBurst模式增加一個(gè)數(shù)據(jù)傳送確認(rèn)信號，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ诰€監(jiān)測過程如下：

（1）MSP430F2012寫入Tx、Rx節(jié)點(diǎn)的地址。

（2）啟用自動(dòng)應(yīng)答和PIPE 0，確保數(shù)據(jù)的正確接收和響應(yīng)。

（3）設(shè)置自動(dòng)重發(fā)次數(shù)、通信頻率、發(fā)射參數(shù)以及數(shù)據(jù)寬度等參數(shù)。

（4）所有配置完成，MSP430F2012將數(shù)據(jù)按照特定的時(shí)序通過SPI口寫入nRF24L01的緩存區(qū)。

（5）將CE（芯片使能）置為高電平，經(jīng)過一段延時(shí)后，數(shù)據(jù)就會被發(fā)送到溫度監(jiān)測中心。

（6）nRF24L01在傳輸結(jié)束后，進(jìn)入接收狀態(tài)，在接收端等待回復(fù)信號，如果成功地接收了回復(fù)，TX_DS（發(fā)射完成標(biāo)志）將被置高，同時(shí)TX_PLD（發(fā)射數(shù)據(jù)堆棧）中的數(shù)據(jù)將被清除，nRF24L01會自動(dòng)重新發(fā)送數(shù)據(jù)［6］，在這一過程中，重新發(fā)送的等待時(shí)間為300 μs，而在本設(shè)計(jì)中初始的重新發(fā)送次數(shù)被設(shè)置為3次。

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本次實(shí)驗(yàn)搭建了一個(gè)模擬的中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸頻率為每秒更新一次，速率達(dá)到2 MBit/s，同時(shí)在室內(nèi)環(huán)境下確保30 m的通信距離。當(dāng)中央空調(diào)模擬系統(tǒng)啟動(dòng)后，研究人員密切關(guān)注傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況，觀察其是否能夠準(zhǔn)確采集溫度數(shù)據(jù)，通過無線收發(fā)模塊將這些數(shù)據(jù)快速傳輸至中央監(jiān)控中心。在中央監(jiān)控中心設(shè)備上，研究人員實(shí)時(shí)查看這些溫度數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行初步分析。為獲得更加全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，研究人員重復(fù)實(shí)驗(yàn)，在不同條件下記錄了溫度數(shù)據(jù)，以便于進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)分析和性能評估。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證本文方法的優(yōu)越性，本文選取基于紅外測溫的方法、基于傳統(tǒng)模擬儀表的方法作為對比方法，利用3種方法在相同的中央空調(diào)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

通過表1數(shù)據(jù)可見，本文提出的方法在精度方面表現(xiàn)優(yōu)秀，其誤差率大多維持在0.5%～1%，優(yōu)于傳統(tǒng)的模擬儀表方法。由此可以證明，本文提出的方法在中央空調(diào)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，可為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行與能效提升提供有力的技術(shù)支持。

5 結(jié)語

為了提高中央空調(diào)溫度的監(jiān)測效果，本文提出了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的中央空調(diào)實(shí)時(shí)溫度在線監(jiān)測方法。該方法在監(jiān)測中央空調(diào)實(shí)時(shí)溫度精度方面表現(xiàn)優(yōu)越，可為中央空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和能效提升提供有力支持。在未來的研究工作中，本文將探索更高效的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和部署方法，進(jìn)一步提高溫度監(jiān)測的精度與范圍。

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（編輯 王永超）

Real-time temperature on-line monitoring method of central air conditioning based on wireless sensor network

LI" Qiyu， GUAN" Qingpeng

（School of Mechano-Electronic Engineering， Henan Mechanical and Electrical Vocational College，

Zhengzhou 451192， China）

Abstract： The central air conditioning system is often located in complex indoor environments and is affected by various factors， resulting in low temperature monitoring accuracy. Based on this， this article proposes a real-time temperature online monitoring method for central air conditioning based on wireless sensor networks. This method constructs a network connection between temperature monitoring nodes， and utilizes wireless communication technology to achieve efficient data transmission and collaboration， completing real-time reading of temperature data for each node. Experimental results have shown that this method can accurately obtain temperature data of central air conditioning， quickly grasp its operating status and indoor temperature distribution and provide strong data support for intelligent control and energy-saving management.

Key words： wireless sensor network; central air conditioning; real-time temperature; online monitoring

作者簡介：李啟玉（1993— ），女，助教，碩士；研究方向：電氣工程，傳感器。