ZigBee技術(shù)的中央空調(diào)冷量計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉國(guó)文 劉軍德

(嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系1，浙江 嘉興 314003;特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(浙江工業(yè)大學(xué))2，浙江 杭州 310032)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，中央空調(diào)在商業(yè)性大樓、民用住宅中已被廣泛采用，收費(fèi)方式基本上沿用暖氣系統(tǒng)的按面積平攤計(jì)費(fèi)方式。這種計(jì)費(fèi)方式由于是按面積分?jǐn)?，用戶交費(fèi)均為定值，與使用情況無(wú)關(guān)，以致于敞開(kāi)門窗用空調(diào)等各種惡性消費(fèi)現(xiàn)象隨處可見(jiàn)。這對(duì)許多用戶來(lái)說(shuō)是一種不公平的計(jì)費(fèi)方式，且不利于引導(dǎo)用戶樹(shù)立節(jié)約能源的消費(fèi)觀念［1］。

以ZigBee為代表的無(wú)線通信技術(shù)，憑借其低成本、低功耗、高安全性等特點(diǎn)，已在家庭自動(dòng)化和建筑自動(dòng)化行業(yè)得到了大量的應(yīng)用，避免了因大量布線而帶來(lái)的數(shù)據(jù)線紛繁雜亂、檢修不便等問(wèn)題［2］。

針對(duì)上述現(xiàn)象，本文結(jié)合ZigBee無(wú)線通信技術(shù)，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的中央空調(diào)新型無(wú)線計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有中央空調(diào)系統(tǒng)溫控器進(jìn)行改進(jìn);在無(wú)需重新布線的情況下，系統(tǒng)以無(wú)線自組網(wǎng)方式，對(duì)各用戶冷量使用情況進(jìn)行智能遠(yuǎn)程監(jiān)控與統(tǒng)計(jì)。

1 計(jì)量原理

目前，比較實(shí)用的中央空調(diào)分戶計(jì)量的計(jì)量方式主要有以下兩種:能量型計(jì)費(fèi)方式和時(shí)間型能量計(jì)費(fèi)方式［3－4］。時(shí)間型能量計(jì)費(fèi)方式根據(jù)電動(dòng)溫控閥狀態(tài)檢測(cè)，記錄風(fēng)機(jī)盤管各檔位運(yùn)行時(shí)間，然后根據(jù)總管上的總能耗來(lái)大致計(jì)算風(fēng)機(jī)盤管散發(fā)的能量。時(shí)間型能量計(jì)費(fèi)的計(jì)量結(jié)果雖不如能量型計(jì)費(fèi)準(zhǔn)確，但其計(jì)量方式簡(jiǎn)單、初投資少、計(jì)量器故障率低，基本能滿足用戶分戶計(jì)量的要求。因此，本文選用時(shí)間型能量計(jì)量方式。其計(jì)量原理如下［5］。

對(duì)以風(fēng)機(jī)盤管為末端的中央空調(diào)系統(tǒng)而言，風(fēng)機(jī)都具有高、中、低三檔風(fēng)速調(diào)節(jié)功能，影響末端設(shè)備與室內(nèi)熱交換的主要因素是對(duì)流。因此，集中空調(diào)系統(tǒng)中的冷量可用式(1)計(jì)算:

式中:Q為冷量，kJ;c為比熱容，kJ/(kg·K);ML為流入風(fēng)機(jī)盤管的冷水的質(zhì)量流量，kg/s;ΔtH、ΔtM、ΔtL分別為風(fēng)機(jī)盤管在高、中、低三個(gè)風(fēng)速檔位下回水溫度與進(jìn)水溫度的溫度差，K;dτ為風(fēng)機(jī)盤管在各風(fēng)速檔位下的運(yùn)行時(shí)間間隔，s。

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，集中空調(diào)水系統(tǒng)中設(shè)有進(jìn)、出水管道壓差檢測(cè)儀，并據(jù)此來(lái)調(diào)節(jié)旁通閥，保證冷水進(jìn)、出水管的壓差恒定。由于供水管內(nèi)的壓力相對(duì)穩(wěn)定，因此冷水的流速基本穩(wěn)定，流速的變化近似可以忽略，也就是說(shuō)冷水的質(zhì)量流量ML為一常數(shù)。

在同一樓層中供水溫度基本一致，而回水溫度是風(fēng)機(jī)盤管風(fēng)速的函數(shù)，風(fēng)速越大，溫差Δt也越大。

令 Δt=t2－t1，可得 Δt∝v(v為風(fēng)速，m/s)。設(shè) α為溫差與風(fēng)速的比例系數(shù)，則有Δt=αv。

對(duì)具有高、中、低三個(gè)風(fēng)速檔位的風(fēng)機(jī)盤管，對(duì)應(yīng)三個(gè)風(fēng)速有:

對(duì)每個(gè)風(fēng)機(jī)盤管來(lái)說(shuō)，高、中、低檔風(fēng)速都是相對(duì)恒定的，即vH、vM、vL恒定;且每個(gè)風(fēng)速檔位下的制冷能力都是一定的(可在風(fēng)機(jī)盤管的技術(shù)參數(shù)中查到)，而影響末端設(shè)備與室內(nèi)換熱的主要因素是對(duì)流。因此，高、中、低檔風(fēng)速下溫差與風(fēng)速的比例系數(shù)也是基本恒定的，即αH、αM、αL基本恒定。所以式(1)可簡(jiǎn)化為:

由式(3)可以得出，各常量值可通過(guò)實(shí)際使用情況測(cè)出，故對(duì)于集中空調(diào)的每個(gè)風(fēng)機(jī)盤管送出的冷量，可以利用不同風(fēng)速下兩通閥開(kāi)啟時(shí)間的累積值作為計(jì)算其冷量的依據(jù)。因此，實(shí)時(shí)無(wú)誤地記錄在不同風(fēng)速下兩通閥開(kāi)啟的時(shí)間，成為整個(gè)計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建的中央空調(diào)無(wú)線冷量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 計(jì)費(fèi)系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of consumption billing system

整個(gè)系統(tǒng)由前端數(shù)據(jù)采集部分(智能溫控器)和處理傳送部分(ZigBee協(xié)調(diào)器)以及末端的數(shù)據(jù)接收處理部分(上位機(jī))組成無(wú)線通信結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。其中智能溫控器是一個(gè)集成了ZigBee模塊的智能終端設(shè)備，它既可以作為傳統(tǒng)的溫控器對(duì)房間溫度進(jìn)行監(jiān)控，也可以作為全功能設(shè)備(full function device，F(xiàn)FD)節(jié)點(diǎn)存在于ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)FFD節(jié)點(diǎn)之間可以相互通信，也可以與協(xié)調(diào)器通信。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組建和路由，并將接收到的各房間智能溫控器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)PC端進(jìn)行處理，再集中錄入到管理信息系統(tǒng)(management information system，MIS)中。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 智能溫控器硬件設(shè)計(jì)

智能溫控器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 智能溫控器硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Hardware structure of intelligent temperature controller

圖2中的CC2530模塊為系統(tǒng)核心處理部件。該模塊采用德州儀器公司的ZigBee射頻芯片CC2530-F256，片上集成高性能低功耗8051內(nèi)核、128 bit ADC、2個(gè)UART以及強(qiáng)大的DMA功能等;提供訪問(wèn)CC2530-F256全部數(shù)字和模擬接口的能力，包括ADC、DAC、比較器、定時(shí)器、UART、串行口和GPIO。

同時(shí)，該芯片還集成了數(shù)字溫度傳感器，可直接用于對(duì)環(huán)境溫度的檢測(cè)，從而不必增加額外的電路去實(shí)現(xiàn)低功耗無(wú)線系統(tǒng)所需要的功能。CC2530模塊基于ZigBee/IEEE802.15.4 協(xié)議進(jìn)行通信，其工作頻段為 2.4 GHz、發(fā)送功率為100 mW，通信距離大于1000 m。

CC2530芯片讀入按鍵和無(wú)線傳送來(lái)的設(shè)定值，以定時(shí)中斷的方式對(duì)室溫、電動(dòng)閥通斷狀態(tài)、繼電器工作狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際室溫與設(shè)定室溫的比較值，控制電動(dòng)閥的通斷及風(fēng)機(jī)盤管風(fēng)速檔位的高低，以達(dá)到控制室溫和節(jié)能的目的。

3.2 ZigBee協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，其核心處理部件也為CC2530模塊。與智能溫控器不同，ZigBee協(xié)調(diào)器僅保留了按鍵接口，同時(shí)擴(kuò)展了RS-232接口。按鍵接口便于ZigBee組網(wǎng)時(shí)調(diào)試，RS-232接口則用來(lái)與上位機(jī)進(jìn)行通信。

圖3 ZigBee協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Hardware structure of ZigBee coordinator

4 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境是在IAR公司的Embedded Workbench5.3上完成的。軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Flowchart of the software

軟件設(shè)計(jì)包括三個(gè)部分:ZigBee協(xié)調(diào)器無(wú)線網(wǎng)關(guān)、智能溫控器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。ZigBee協(xié)調(diào)器無(wú)線網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組成、通信鏈路及路由的建立和數(shù)據(jù)包的協(xié)議轉(zhuǎn)換等［6－8］。智能溫控器充當(dāng)ZigBee路由器，負(fù)責(zé)采集、處理和發(fā)送溫度、電通閥通斷狀態(tài)、風(fēng)機(jī)盤管風(fēng)速狀態(tài)等數(shù)據(jù)，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)其他智能溫控器的數(shù)據(jù)［9－10］。

上位機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以VB6.0為平臺(tái)，通過(guò)其豐富的內(nèi)置控件，結(jié)合Widows環(huán)境下的MSComm控件，可簡(jiǎn)單、方便地實(shí)現(xiàn)與ZigBee協(xié)調(diào)器通信;同時(shí)實(shí)時(shí)接收、顯示各智能溫控器傳送來(lái)的溫度、電通閥通斷狀態(tài)、風(fēng)機(jī)盤管風(fēng)速狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫(kù);可隨時(shí)從數(shù)據(jù)庫(kù)中按時(shí)間查找數(shù)據(jù)、繪制圖形，并計(jì)算出用戶冷量使用情況及費(fèi)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)當(dāng)前中央空調(diào)系統(tǒng)的計(jì)量原理的探討，提出了基于ZigBee技術(shù)的中央空調(diào)新型無(wú)線冷量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)方案。

該方案以低成本、低功耗無(wú)線單片機(jī)CC2530為智能溫控器核心，對(duì)各用戶房間的當(dāng)前溫度、電通閥通斷狀態(tài)、風(fēng)機(jī)盤管風(fēng)速狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定、可靠，且具有無(wú)線數(shù)據(jù)通信靈活、方便，上位機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理等特點(diǎn)，對(duì)解決當(dāng)前中央空調(diào)系統(tǒng)冷量無(wú)法滿足按量計(jì)費(fèi)的需求，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

［1］趙迪虎.淺談中央空調(diào)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的應(yīng)用［C］//全國(guó)暖通空調(diào)制冷，2008年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2008.

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