多聯(lián)機(jī)中央空調(diào)無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

王學(xué)奎 穆圣廣 陳國林 林冠旭 潘世高

1 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣技術(shù)學(xué)院

2 廣州互鄰空調(diào)設(shè)備有限公司

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)IOT（Internet of things）是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，它是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，其核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，上層設(shè)備延伸到了所需要的物品之間進(jìn)行信息交換和通信[1]。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，云計算、4G 移動技術(shù)已成熟，且深入人們生活，從而促進(jìn)了監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，深刻影響著空調(diào)產(chǎn)業(yè)的工業(yè)化與信息化的融合與升級[2]。集中監(jiān)控系統(tǒng)，主要用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、處理、實(shí)時監(jiān)視、控制等功能，是智能化的人機(jī)交互終端產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)管理人員對空調(diào)設(shè)備空間分割和時間同步，并降低空調(diào)耗能和運(yùn)維費(fèi)用[2]。多聯(lián)機(jī)中央空調(diào)是指一臺室外機(jī)通過配管連接兩臺以上室內(nèi)機(jī)，相對傳統(tǒng)中央空調(diào)，具有節(jié)約能源，控制先進(jìn)及靈活性好等多種優(yōu)點(diǎn)，越來越多建筑采用多聯(lián)機(jī)中央空調(diào)[3-4]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多聯(lián)機(jī)中央空調(diào)的室內(nèi)室外機(jī)也要求具備更加靈活的集中監(jiān)控功能[5-6]。

針對上述問題，本文設(shè)計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的中央空調(diào)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)核心采用了靈活便利的單片機(jī)。數(shù)據(jù)采集裝置實(shí)時采集中央空調(diào)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并加以處理，結(jié)合實(shí)際工況，做出智能判斷，輸出控制遠(yuǎn)端的的空調(diào)室外機(jī)和室內(nèi)機(jī)。數(shù)據(jù)采集裝置將數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)，通過U 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）和 GPRS 模塊，遠(yuǎn)程上傳至監(jiān)控中心SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）,通過監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示。監(jiān)控中心SCADA 軟件能集中監(jiān)控中各個室內(nèi)分機(jī)的輸出溫度、風(fēng)量、設(shè)置溫度等，以及室外壓縮機(jī)運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r顯示和數(shù)據(jù)存儲。調(diào)度管理人員可以通過監(jiān)控中心的SCADA 軟件遠(yuǎn)程設(shè)定室內(nèi)機(jī)的溫度、風(fēng)量等，以及遠(yuǎn)程操作需要控制的室內(nèi)機(jī)。該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多聯(lián)機(jī)中央空調(diào)的遠(yuǎn)程自動化、網(wǎng)絡(luò)化的管理，降低了運(yùn)營成，提高了系統(tǒng)工作效率和自動化水平[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)

圖1 是系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖，在結(jié)構(gòu)上，設(shè)計為四個層次：數(shù)據(jù)采集層，數(shù)據(jù)處理層，數(shù)據(jù)傳輸和終端監(jiān)控層，數(shù)據(jù)采集層是室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)直接接入U 網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)集成了數(shù)據(jù)的采集、處理與傳輸。網(wǎng)關(guān)可直接輸出到電腦，實(shí)現(xiàn)電腦與設(shè)備的通信，同時也可通過GPRS 模塊，將數(shù)據(jù)傳輸至云服務(wù)器，供移動終端使用。電腦作為服務(wù)器實(shí)現(xiàn)SCADA 的功能，安裝相應(yīng)的監(jiān)控軟件，即可完成對多聯(lián)機(jī)空調(diào)的遠(yuǎn)程管控調(diào)度，同時存儲歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，該 SCADA 也可作為電費(fèi)計量的輔助工具。物聯(lián)網(wǎng) U 網(wǎng)關(guān)內(nèi)的 GPRS 芯片，可將收集單片機(jī)內(nèi)運(yùn)行處理的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過云服務(wù)器，傳輸至移動終端。遠(yuǎn)程終端設(shè)備中安裝相應(yīng)的服務(wù)軟件或小程序，可收到多聯(lián)機(jī)空調(diào)的告警信息，查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，及時干預(yù)。各個廠家生產(chǎn)空調(diào)的通信格式不一，物聯(lián)網(wǎng)關(guān) U 針對不同的通信協(xié)議，轉(zhuǎn)換為目前較為易懂的 RS-485 通信方式，采用了簡單可靠的MODBUS 協(xié)議[7-9]。這樣即便底層空調(diào)系統(tǒng)采用了不同廠家，只要選擇對應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)U，數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，形成統(tǒng)一的通信格式，可以方便組成網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)U，設(shè)置有電腦通信接口和 GPRS 發(fā)射模塊，可根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備選擇不同的終端實(shí)現(xiàn)方式，不同模式的修改，只需要在 U 型網(wǎng)關(guān)內(nèi)修改對應(yīng)的跳線。經(jīng)過GPRS 轉(zhuǎn)換后，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，移動終端安裝好相應(yīng)的小程序，即可實(shí)現(xiàn)多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的云通信。

圖1 多聯(lián)機(jī)中央空調(diào)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

多聯(lián)機(jī)空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計主要包括硬件設(shè)計與軟件設(shè)計，硬件設(shè)計中包括了方案設(shè)計與具體的硬件電路設(shè)計。

2.1 控制方案設(shè)計

控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案如圖2 所示：

圖2 多聯(lián)機(jī)中央空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案

該方案主要有主控模塊，硬接線通信模塊，無線收發(fā)模塊以及電源模塊組成，其中硬接線通信模塊又分為RS-485 通信和數(shù)據(jù)接收模塊。

2.2 硬件模塊設(shè)計

1）主控模塊

在硬件設(shè)計中，系統(tǒng)的控制核心采用意法半導(dǎo)體ARM Cortex-M3 內(nèi)核的增強(qiáng)型STM32F103，供電電壓為3.3V。該控制器工作頻率高、功能強(qiáng)大、功耗低等多重優(yōu)點(diǎn)，符合系統(tǒng)的設(shè)計要求[11-13]。系統(tǒng)設(shè)計具體如圖3 所示。

圖3 STM32F103 最小系統(tǒng)設(shè)計

（2）電源模塊

電源轉(zhuǎn)換模塊的作用是將5V 供電電壓，轉(zhuǎn)換為控制面板中各個芯片所需要的 3V 電壓，采用了LD1117DT33CTR 元器件，其電路圖如圖4 所示：

圖4 電源模塊電路圖

3）RS-485 通信模塊

設(shè)計方案中采用了 MAX13487E 元器件，是+5V供電、半雙工、具有±15kV ESD 保護(hù)的 RS-485/RS-422兼容收發(fā)器，包含一路驅(qū)動器和一路接收器。具有低擺率驅(qū)動器，能夠減小 EMI 和不恰當(dāng)?shù)碾娎|端接所引起的反射，實(shí)現(xiàn)高達(dá) 500 kbps 的無差錯數(shù)據(jù)傳輸。MAX13488E 驅(qū)動器的擺率未被限制，允許高達(dá) 16 Mbps 的傳輸速率。其設(shè)計電路圖如圖5 所示：

圖5 RS-485 通信模塊電路圖

4）數(shù)據(jù)接收模塊

該模塊的作用是采集空調(diào)設(shè)備信息，采用了XL1192，該元件是一款符合家庭數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)，具有接收與發(fā)送數(shù)據(jù)功能芯片[14]。信號收發(fā)處理采用AMI方式編碼，可以通過雙絞線傳輸。XL1192 可以通過5V電源供電，其內(nèi)部集成晶體管可以減少外圍元件需求。電話設(shè)備，安防設(shè)備，影音設(shè)備，空調(diào)設(shè)備等其它設(shè)備可以通過它連接至總線來相互通信。其設(shè)備外部接線如圖6 所示：

圖6 數(shù)據(jù)接收模塊管腳圖

5）GPRS 模塊

系統(tǒng)硬件中，采用的是 AIR202 無線通信專用模塊，集成了 GPRS 運(yùn)行所需要的部分外設(shè)，如 SIM 卡座，供電等，能保證只需串口線線連接 PC 就能使整個系統(tǒng)運(yùn)行。該模塊支持Lua 語言或AT 指令，內(nèi)置串口電平轉(zhuǎn)換電路，支持 3.3V，5V 外設(shè)串口電平，其外觀設(shè)計圖如圖7 所示：

圖7 AIR202 設(shè)備外觀圖

該元件含有兩組 RS-485 串口管腳，分別是HOST_TX、HOST_RX 與 UART1、UART2，前者用于程序的編寫與下載，后者用于與外部設(shè)備的通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計中采用了兩路并行的設(shè)計思路，即硬接線通信與GPRS 無線通信并行方式，在 U 型網(wǎng)關(guān)的設(shè)計中既提供了硬接線的通信方式，同時也含有 GPRS無線通信，這樣可以確保數(shù)據(jù)的通信的正確與大數(shù)據(jù)容量的存儲。

Modbus 協(xié)議是一個 master/slave（主/從）架構(gòu)的協(xié)議。有一個節(jié)點(diǎn)是master 節(jié)點(diǎn)，其他使用Modbus 協(xié)議參與通信的節(jié)點(diǎn)是slave 節(jié)點(diǎn)。每一個slave 設(shè)備都有一個唯一的地址[15]。方案中的主控芯片STM32F103作為從機(jī)，負(fù)責(zé)與空調(diào)及外部設(shè)備通信?？照{(diào)設(shè)備預(yù)留的外部接線協(xié)議一般各個廠家不同，無法統(tǒng)一，STM32F103 根據(jù)各個廠家設(shè)備的底層協(xié)議，讀出設(shè)備信息，轉(zhuǎn)換為串口通信協(xié)議，與上層設(shè)備進(jìn)行通信，采用常規(guī)的 RS-485 接線方式，協(xié)議調(diào)整為簡單易懂的Modbus 協(xié)議。GPRS 通信模塊通過自身的 RS-485 接線自動查詢 STM32F103 內(nèi)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過內(nèi)部程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，以無線方式發(fā)射出去。其設(shè)計通信過程如圖8 所示：

圖8 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

STM32F103 設(shè)備編程語言是 C 語言，是一門基礎(chǔ)編程語言，GPRS 模塊 AIR202，底層已構(gòu)架完整，是專業(yè)的無線通信芯片，只需要在上層系統(tǒng)中，調(diào)寫相關(guān)的子函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。系統(tǒng)中AIR202 芯片主要是在處理UART 串口中的數(shù)據(jù)，與STM32F103通信，主要應(yīng)用了 Uart.Write()和 Uart.read()函數(shù)。AIR202 在查詢底層設(shè)備信息是，使用 MODBUS 協(xié)議，STM32F103 共可接16×4=64 臺室內(nèi)主機(jī)，其寄存器地址如表1：

表1 網(wǎng)關(guān)及空調(diào)主機(jī)連接地址分配表

數(shù)據(jù)處理過程中，首先要查詢網(wǎng)關(guān)狀態(tài)。表2 為網(wǎng)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)查詢表。

表2 網(wǎng)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)查詢表

判斷返回狀態(tài)是否為 1，若為 1 說明 STM32F103已可以正常通信，若為0，則返回，2s 后繼續(xù)查詢。連接成功后，接下來要查詢有多少臺主機(jī)與網(wǎng)關(guān)通信。查詢命令與查詢網(wǎng)關(guān)類似，由于每兩個字節(jié)存儲16 臺主機(jī)狀態(tài)，返回時將會返回8 個字節(jié)。表 3 為空調(diào)主機(jī)連接地址數(shù)據(jù)返回表。

表3 空調(diào)主機(jī)連接地址數(shù)據(jù)返回表

需要注意的是，返回的數(shù)據(jù)1 到數(shù)據(jù)4 是十六進(jìn)制，需要轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制才能確定對應(yīng)哪些主機(jī)接入系統(tǒng)。系統(tǒng)將每一個地址主機(jī)運(yùn)行信息，存儲在不同的寄存器內(nèi)，信息如表4 所示：

表4 空調(diào)運(yùn)行信息存儲位置分配表

從2000 地址開始，每12 個字節(jié)存放相應(yīng)位地址主機(jī)的狀態(tài)，查詢完主機(jī)狀態(tài)后，對接入系統(tǒng)的主機(jī)，再查詢對應(yīng)地址的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)與主機(jī)地址共同組成一個結(jié)構(gòu)（STRUCT），從而區(qū)分出每個主機(jī)的信息。設(shè)備調(diào)試通過兩路串口，一路做 MODBUS 從機(jī)，另一路用作 MODBUS 主機(jī)，與 AIR202 通信，讀出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，圖9 是調(diào)試界面。

圖9 AIR202 通信調(diào)試界面圖

4 工程實(shí)施與總結(jié)

該監(jiān)控系統(tǒng)在工程中得到應(yīng)用，在某智能建筑與某檔案館都有實(shí)施，建筑采用了多聯(lián)機(jī)中央空調(diào)，通過手機(jī)小程序?qū)Ω鱾€房間的空調(diào)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)施效果如圖10。

圖10 某建筑手機(jī)監(jiān)控中央空調(diào)界面

檔案館對房間內(nèi)的溫濕度要求嚴(yán)格，配備了多聯(lián)機(jī)中央空調(diào)與除濕器，在集中監(jiān)控的設(shè)計上，項(xiàng)目配備了電腦監(jiān)視平臺，用于監(jiān)視多聯(lián)機(jī)中央空調(diào)，除濕設(shè)備，以及房間的空氣質(zhì)量傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，其運(yùn)行界面如圖11：

圖11 檔案館內(nèi)溫濕度及空氣質(zhì)量電腦監(jiān)視界面

5 總結(jié)與展望

通過原理圖的設(shè)計、PCB 板印制和軟硬件調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)多聯(lián)機(jī)中央空調(diào)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。方便了工程實(shí)施，避免了布線帶來的繁瑣工作，使用便利，節(jié)約了設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了自動化和信息化的融合。GPRS 的數(shù)據(jù)傳輸受制于無線網(wǎng)絡(luò)及云服務(wù)器的配置，受制于網(wǎng)絡(luò)條件。在更改U 網(wǎng)關(guān)配置時，需要打開設(shè)備，并修改內(nèi)部的跳線，后續(xù)開發(fā)，將考慮更加靈活的實(shí)現(xiàn)電腦與移動端同時監(jiān)控空調(diào)及其他設(shè)備，確保信息通暢與數(shù)據(jù)安全。