變風(fēng)量空調(diào)末端控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

宋艷芳 冷曉春

【摘要】變風(fēng)量中央空調(diào)系統(tǒng)主要通過末端裝置調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，末端裝置是中央空調(diào)系統(tǒng)熱交換的最后環(huán)節(jié)，更是系統(tǒng)中最能體現(xiàn)控制和節(jié)能效果的重要裝置之一。本文主要完成了：基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計VAV系統(tǒng)末端控制器，改善房間環(huán)境信息的采集方式和監(jiān)控方式，以及智能控制策略在末端控制器中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】嵌入式系統(tǒng)；變風(fēng)量；末端控制器

一、引言

中央空調(diào)系統(tǒng)是依據(jù)房間內(nèi)負荷變化或要求參數(shù)的變化，恒定送風(fēng)溫度，全自動調(diào)節(jié)送風(fēng)量，使空調(diào)房間內(nèi)各主要參數(shù)達標的全空氣空調(diào)系統(tǒng)。其追求以較少的能耗來滿足室內(nèi)空氣環(huán)境的要求，在節(jié)能、空氣質(zhì)量、舒適性和靈活性等方面均有其獨特的優(yōu)勢所在，因此在現(xiàn)代各類建筑中應(yīng)用越來越廣泛。末端控制器是空調(diào)系統(tǒng)中最重要的裝置之一，其對空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能與控制都是至關(guān)重要的。

二、調(diào)系統(tǒng)末端控制器總體設(shè)計

中央空調(diào)末端控制器是中央空調(diào)系統(tǒng)熱交換的最后一個環(huán)節(jié)，更是中央空調(diào)系統(tǒng)中最重要的裝置之一。特別是對變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)而言，其對空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能有重要意義。此外，無線、多點的數(shù)據(jù)采集方式可提高空調(diào)房間環(huán)境表征的靈活性和準確性，對于保持空調(diào)房間舒適度也有十分重要的意義。因此，設(shè)計一個能靈活、準確地表征空間環(huán)境特征，并在不同送風(fēng)條件和負荷下達到節(jié)能、高效控制效果的末端控制器，是節(jié)能和保持舒適度的關(guān)鍵。

三、調(diào)系統(tǒng)末端控制器設(shè)計

（一）硬件系統(tǒng)設(shè)計

（1）嵌入式控制器硬件系統(tǒng)選型。為了使設(shè)計的空調(diào)系統(tǒng)嵌入式末端控制器達到實時檢測、實時運算、實時控制的多線程控制目標，并擁有友好的人機交互界面、良好的可靠性以及較低的成本，設(shè)計嵌入式控制器選用高集成度的TQ2440開發(fā)板。其具有豐富的外圍接口，且穩(wěn)定性好、可擴展性強，能滿足VAV空調(diào)系統(tǒng)對中央控制器的系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)存儲量、數(shù)據(jù)處理能力及網(wǎng)絡(luò)拓展等要求。

（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。常用的無線通信方式主要有調(diào)頻技術(shù)、紅外技術(shù)和藍牙技術(shù)。其中調(diào)頻技術(shù)頻段受限、抗干擾性差、可靠性低；紅外技術(shù)通訊距離短、擴展性差且遇障礙物時通訊中斷；而藍牙技術(shù)帶寬窄，抗干擾能力差，傳輸距離近。為此，本設(shè)計無線技術(shù)采用可靠、傳輸距離遠、抗干擾性強的Zigbee技術(shù)，并選用CC2430芯片作為無線采集節(jié)點的處理器。其自主休眠和快速喚醒特性，可降低能耗，延長工作時間，具有低成本、低功耗、抗干擾、高性能等優(yōu)點。溫濕度傳感器選用數(shù)字式DHT10芯片，能將檢測到的溫濕度數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為標定的數(shù)字信號，具有抗干擾、低功耗、數(shù)字信號輸出等特點。

（二）軟件系統(tǒng)設(shè)計

（1）DAC驅(qū)動程序設(shè)計。根據(jù)控制器需要使用的工具和所需設(shè)備資源，對系統(tǒng)內(nèi)核進行配置、裁剪和移植。本系統(tǒng)除了要驅(qū)動串口、USB口、觸摸屏等已有設(shè)備以外，還需驅(qū)動DAC0832這一設(shè)備，而內(nèi)核源碼中并未提供DAC0832驅(qū)動程序，因此，這里需自行編寫DAC驅(qū)動程序。無線采集得到的房間溫度與設(shè)定值作差得到的偏差，經(jīng)模糊PID算法運算后得到了控制輸出值，并將其對應(yīng)為2～10V模擬量，但是控制器只能輸出數(shù)字量。因此，要將控制輸出量映射到0～255的8位數(shù)字量，然后編寫DAC驅(qū)動程序，使控制器輸出的8位數(shù)字量通過DAC8032轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的2～10V模擬量。

（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序設(shè)計。本系統(tǒng)借助Tiny OS操作系統(tǒng)組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過無線通信的方式，將監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的傳感器節(jié)點組建成一個自組織、多跳的無線網(wǎng)絡(luò)。其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各終端節(jié)點可對覆蓋區(qū)域中被感知對象信息進行感知、采集并傳輸，最終將其匯聚到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進行處理。

（3）溫濕度補償與數(shù)據(jù)融合程序設(shè)計。對于空間環(huán)境來說，溫、濕度是相互耦合量，因此為提高測量精度，在用DHT10傳感器測量空間溫濕度時，需要對其輸出的“相對濕度”進行溫度補償和線性補償后，才可得到較準確的濕度值。

（4）嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器程序設(shè)計。為進一步改善傳統(tǒng)VAV中央空調(diào)末端控制器通過觸摸屏監(jiān)控房間溫濕度的方式，讓使用者更加便捷地?zé)o線查看房間中實時溫濕度值并設(shè)置溫度設(shè)定值，本設(shè)計采用無線TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)解決這一問題。

四、結(jié)論

本文應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組建溫濕度采集網(wǎng)絡(luò)，改善目前中央空調(diào)末端控制器有線、單點的數(shù)據(jù)采集方式，充分利用其靈活性和可擴展性，使之能無線采集空調(diào)房間內(nèi)多點溫濕度，以獲得更加準確的空間溫濕度，提高數(shù)據(jù)采集的靈活性與準確性。利用嵌入式系統(tǒng)的多線程任務(wù)管理機制，實現(xiàn)了多點溫濕度數(shù)據(jù)采集和溫度智能控制雙線程，大大提高了控制器的控制速度和精度。

參考文獻

[1]郭鵬.基于嵌入式技術(shù)的中央空調(diào)末端控制器的研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2008.

[2]李宗強.張九根.基于PIC單片機的中央空調(diào)智能溫度控制器設(shè)計[J].現(xiàn)代建筑電氣，2010（07）.

作者簡介：宋艷芳（1981.06—），山東協(xié)和學(xué)院機電工程學(xué)院，副教授，研究方向：自動化；冷曉春，山東協(xié)和學(xué)院自動化16-1班，學(xué)生。