山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院 張嘯 何小虎2012《控制與傳動(dòng)》第1期

一引言

　　樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中中央空調(diào)子系統(tǒng)占有重要的地位，目前中央空調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方式很多，有采用單片機(jī)，接口采用RS485,現(xiàn)場總線或者以太網(wǎng)，能實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能；還有采用PLC，比如西門子的S7-200實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控。目前單片機(jī)種類很多，能實(shí)現(xiàn)本采集監(jiān)控功能的芯片選擇范圍也較廣，比如MEGA系列，freescale系列等，另外高端的芯片本身帶有豐富的接口，實(shí)現(xiàn)更加方便，但是成本較高，另外基于PLC的中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)成本瓶頸限制了其進(jìn)一步的推廣。所以開發(fā)一套低成本、高可靠性的中央空調(diào)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是很有必要的。

　　二方案選擇

　　最近今年，單片機(jī)的功能得到極大的提高，存儲(chǔ)容量，數(shù)據(jù)處理速度，外圍擴(kuò)展能力，通訊功能等都了很大的提高，功能逐漸完善，再加上低成本的優(yōu)勢，市場占有率不斷攀升。

　　本系統(tǒng)主要功能集中在對(duì)中央空調(diào)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控的參數(shù)包括空調(diào)溫度值，空調(diào)的開關(guān)機(jī)狀態(tài)，空調(diào)風(fēng)機(jī)的速度檔以及制冷制熱狀態(tài)。選用單片機(jī)作為下位機(jī)，上位監(jiān)控軟件采用微軟的VisualBasic即可滿足控制要求。

　　三系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

　　目前的中央空調(diào)系統(tǒng)按輸送介質(zhì)主要有以下三類：空氣，水和冷凝劑，所以相應(yīng)的中央空調(diào)系統(tǒng)主要分為風(fēng)管系統(tǒng)、冷熱水系統(tǒng)和制冷劑系統(tǒng)。本方案主要適用對(duì)象是冷熱水系統(tǒng)。冷熱水系統(tǒng)分主機(jī)和風(fēng)機(jī)盤管，主要工作原理是通過室外主機(jī)產(chǎn)生出空調(diào)的冷熱水，由管道系統(tǒng)送至室內(nèi)的各末端裝置，在末端處冷熱水與室內(nèi)空氣進(jìn)行熱量交換，產(chǎn)生冷熱風(fēng)，從而消除房間空調(diào)負(fù)荷。冷熱水空調(diào)系統(tǒng)的末端通常都裝有風(fēng)機(jī)盤管，風(fēng)機(jī)盤管的控制原理采用溫控器加電動(dòng)閥結(jié)構(gòu)，如圖1示。所以可以通過調(diào)節(jié)末端風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)送入室內(nèi)的冷熱量，由此可見，此種系統(tǒng)的特點(diǎn)是可以對(duì)各個(gè)末端（房間進(jìn)行）單獨(dú)的控制和調(diào)節(jié)。

　　室內(nèi)溫度可由設(shè)于每臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管回水支管上與各房間內(nèi)的溫度傳感器連鎖的電動(dòng)三通閥調(diào)節(jié)，亦可由風(fēng)機(jī)盤管三速開關(guān)調(diào)節(jié)。



　　圖1風(fēng)機(jī)盤管控制原理圖

　　對(duì)該風(fēng)機(jī)盤管（如圖2所示）的介紹：

　　(1)系統(tǒng)控制-------溫度控制器放在溫度需要調(diào)節(jié)的房間內(nèi)，它具有ON/OFF兩個(gè)通斷狀態(tài)，可以直接控制系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉。

　　(2)溫度控制--------溫度控制器上設(shè)有溫度設(shè)定按鈕，在溫控器內(nèi)有兩對(duì)觸電，夏季動(dòng)作時(shí)將溫度控制器選擇開關(guān)撥到“COOL”檔，對(duì)盤管供應(yīng)冷凍水，當(dāng)溫度控制低于設(shè)定值時(shí)，其中一對(duì)觸電斷開，電動(dòng)閥失電；當(dāng)房間溫度高于設(shè)定值時(shí)，另一對(duì)觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)閥得電；反之，在冬季運(yùn)作時(shí)，將溫控器選擇開關(guān)撥到“HEAT”檔，對(duì)盤管供應(yīng)熱水，當(dāng)房間溫度高于設(shè)定值時(shí)，電動(dòng)閥其中一對(duì)觸點(diǎn)斷開，電動(dòng)閥失電，當(dāng)房間溫度低于設(shè)定值時(shí)，另一對(duì)觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)閥得電，從而使房間萬溫度在冬夏季維持在一定的范圍內(nèi)。

　　(3)電動(dòng)閥控制-------電動(dòng)閥的動(dòng)作直接受溫控器的控制，電動(dòng)閥得電時(shí)，閥門開啟，向風(fēng)機(jī)盤管供應(yīng)冷熱水；失電時(shí)，電動(dòng)閥斷開。從而使溫度控制在一定的范圍之內(nèi)。

　　(4)風(fēng)機(jī)控制---------當(dāng)溫控器處于“ON”狀態(tài)時(shí)，可以通過另一組轉(zhuǎn)換開關(guān)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行高、中、低三檔調(diào)節(jié)。



　　圖2風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)器控制原理及動(dòng)作

　　本系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)盤管的引線如圖3所示



　　圖3風(fēng)機(jī)盤管引線

　　本系統(tǒng)下位部分是由溫控器部分，采集器部分、中間站部分和上位機(jī)監(jiān)控部分組成。

　　末端控制器（溫控器）采集下位的有效信號(hào)，如溫度值，空調(diào)開關(guān)機(jī)狀態(tài)，空調(diào)的制冷制熱狀態(tài)以及風(fēng)機(jī)的風(fēng)檔，經(jīng)RS485串行總線傳至采集器，采集器一方面負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，另一方面接收上位機(jī)下傳的命令。

　　如果采集器數(shù)量較多的話，可以附加中間站，功能和采集器類似，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和命令的傳達(dá)，如果是單棟樓的話中間站可以不加以太網(wǎng)接口，就能實(shí)現(xiàn)單棟樓宇的中央空調(diào)的集中控制。如果有多棟樓宇的話，中間站擴(kuò)展以太網(wǎng)接口模塊，實(shí)現(xiàn)多棟樓宇中央空調(diào)的遠(yuǎn)程集中控制。

　　遠(yuǎn)程電腦當(dāng)作客戶端，采用可視化編程軟件VisualBasic實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。

　　四系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

　　遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。



　　圖4中央空調(diào)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

　　2硬件選擇

　　選用Atmel公司的高檔8位Atmega系列單片機(jī)，擴(kuò)展串行接口（RS485接口）和以太網(wǎng)接口，以太網(wǎng)控制器選用Microship公司的ENC28J60。在實(shí)現(xiàn)每棟樓宇的中央空調(diào)集中控制的基礎(chǔ)上,采用C/S結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制，實(shí)現(xiàn)多棟樓宇中央空調(diào)的遠(yuǎn)程集中控制。

　　具體來講，溫控器采用Atmega8芯片和溫度傳感器芯片18B20，附加數(shù)碼管顯示和按鍵控制；采集器采用Atmega162；中間站芯片采用Atmega64和ENC28J60。

　　3軟件配置

　　溫控器，采集器，中間站都采用C語言編程，上位監(jiān)控部分采用VB編寫。

　　4數(shù)據(jù)庫選擇

　　由于數(shù)據(jù)庫選擇的余地較大，本系統(tǒng)采用微軟辦公軟件包自帶的Access數(shù)據(jù)庫，用于存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)，包括各個(gè)空調(diào)的實(shí)時(shí)溫度值，溫度設(shè)定值，開關(guān)機(jī)狀態(tài)，風(fēng)機(jī)的速度檔（高速、中速、低速）及所處狀態(tài)的運(yùn)行時(shí)間。

　　5系統(tǒng)各層結(jié)構(gòu)圖

　　(1)溫控器層



　　圖5.1溫控器層結(jié)構(gòu)圖

　　末端（各個(gè)房間）的溫度控制是由一個(gè)溫控器（如圖5.1所示）來實(shí)現(xiàn)的，溫控器的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的重點(diǎn)之一。本系統(tǒng)中，中央空調(diào)各個(gè)房間的溫度是靠控制風(fēng)機(jī)盤管的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的，通過單片機(jī)的I/O控制三個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)高速、中速與低速的風(fēng)機(jī)控制，從而實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)。

　　按鍵主要用于各參數(shù)設(shè)置。設(shè)置5個(gè)按鍵，分別為MODE、風(fēng)機(jī)風(fēng)速擋選擇、電源開關(guān)、調(diào)節(jié)溫度上升鍵，調(diào)節(jié)溫度上升鍵。



　　圖6溫控器實(shí)物圖

　　按鍵（如圖6所示）說明：MODE鍵用于選擇制冷制熱狀態(tài)；

　　風(fēng)速擋鍵按1，2，3，4下代表風(fēng)機(jī)高速，中速，低速，自動(dòng)運(yùn)行；

　　電源鍵用于控制空調(diào)的運(yùn)行與停止；

　　每按一次提高溫度鍵、降低溫度鍵，設(shè)定溫度相應(yīng)的增加、降低1攝氏度。

　　顯示采用LCD液晶顯示，顯示當(dāng)前溫度值、設(shè)定溫度值、鎖機(jī)狀態(tài)、制冷制熱狀態(tài)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速檔。這些參數(shù)也可由上位統(tǒng)一設(shè)置。

　　芯片選擇：由于采集的數(shù)據(jù)量較少，選用Atmega8。

　　(2):采集器層



　　圖5.2采集器層結(jié)構(gòu)圖

　　采集器（如圖5.2所示）負(fù)責(zé)采集末端溫控器上傳的數(shù)據(jù)及中間站或上位機(jī)下傳的控制命令。采集器帶雙串口分別與末端溫控器和中間站進(jìn)行通信。該層設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)采集器負(fù)責(zé)接收8路末端數(shù)據(jù)，功能類似與集線器。采集器數(shù)據(jù)采集方式采用輪詢。

　　芯片選擇：考慮到采集器必須分別與末端和中間站進(jìn)行RS485通信，所以選用帶雙串口接口的Atmega162。

　　(3)中間站層



　　圖5.3中間層結(jié)構(gòu)圖

　　中間站層（如圖5.3所示）負(fù)責(zé)與采集器和上位機(jī)進(jìn)行通信，接收采集器數(shù)據(jù)和下傳上位機(jī)控制命令。中間站增加的目的是為了實(shí)現(xiàn)多棟樓宇的遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過附加以太網(wǎng)控制模塊并在主芯片中移植TCP/IP協(xié)議，為數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳提供了很好的解決方案。

　　芯片選擇：以太網(wǎng)通信模塊選擇ENC28J60，該以太網(wǎng)控制器與IEEE802.3兼容，集成MAC和10BASE-TPHY,另外該芯片只有28引腳，占空間較小，如圖7所示。主芯片選擇Atmega64,64KB的FLASH,豐富的外圍接口，性價(jià)比較高。

　?。?）上位機(jī)層

　　上位機(jī)作為客戶端采集各個(gè)中間站的數(shù)據(jù)，并能遠(yuǎn)程控制各個(gè)末端的溫度值，實(shí)現(xiàn)單個(gè)末端的溫度控制和一層或多層或一棟樓的溫度設(shè)定與采集，如表1所示。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)選擇Access數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)空調(diào)采集的數(shù)據(jù)，考慮到Access數(shù)據(jù)庫2GB的存儲(chǔ)容量，選擇Access數(shù)據(jù)庫完全能滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

　　圖7ENC28J60外圍電路



　　表1上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的功能

　　五關(guān)鍵技術(shù)

　　1TCP/IP協(xié)議的移植

　　為了實(shí)現(xiàn)中間站于遠(yuǎn)程電腦的通信，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，中間站增加以太網(wǎng)通信模塊并在主芯片Atmega64中移植TCP/IP協(xié)議，這是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。

　　2末端溫控器的設(shè)計(jì)

　　按鍵功能的合理分配以及軟件實(shí)現(xiàn)是系統(tǒng)功能完善性的基礎(chǔ)。

　　3上位監(jiān)控軟件的可靠性和可擴(kuò)展性

　　為防止由于線路故障或通信出錯(cuò)導(dǎo)致長時(shí)間的待機(jī)或死機(jī)，上位軟件中必須加入延時(shí)等待超時(shí)判斷和通信計(jì)數(shù)方法。

　　另外考慮到不同場合的樓數(shù)、樓層數(shù)、樓層房間的差別，上位設(shè)計(jì)時(shí)須具備可選性。

　　六結(jié)束語

　　本文提出了一種性價(jià)比較高的中央空調(diào)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，特別適用于末端數(shù)量、樓層、樓數(shù)較多的場合。設(shè)計(jì)過程中充分考慮了故障處理措施，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性，對(duì)樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中的中央空調(diào)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。