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。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的集中控制。系統采用網絡化結構，分為控制面板、空調執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：系統穩定可靠，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；節能減排

    近年來，中央空調系統被廣泛應用于大中型建筑的室內溫濕度調節。在大中型建筑中，中央空調系統相比于分體空調具有使用方便、投資低、噪音小、維護容易等眾多優勢。然而，目前市面上的中央空調控制系統仍面臨著許多問題：(1)中央空調控制系統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，通過對中央空調系統進行網絡化、智能化的統一控制，實現了中央空調系統前端的無人值守。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。該系統于2013年3月在泉州中國人民解放軍第180醫院眼科樓安裝238套，至今運行穩定可靠，極大地方便了樓棟病房空調的管理。
1 系統總體設計
    網絡化中央空調控制系統的網絡拓撲采用總線型結構，其網絡拓撲如圖1所示。

    系統包括控制面板、空調執行器及PC中心控制端三部分。控制面板和空調執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網絡增加了系統的控制并提高了反應速度，節省了布線成本，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行器。空調執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中心控制端負責監管接入網絡的空調執行器，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行器上傳的實時數據，進行統計分析。系統每個部分均設置了軟硬件看門狗，確保了長時間穩定運行。
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]。基于Cortex-M0架構的芯片是市場上現有的性價比最高、能耗最低、最節能的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，大大節省了內存使用。
3 空調執行器設計
3.1 硬件方案
    空調執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自適應收發器，并且支持介質無關接口，簡化了開發難度。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，本系統使用了UIP嵌入式網絡協議棧。由于UIP協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。本系統網絡通信的接收操作流程如圖6所示。此外，本系統在UDP協議的基礎上設計了一套應用層協議，囊括了狀態上報、事件上傳、定時控制、數據透傳等功能。協議采用一包多串數據的形式，并且自帶數據校驗。通過該協議，執行器可接收多條事件及狀態消息，并可一次發布多條不同的控制命令。該協議保證了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
    本系統在中國人民解放軍第180醫院眼科樓的實際安裝中，每個病房安裝控制面板及空調執行器一套，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。系統自2013年3月安裝至今工作穩定可靠。
    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。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，節省了大量人力，同時避免了能源浪費。此外，本系統在保證性能的基礎上精簡了設備，降低了整個系統的實現成本，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能減排性能的分析。
參考文獻
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[2] 霍小平.中央空調自控系統設計[M].北京：中國電力出版 社，2004.
[3] 林勇.CAN總線在中央空調控制系統中的應用[J].電子技術應用，2001，27(7)：33-34.
[4] Corporation N T.ISD Cortex-M0 ChipCorder ISD9160 Design Guide[A].2011.
[5] 詹瑾瑜，熊光澤，孫明.一種嵌入式GUI軟件結構實現方案[J].電子科技大學學報，2003，32(1)：89-93.
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[7] 俞炳豐.中央空調新技術及其應用[M].北京：化學工業出版社，2005.
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