山東大學控制科學與工程學院 張嘯 何小虎2012《控制與傳動》第1期

一引言

　　樓宇自動化系統中中央空調子系統占有重要的地位，目前中央空調系統的自動化實現方式很多，有采用單片機，接口采用RS485,現場總線或者以太網，能實現中央空調的遠程監控功能；還有采用PLC，比如西門子的S7-200實現數據的采集和監控。目前單片機種類很多，能實現本采集監控功能的芯片選擇范圍也較廣，比如MEGA系列，freescale系列等，另外高端的芯片本身帶有豐富的接口，實現更加方便，但是成本較高，另外基于PLC的中央空調監控系統成本瓶頸限制了其進一步的推廣。所以開發一套低成本、高可靠性的中央空調遠程監控系統是很有必要的。

　　二方案選擇

　　最近今年，單片機的功能得到極大的提高，存儲容量，數據處理速度，外圍擴展能力，通訊功能等都了很大的提高，功能逐漸完善，再加上低成本的優勢，市場占有率不斷攀升。

　　本系統主要功能集中在對中央空調遠程數據采集和監控，數據采集與監控的參數包括空調溫度值，空調的開關機狀態，空調風機的速度檔以及制冷制熱狀態。選用單片機作為下位機，上位監控軟件采用微軟的VisualBasic即可滿足控制要求。

　　三系統設計思路

　　目前的中央空調系統按輸送介質主要有以下三類：空氣，水和冷凝劑，所以相應的中央空調系統主要分為風管系統、冷熱水系統和制冷劑系統。本方案主要適用對象是冷熱水系統。冷熱水系統分主機和風機盤管，主要工作原理是通過室外主機產生出空調的冷熱水，由管道系統送至室內的各末端裝置，在末端處冷熱水與室內空氣進行熱量交換，產生冷熱風，從而消除房間空調負荷。冷熱水空調系統的末端通常都裝有風機盤管，風機盤管的控制原理采用溫控器加電動閥結構，如圖1示。所以可以通過調節末端風機轉速來調節送入室內的冷熱量，由此可見，此種系統的特點是可以對各個末端（房間進行）單獨的控制和調節。

　　室內溫度可由設于每臺風機盤管回水支管上與各房間內的溫度傳感器連鎖的電動三通閥調節，亦可由風機盤管三速開關調節。



　　圖1風機盤管控制原理圖

　　對該風機盤管（如圖2所示）的介紹：

　　(1)系統控制-------溫度控制器放在溫度需要調節的房間內，它具有ON/OFF兩個通斷狀態，可以直接控制系統的開啟與關閉。

　　(2)溫度控制--------溫度控制器上設有溫度設定按鈕，在溫控器內有兩對觸電，夏季動作時將溫度控制器選擇開關撥到“COOL”檔，對盤管供應冷凍水，當溫度控制低于設定值時，其中一對觸電斷開，電動閥失電；當房間溫度高于設定值時，另一對觸點閉合，電動閥得電；反之，在冬季運作時，將溫控器選擇開關撥到“HEAT”檔，對盤管供應熱水，當房間溫度高于設定值時，電動閥其中一對觸點斷開，電動閥失電，當房間溫度低于設定值時，另一對觸點閉合，電動閥得電，從而使房間萬溫度在冬夏季維持在一定的范圍內。

　　(3)電動閥控制-------電動閥的動作直接受溫控器的控制，電動閥得電時，閥門開啟，向風機盤管供應冷熱水；失電時，電動閥斷開。從而使溫度控制在一定的范圍之內。

　　(4)風機控制---------當溫控器處于“ON”狀態時，可以通過另一組轉換開關對風機進行高、中、低三檔調節。



　　圖2風機盤管空調器控制原理及動作

　　本系統中風機盤管的引線如圖3所示



　　圖3風機盤管引線

　　本系統下位部分是由溫控器部分，采集器部分、中間站部分和上位機監控部分組成。

　　末端控制器（溫控器）采集下位的有效信號，如溫度值，空調開關機狀態，空調的制冷制熱狀態以及風機的風檔，經RS485串行總線傳至采集器，采集器一方面負責數據的采集，另一方面接收上位機下傳的命令。

　　如果采集器數量較多的話，可以附加中間站，功能和采集器類似，實現數據的采集和命令的傳達，如果是單棟樓的話中間站可以不加以太網接口，就能實現單棟樓宇的中央空調的集中控制。如果有多棟樓宇的話，中間站擴展以太網接口模塊，實現多棟樓宇中央空調的遠程集中控制。

　　遠程電腦當作客戶端，采用可視化編程軟件VisualBasic實現數據采集和監控。

　　四系統總體設計

　　1網絡結構圖

　　遠程監控系統網絡結構圖如圖4所示。



　　圖4中央空調遠程監控系統網絡結構圖

　　2硬件選擇

　　選用Atmel公司的高檔8位Atmega系列單片機，擴展串行接口（RS485接口）和以太網接口，以太網控制器選用Microship公司的ENC28J60。在實現每棟樓宇的中央空調集中控制的基礎上,采用C/S結構，實現聯網控制，實現多棟樓宇中央空調的遠程集中控制。

　　具體來講，溫控器采用Atmega8芯片和溫度傳感器芯片18B20，附加數碼管顯示和按鍵控制；采集器采用Atmega162；中間站芯片采用Atmega64和ENC28J60。

　　3軟件配置

　　溫控器，采集器，中間站都采用C語言編程，上位監控部分采用VB編寫。

　　4數據庫選擇

　　由于數據庫選擇的余地較大，本系統采用微軟辦公軟件包自帶的Access數據庫，用于存儲采集的數據，包括各個空調的實時溫度值，溫度設定值，開關機狀態，風機的速度檔（高速、中速、低速）及所處狀態的運行時間。

　　5系統各層結構圖

　　(1)溫控器層



　　圖5.1溫控器層結構圖

　　末端（各個房間）的溫度控制是由一個溫控器（如圖5.1所示）來實現的，溫控器的設計是系統的重點之一。本系統中，中央空調各個房間的溫度是靠控制風機盤管的開關來實現的，通過單片機的I/O控制三個繼電器實現高速、中速與低速的風機控制，從而實現溫度的調節。

　　按鍵主要用于各參數設置。設置5個按鍵，分別為MODE、風機風速擋選擇、電源開關、調節溫度上升鍵，調節溫度上升鍵。



　　圖6溫控器實物圖

　　按鍵（如圖6所示）說明：MODE鍵用于選擇制冷制熱狀態；

　　風速擋鍵按1，2，3，4下代表風機高速，中速，低速，自動運行；

　　電源鍵用于控制空調的運行與停止；

　　每按一次提高溫度鍵、降低溫度鍵，設定溫度相應的增加、降低1攝氏度。

　　顯示采用LCD液晶顯示，顯示當前溫度值、設定溫度值、鎖機狀態、制冷制熱狀態、風機轉速檔。這些參數也可由上位統一設置。

　　芯片選擇：由于采集的數據量較少，選用Atmega8。

　　(2):采集器層



　　圖5.2采集器層結構圖

　　采集器（如圖5.2所示）負責采集末端溫控器上傳的數據及中間站或上位機下傳的控制命令。采集器帶雙串口分別與末端溫控器和中間站進行通信。該層設計時一個采集器負責接收8路末端數據，功能類似與集線器。采集器數據采集方式采用輪詢。

　　芯片選擇：考慮到采集器必須分別與末端和中間站進行RS485通信，所以選用帶雙串口接口的Atmega162。

　　(3)中間站層



　　圖5.3中間層結構圖

　　中間站層（如圖5.3所示）負責與采集器和上位機進行通信，接收采集器數據和下傳上位機控制命令。中間站增加的目的是為了實現多棟樓宇的遠程監控。通過附加以太網控制模塊并在主芯片中移植TCP/IP協議，為數據的遠傳提供了很好的解決方案。

　　芯片選擇：以太網通信模塊選擇ENC28J60，該以太網控制器與IEEE802.3兼容，集成MAC和10BASE-TPHY,另外該芯片只有28引腳，占空間較小，如圖7所示。主芯片選擇Atmega64,64KB的FLASH,豐富的外圍接口，性價比較高。

　　（4）上位機層

　　上位機作為客戶端采集各個中間站的數據，并能遠程控制各個末端的溫度值，實現單個末端的溫度控制和一層或多層或一棟樓的溫度設定與采集，如表1所示。數據存儲選擇Access數據庫，存儲空調采集的數據，考慮到Access數據庫2GB的存儲容量，選擇Access數據庫完全能滿足數據存儲功能。

　　圖7ENC28J60外圍電路



　　表1上位機軟件實現的功能

　　五關鍵技術

　　1TCP/IP協議的移植

　　為了實現中間站于遠程電腦的通信，最終實現遠程控制，中間站增加以太網通信模塊并在主芯片Atmega64中移植TCP/IP協議，這是設計的重點之一。

　　2末端溫控器的設計

　　按鍵功能的合理分配以及軟件實現是系統功能完善性的基礎。

　　3上位監控軟件的可靠性和可擴展性

　　為防止由于線路故障或通信出錯導致長時間的待機或死機，上位軟件中必須加入延時等待超時判斷和通信計數方法。

　　另外考慮到不同場合的樓數、樓層數、樓層房間的差別，上位設計時須具備可選性。

　　六結束語

　　本文提出了一種性價比較高的中央空調遠程監控系統設計方案，特別適用于末端數量、樓層、樓數較多的場合。設計過程中充分考慮了故障處理措施，大大提高了系統的穩定性和實用性，對樓宇自動化系統中的中央空調遠程監控設計有一定的借鑒意義。