關(guān)鍵詞： GSM；SIM300；嵌入式系統(tǒng)；遠程控制
中央空調(diào)末端控制器是中央空調(diào)系統(tǒng)中最重要的裝置之一，對于中央空調(diào)的節(jié)能有著重要意義?，F(xiàn)有的中央空調(diào)末端風閥啟/?？刂朴惺謩娱_閉控制和固定時間調(diào)度的風量控制兩種。啟動后的控制策略常采用PID或模糊控制方法對室內(nèi)溫度進行控制[1，2]。這種由中央空調(diào)控制系統(tǒng)集中的固定調(diào)度算法，雖然控制系統(tǒng)容易實現(xiàn)，但它只適用于負荷和作息時間固定的用戶，如何根據(jù)用戶的實際需求來調(diào)整末端送風裝置調(diào)度時間，是節(jié)能和保持舒適度的關(guān)鍵?，F(xiàn)有按照需求實現(xiàn)遠程末端控制的方式有藍牙技術(shù)和以太網(wǎng)。而藍牙的有效傳輸距離短，以太網(wǎng)又布線復(fù)雜，受地域、環(huán)境、經(jīng)濟條件等影響的限制[3]。
為了解決以上問題，本文設(shè)計實現(xiàn)了一種基于手機SIM卡GSM網(wǎng)絡(luò)的中央空調(diào)末端風閥異地控制模塊。GSM除語音業(yè)務(wù)外，另有短消息數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)[4-8]。該模塊不但可以完成室內(nèi)溫度信息通過GSM網(wǎng)絡(luò)以短信息的形式報告用戶，同時也可以由用戶通過該模塊發(fā)送期望設(shè)定室內(nèi)溫度給末端控制器，完成遠程控制。
本文以Samsung公司的S3C2410芯片作為處理器，以Linux2.6為嵌入式操作系統(tǒng)，基于PID控制策略，通過手機短信的方式對中央空調(diào)末端裝置進行遠程控制，實現(xiàn)了對室內(nèi)溫度的設(shè)置和監(jiān)控，取得了很好的實際效果。
1 末端控制器系統(tǒng)設(shè)計
1.1 控制器系統(tǒng)硬件設(shè)計
本文基于ARM9平臺，采用Linux嵌入式操作系統(tǒng)，以S3C2410處理器為核心。系統(tǒng)硬件主要由以下模塊組成：
(1)GSM/GPRS射頻模塊。用來與GPRS網(wǎng)絡(luò)進行通信的射頻模塊，本文選用Simcom公司推出的工業(yè)級GSM/GPRS雙頻Modem模塊SIM300，具有完整的Modem信號，在網(wǎng)絡(luò)通信時可以作為一個Modem而存在。模塊采用串行接口通信，主要為語音傳輸、短信息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口，帶GPRS功能[9]。SIM300芯片的外圍電路采用了芯片的典型連接，利用阻容充電和施密特觸發(fā)器整形獲得上電后大約1.5 s低電平延時來啟動。
(2)16C550串行接口。16C550是一種用于將并口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)的高速UART芯片，并自帶16位FIFO緩存通道，而且波特率可選。一方面可獲得完整的Modem控制，另一方面也是為了獲得精準的UART波特率，本文在SIM300射頻模塊與處理器組成的控制單元進行串行通信時使用16C550芯片。16C550芯片的虛擬地址為0xdb000000，工作在帶中斷的FIFO方式；其波特率設(shè)置為115200，傳輸無校驗，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，忽略輸入BREAK、幀錯誤和奇偶校驗錯，使用標準模式傳輸。
(3)CPU中央處理單元。采用Samsung公司生產(chǎn)的32/16位高性能基于ARM920T內(nèi)核的RISC微處理器S3C2410，具有低功耗、自帶8通道10位ADC和DAC、并支持NAND Flash和SDRAM存儲器等特點。該單元包括S3C2410微控制器的最小系統(tǒng)、時鐘電路、復(fù)位電路等部分。
(4)輸入輸出單元：模擬房間內(nèi)的溫度傳感器信號輸入到處理器的A/D轉(zhuǎn)換器；處理器通過PID算法得到的輸出量由D/A轉(zhuǎn)換器輸出以控制送風執(zhí)行閥的開度，調(diào)整房間內(nèi)的送風量從而達到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的。
圖1為系統(tǒng)硬件框圖。
1.2 控制器系統(tǒng)軟件設(shè)計
操作系統(tǒng)采用實時性強的Linux2.6內(nèi)核，編譯器使用gcc 4.0.2版本，完成了各個功能模塊的接口函數(shù)。由于在進行嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核開發(fā)時，若交叉編譯工具(特別是gcc)版本較低則無法編譯高版本內(nèi)核，版本過高也不行。因此本文為配合要采用的Linux2.6.18內(nèi)核開發(fā)末端控制器，進行定制開發(fā)交叉編譯環(huán)境。具體如下：crosstool-0.43，binutils-2.16.1.tar.bz2，gcc-4.0.2，glibc-2.3.5，glibc-linuxthreads-2.3.5，linux-libc-headers-2.6.12.0，gdb-6.5，生成交叉編譯工具為arm-9tdmi-linux-gcc。其中短消息通信線程的初始化和主循環(huán)共分為以下4個步驟：
(1)完成串口初始化。系統(tǒng)啟動并完成初始化后，開始反復(fù)讀取16C550芯片發(fā)來的串口數(shù)據(jù)。當GSM模塊收到新短信后，通過串口向處理器發(fā)送1個字符串。該字符串格式、長度及內(nèi)容都是固定的，以+CMTI開頭，以此為依據(jù)判斷是否新短信到來。
(2)向SIM300模塊發(fā)送讀取短消息的AT指令，判斷短消息內(nèi)容。首先通過手機號來判斷短消息是否由用戶發(fā)來。如果短消息由用戶發(fā)來，則判斷用戶發(fā)送的指令，否則直接刪除。
(3)如果用戶發(fā)送的內(nèi)容是“設(shè)定溫度XX”(XX代表二位溫度值)，則將“XX”通過解碼函數(shù)解碼成ASCII字符，再通過換算得到用戶期望設(shè)置的溫度發(fā)送給溫度控制模塊，最后刪除該信息。如果用戶發(fā)送的內(nèi)容是“查詢狀態(tài)”，則將當前溫度值和室內(nèi)狀態(tài)以短消息的形式發(fā)送給用戶手機，最后同樣刪除該信息。
(4)處理器繼續(xù)讀取串口數(shù)據(jù)。
短消息通信程序流程如圖2所示。
處理器通過串口與GSM模塊通信，串行通信的基本參數(shù)有：波特率、數(shù)據(jù)位、停止位及校驗方式等。串口驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)了對串口的讀寫操作，給應(yīng)用程序提供發(fā)送接收數(shù)據(jù)的接口。串口正常工作之前，需要進行初始化設(shè)置，選擇串口工作方式，設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)格式及中斷，建立數(shù)據(jù)隊列和信號量。應(yīng)用程序只要調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)，就可以實現(xiàn)相應(yīng)的功能。
以串口發(fā)送一個字符串為例介紹發(fā)送程序，其中buf表示要發(fā)送的字符串，nbytes表示字符的個數(shù)：
int tty_write(char*buf，int nbytes)
{
int i；
for(i=0；i<nbytes；i++) {
write(tty_fd，&buf[i]，1)；
usleep(100)；
}
return tcdrain(tty_fd)；
}
短消息的接收與發(fā)送由處理器和SIM300模塊通過16C550芯片串行通信完成，處理器向SIM300模塊發(fā)送AT指令讀取或發(fā)送短消息。發(fā)送中文短信息時，發(fā)送的是漢字的UCS2編碼，所以在初始化SIM300模塊時須發(fā)送指令“AT+CMGF=0”，把模塊的短消息工作模式設(shè)置為PDU模式，以UCS2編碼方式發(fā)送短消息。同樣，SIM300模塊收到的短消息也是PDU編碼方式，要讀取出用戶發(fā)送的中文指令就必須將消息內(nèi)容解碼成ASCII字符。根據(jù)實際應(yīng)用情況（發(fā)送漢字信息較少且固定），從節(jié)約系統(tǒng)資源的角度考慮，直接查找漢字的UCS2編碼表，查出要發(fā)送漢字的UCS2碼并發(fā)送。
發(fā)送短消息首先要向SIM300模塊發(fā)送整個短消息代碼位數(shù)的16進制數(shù)，之后是短信頭代碼“001100D”、中國區(qū)號“＋86”的編碼“9168”和發(fā)送的目的手機號碼。此處的目的手機號碼必須是每兩位互換得來，由于手機號碼是11位，最后一位用“N”補齊，而短消息內(nèi)容是用UCS2碼編寫，所以繼續(xù)發(fā)送編碼方式代碼“0008A7”，最后才是短消息正文的UCS2碼。
當有新消息到達時，收到的數(shù)據(jù)包內(nèi)封裝了消息發(fā)送時間、來自的手機號碼和消息正文。如果來自的手機號碼與預(yù)先設(shè)置的用戶號碼不一致則直接將短消息刪除；一致則繼續(xù)判斷短消息正文。由于接收到的短消息也是由UCS2編碼處理過的中文，所以把消息正文內(nèi)容與預(yù)先約定好的“設(shè)定溫度”和“當前狀態(tài)”兩種UCS2編碼相比較后分別轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理函數(shù)，若與約定的兩種編碼都不一致，則視為錯誤消息刪除。
本文全部程序代碼由C語言編寫，短消息發(fā)送部分代碼如下：
void gprs_msg(char*number，char*msgr)//短信發(fā)送函數(shù)
{
char ctl[]={26，0}；
char head[]=″0011000D9168″；//短信頭代碼及中國區(qū)號
char headmsg[]=″0008A7″；//短信編碼方式代碼
unsigned int count；
char sum[2]；
tty_writecmd(″at″，strlen(″at″))；
tty_writecmd(″at″，strlen(″at″))；
tty_write(″at+cmgs=″，strlen(″at+cmgs=″))；
count=strlen(msgr)/2+14；//計算短信長度
sum[0]=(char)(count/10+48)；
sum[1]=(char)(count%10+48)；//將短信長度
//解碼為16進制
tty_writecmd(sum，2)；
tty_write(head，strlen(head))；
tty_write(number，strlen(number))；
tty_write(headmsg，strlen(headmsg))；//發(fā)送短信頭
tty_write(msgr，strlen(msgr))；//發(fā)送短信正文
tty_write(ctl，1)；
tty_write(″\r″，strlen(″\r″))；//發(fā)送短信結(jié)束代碼
usleep(300000)；//進程休眠
printf(″Message sent.\n″)；
}
上述函數(shù)封裝了PDU模式發(fā)送短消息的頭信息和正文字符長度等，參數(shù)僅為目的手機號碼的PDU編碼和短消息正文的UCS2編碼。這樣做避免了大量的重復(fù)代碼，也提高了程序的運行效率。
1.3 增量式PID控制策略
PID是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出y(t)構(gòu)成控制偏差：
式中：KP為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。
由于計算機處理的是數(shù)字量，控制器的驅(qū)動對象是風閥執(zhí)行器，所以控制系統(tǒng)中使用的控制策略是數(shù)字增量式PID。
u(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)
以下是增量式PID控制策略的實現(xiàn)函數(shù)：
double PID(double feedback)
{
double Err，pErr，dErr，dU；
Err=Command-feedback；//當前誤差
pErr=Err-ppreErr；//比例項增量式誤差
dErr=Err-2*preErr+pre2Err；//微分項增量式誤差
dU=Proportion*pErr+pDerivative*dErr+ Integral*Err；
//控制量增量
pre2Err=preErr；
preErr=Err；
return dU；
}
2 實驗
本實驗對象以1.3噸的中央空調(diào)系統(tǒng)的實物模型為例，該系統(tǒng)可以模擬中央空調(diào)多種運行模式，并可以通過對執(zhí)行風閥輸入模擬信號來調(diào)節(jié)風閥的具體開度，以此來調(diào)整送入房間的送風量，達到控制模擬房間制冷量的目的。本實驗對象有2個模擬房間，其中末端裝置的驅(qū)動閥為TANG TECH TM04～24，溫濕度傳感器為VECTOR ADS-H1T1。嵌入式控制器的D/A輸出的0～4.096 V信號經(jīng)放大至0～10 V后，直接驅(qū)動風閥驅(qū)動器。模擬房間的的溫濕度傳感器輸出范圍為1～5 V，直接輸入處理器內(nèi)部A/D的AIN[0]腳。
系統(tǒng)提供了兩種用戶短消息內(nèi)容的識別，分別是“設(shè)定溫度XX”和“查詢狀態(tài)”。如用戶發(fā)送“查詢狀態(tài)”，而當前室內(nèi)狀態(tài)為23℃，則系統(tǒng)自動向用戶返回短消息“溫度：23；狀態(tài)：正常”。如果室內(nèi)是異常溫度，則系統(tǒng)發(fā)送短消息自動報警“溫度60；狀態(tài)警告”。如果用戶發(fā)送“設(shè)定溫度23”，則系統(tǒng)將當前室內(nèi)設(shè)定溫度改為23℃，并回復(fù)“已設(shè)定溫度23”。此時本地的控制器以PID進行溫度控制。
為了使用戶可以方便關(guān)閉室內(nèi)控制器，而又不需要增加其他的短消息內(nèi)容，本文設(shè)置了最高溫度限制50℃。當用戶發(fā)送“設(shè)定溫度”大于49℃時，系統(tǒng)認為用戶要求關(guān)閉控制器，繼而把溫度設(shè)定點改為OFF，風閥完全關(guān)閉，同時返回短消息“已關(guān)閉”。采用這種方法，既保證了系統(tǒng)有關(guān)閉風閥的功能，又不需要添加新的短消息命令。控制器關(guān)閉后，如果用戶再次發(fā)送短消息設(shè)置室內(nèi)溫度為正常范圍內(nèi)的溫度，則控制器重新開啟。
短消息命令詳情見表1。
為了測試系統(tǒng)節(jié)能實際效果，在室外溫度9℃的條件下開啟2個模擬房間的末端控制器，并設(shè)置預(yù)期室內(nèi)溫度23℃。假定2個房間中，模擬房間一8：00有人，模擬房間二9：00開始有人；通過計算表明，9：00開啟模擬房間二的室內(nèi)控制器要比8：00同時開啟2個模擬房間的室內(nèi)控制器節(jié)約全天所耗能量的7%左右。
本文實現(xiàn)了GSM遠程控制方法，通過手機短信方式，對中央空調(diào)系統(tǒng)末端裝置進行控制及對室內(nèi)溫度進行實時監(jiān)控和管理。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)可以方便、靈活、快捷、按需調(diào)節(jié)房間的溫度，實現(xiàn)節(jié)能。并且，系統(tǒng)可擴充性強，在軟件升級后還可實現(xiàn)如末端能量計量等更多功能。
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