摘 要： 設計了一種基于嵌入式平臺的網絡化中央空調控制系統(tǒng)。通過對中央空調前端設備的網絡化管理，實現對中央空調系統(tǒng)的集中控制。系統(tǒng)采用網絡化結構，分為控制面板、空調執(zhí)行器和中心控制端三個部分。中心控制端通過B/S模式控制每個房間空調的運行模式，并收集前端空調運行數據進行處理；采用QVGA彩色液晶屏，自主設計GUI框架并嵌入彩色中文液晶界面，實現了友好的人機交互。實驗結果及實踐表明：系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，性價比高，實現了中央空調的智能化聯網控制。
關鍵詞： 中央空調；聯網控制；Cortex-M3；Cortex-M0；GUI框架設計；節(jié)能減排
近年來，中央空調系統(tǒng)被廣泛應用于大中型建筑的室內溫濕度調節(jié)。在大中型建筑中，中央空調系統(tǒng)相比于分體空調具有使用方便、投資低、噪音小、維護容易等眾多優(yōu)勢。然而，目前市面上的中央空調控制系統(tǒng)仍面臨著許多問題：(1)中央空調控制系統(tǒng)大多仍采用房間獨立控制的分散控制方式，在房間較多的建筑中進行空調開關及溫度的管理耗時費力[1]；(2)空調運行于門開窗開及房間無人等情況下易造成大量的能源浪費；(3)市面上的空調控制器大多為黑白段式液晶顯示，缺少直觀易用的用戶界面。針對這些問題，本文充分運用嵌入式技術，設計并實現了一套針對全水式中央空調[2]的網絡化控制系統(tǒng)，通過對中央空調系統(tǒng)進行網絡化、智能化的統(tǒng)一控制，實現了中央空調系統(tǒng)前端的無人值守。同時在保證性能的情況下，通過在小容量低成本控制器上設計硬件和控制程序，并自主設計用于小型嵌入式設備的GUI框架，充分降低了實現成本。該系統(tǒng)于2013年3月在泉州中國人民解放軍第180醫(yī)院眼科樓安裝238套，至今運行穩(wěn)定可靠，極大地方便了樓棟病房空調的管理。
1 系統(tǒng)總體設計
網絡化中央空調控制系統(tǒng)的網絡拓撲采用總線型結構，其網絡拓撲如圖1所示。
系統(tǒng)包括控制面板、空調執(zhí)行器及PC中心控制端三部分?？刂泼姘搴涂照{執(zhí)行器是安裝在空調房內的控制設備，所有前端設備都通過TCP/IP網絡互連。相比于使用CAN總線[3]等通信方式的方案，TCP/IP網絡增加了系統(tǒng)的控制并提高了反應速度，節(jié)省了布線成本，并且可以使利用大樓的現有網絡?？刂泼姘遑撠煵杉块g溫度，并提供彩色中文液晶界面供用戶讀取和設置空調信息，同時通過串口通信將采集和設置的數據上傳到空調執(zhí)行器。空調執(zhí)行器通過控制電路操作房間內的空調風機和冷凍水閥門，同時通過TCP/IP網絡向PC中心控制端上傳房間的空調運行參數并接收命令。PC中心控制端負責監(jiān)管接入網絡的空調執(zhí)行器，并且支持以B/S模式單獨和批量配置空調的工作方式。同時，PC中心控制端匯總空調執(zhí)行器上傳的實時數據，進行統(tǒng)計分析。系統(tǒng)每個部分均設置了軟硬件看門狗，確保了長時間穩(wěn)定運行。
2 控制面板設計
2.1 硬件方案
控制面板硬件模塊如圖2所示。為了充分降低成本，控制面板使用主控芯片為新唐公司出品的基于Cortex-M0平臺的ISD9160芯片[4]?；贑ortex-M0架構的芯片是市場上現有的性價比最高、能耗最低、最節(jié)能的ARM處理器。ISD9160的工作頻率可達48 MHz。
模塊采用外部12 V直流電壓供電。根據散熱需求，兼顧成本、效率，本文選擇開關電源芯片MC34063作為穩(wěn)壓IC。在室內溫度采集上，控制面板采用適用于低成本快速溫度檢測的NTC熱敏電阻測溫方式，相對于DS18B20這類的集成溫度采集芯片，在保證檢測精度情況下，提高了檢測速度，并且節(jié)約了成本。液晶顯示上，本文使用硬件SPI接口驅動三星S6D1121為主控IC的2.4寸QVGA彩屏。
2.2 軟件方案
本文在控制面板彩色液晶屏上實現了簡潔實用的中文操作界面，空調的實時運行狀況一目了然。用戶可以通過按鍵操作房間空調，人機交互界面友好。彩屏中文界面如圖3所示。
嵌入式系統(tǒng)下的圖形界面要求輕量級且占用資源少[5]。本文自主設計了適用于小型嵌入式系統(tǒng)的GUI程序庫pGUI。pGUI的主要思想是：(1)使用面向對象的思想，利用子類直接包含父類結構體變量的方式實現繼承關系；(2)所有的活動窗體變量都連成鏈表，主程序中輪詢判斷哪個窗體需要重繪，每個窗體帶有回調函數，對窗體的所有操作都通過回調函數進行，所有控件操作都使用消息機制；(3)所有的GUI相關對象都在自定義內存池中分配，存儲分配上采用了內存池配合內存索引表的方式進行。索引表使用了雙向鏈表與順序表結合的數據結構。順序表用于快速索引窗體對象，而鏈表結構則用于尋找可用空間和碎片整理。整個GUI的數據操作在固定的內存模塊中運行，切換界面時釋放活動句柄，大大節(jié)省了內存使用。
3 空調執(zhí)行器設計
3.1 硬件方案
空調執(zhí)行器使用的主控芯片為意法半導體公司的基于Cortex-M3平臺的STM32芯片。Cortex-M3的優(yōu)勢在于低功耗、低成本、高性能[6]。而相較于Cortex-M0，Cortex-M3具有更高的性能指標，能夠處理更多更復雜的程序及事務，且工作頻率可達72 MHz。執(zhí)行器硬件模塊如圖4所示。
控制器模塊對于空調的控制主要采用了光耦隔離、交流可控硅控制主凍水管閥門電路及風機電路[7]。如圖5所示，C_DO1腳置高電平時，光耦聯通帶動交流可控硅導通使風機或閥門電路工作。
本系統(tǒng)使用的網卡芯片為快速以太網MAC控制器DM9000C，該芯片集成了10/100 M自適應收發(fā)器，并且支持介質無關接口，簡化了開發(fā)難度。開關量輸入電路負責采集門開檢測信息，出現長時間門開窗開的情況時，系統(tǒng)自動關閉空調并對用戶進行界面提示，減少電能的浪費。
3.2 軟件方案
在網絡數據包傳輸中，本系統(tǒng)使用了UIP嵌入式網絡協(xié)議棧。由于UIP協(xié)議的整體設計非常精簡，代碼量較小，很適合運用于低成本的嵌入式產品[8]。UIP運行于代碼的主程序段，通過輪詢方式判斷數據收發(fā)。本系統(tǒng)網絡通信的接收操作流程如圖6所示。此外，本系統(tǒng)在UDP協(xié)議的基礎上設計了一套應用層協(xié)議，囊括了狀態(tài)上報、事件上傳、定時控制、數據透傳等功能。協(xié)議采用一包多串數據的形式，并且自帶數據校驗。通過該協(xié)議，執(zhí)行器可接收多條事件及狀態(tài)消息，并可一次發(fā)布多條不同的控制命令。該協(xié)議保證了PC端能夠及時收集每個房間的空調信息，并能實時地對前端空調進行單獨或批量設置。
4 實現效果
本系統(tǒng)在中國人民解放軍第180醫(yī)院眼科樓的實際安裝中，每個病房安裝控制面板及空調執(zhí)行器一套，共238套，并且在樓棟服務器中配置了WEB服務器。每個護士站都能通過網頁配置樓層房間的空調運行，使得眼科樓內空調在運行時能夠定時控制開關、智能切換模式、自動控制溫度，實現了中央空調的集中控制。系統(tǒng)自2013年3月安裝至今工作穩(wěn)定可靠。
本文綜合運用了嵌入式技術和通信技術，設計并實現了一套智能化的中央空調集中控制系統(tǒng)。通過實際安裝使用證明，智能化、網絡化的控制方式極大地方便了大中型建筑中中央空調的管理，節(jié)省了大量人力，同時避免了能源浪費。此外，本系統(tǒng)在保證性能的基礎上精簡了設備，降低了整個系統(tǒng)的實現成本，具有很高的經濟和實用價值。下一步的工作重點是利用前端上傳的溫控數據進行節(jié)能減排性能的分析。
參考文獻
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