摘  要： 設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)化中央空調(diào)控制系統(tǒng)。通過對(duì)中央空調(diào)前端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)的集中控制。系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，分為控制面板、空調(diào)執(zhí)行器和中心控制端三個(gè)部分。中心控制端通過B/S模式控制每個(gè)房間空調(diào)的運(yùn)行模式，并收集前端空調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；采用QVGA彩色液晶屏，自主設(shè)計(jì)GUI框架并嵌入彩色中文液晶界面，實(shí)現(xiàn)了友好的人機(jī)交互。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)踐表明：系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，性價(jià)比高，實(shí)現(xiàn)了中央空調(diào)的智能化聯(lián)網(wǎng)控制。
關(guān)鍵詞： 中央空調(diào)；聯(lián)網(wǎng)控制；Cortex-M3；Cortex-M0；GUI框架設(shè)計(jì)；節(jié)能減排

    近年來，中央空調(diào)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于大中型建筑的室內(nèi)溫濕度調(diào)節(jié)。在大中型建筑中，中央空調(diào)系統(tǒng)相比于分體空調(diào)具有使用方便、投資低、噪音小、維護(hù)容易等眾多優(yōu)勢。然而，目前市面上的中央空調(diào)控制系統(tǒng)仍面臨著許多問題：(1)中央空調(diào)控制系統(tǒng)大多仍采用房間獨(dú)立控制的分散控制方式，在房間較多的建筑中進(jìn)行空調(diào)開關(guān)及溫度的管理耗時(shí)費(fèi)力[1]；(2)空調(diào)運(yùn)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(fèi)；(3)市面上的空調(diào)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(duì)這些問題，本文充分運(yùn)用嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套針對(duì)全水式中央空調(diào)[2]的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，通過對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化、智能化的統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)了中央空調(diào)系統(tǒng)前端的無人值守。同時(shí)在保證性能的情況下，通過在小容量低成本控制器上設(shè)計(jì)硬件和控制程序，并自主設(shè)計(jì)用于小型嵌入式設(shè)備的GUI框架，充分降低了實(shí)現(xiàn)成本。該系統(tǒng)于2013年3月在泉州中國人民解放軍第180醫(yī)院眼科樓安裝238套，至今運(yùn)行穩(wěn)定可靠，極大地方便了樓棟病房空調(diào)的管理。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    網(wǎng)絡(luò)化中央空調(diào)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎每偩€型結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

    系統(tǒng)包括控制面板、空調(diào)執(zhí)行器及PC中心控制端三部分。控制面板和空調(diào)執(zhí)行器是安裝在空調(diào)房內(nèi)的控制設(shè)備，所有前端設(shè)備都通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)互連。相比于使用CAN總線[3]等通信方式的方案，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)增加了系統(tǒng)的控制并提高了反應(yīng)速度，節(jié)省了布線成本，并且可以使利用大樓的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。控制面板負(fù)責(zé)采集房間溫度，并提供彩色中文液晶界面供用戶讀取和設(shè)置空調(diào)信息，同時(shí)通過串口通信將采集和設(shè)置的數(shù)據(jù)上傳到空調(diào)執(zhí)行器。空調(diào)執(zhí)行器通過控制電路操作房間內(nèi)的空調(diào)風(fēng)機(jī)和冷凍水閥門，同時(shí)通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)向PC中心控制端上傳房間的空調(diào)運(yùn)行參數(shù)并接收命令。PC中心控制端負(fù)責(zé)監(jiān)管接入網(wǎng)絡(luò)的空調(diào)執(zhí)行器，并且支持以B/S模式單獨(dú)和批量配置空調(diào)的工作方式。同時(shí)，PC中心控制端匯總空調(diào)執(zhí)行器上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。系統(tǒng)每個(gè)部分均設(shè)置了軟硬件看門狗，確保了長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。
2 控制面板設(shè)計(jì)
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(tái)的ISD9160芯片[4]。基于Cortex-M0架構(gòu)的芯片是市場上現(xiàn)有的性價(jià)比最高、能耗最低、最節(jié)能的ARM處理器。ISD9160的工作頻率可達(dá)48 MHz。

    模塊采用外部12 V直流電壓供電。根據(jù)散熱需求，兼顧成本、效率，本文選擇開關(guān)電源芯片MC34063作為穩(wěn)壓IC。在室內(nèi)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(duì)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(jié)約了成本。液晶顯示上，本文使用硬件SPI接口驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)了簡潔實(shí)用的中文操作界面，空調(diào)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況一目了然。用戶可以通過按鍵操作房間空調(diào)，人機(jī)交互界面友好。彩屏中文界面如圖3所示。

    嵌入式系統(tǒng)下的圖形界面要求輕量級(jí)且占用資源少[5]。本文自主設(shè)計(jì)了適用于小型嵌入式系統(tǒng)的GUI程序庫pGUI。pGUI的主要思想是：(1)使用面向?qū)ο蟮乃枷耄米宇愔苯影割惤Y(jié)構(gòu)體變量的方式實(shí)現(xiàn)繼承關(guān)系；(2)所有的活動(dòng)窗體變量都連成鏈表，主程序中輪詢判斷哪個(gè)窗體需要重繪，每個(gè)窗體帶有回調(diào)函數(shù)，對(duì)窗體的所有操作都通過回調(diào)函數(shù)進(jìn)行，所有控件操作都使用消息機(jī)制；(3)所有的GUI相關(guān)對(duì)象都在自定義內(nèi)存池中分配，存儲(chǔ)分配上采用了內(nèi)存池配合內(nèi)存索引表的方式進(jìn)行。索引表使用了雙向鏈表與順序表結(jié)合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。順序表用于快速索引窗體對(duì)象，而鏈表結(jié)構(gòu)則用于尋找可用空間和碎片整理。整個(gè)GUI的數(shù)據(jù)操作在固定的內(nèi)存模塊中運(yùn)行，切換界面時(shí)釋放活動(dòng)句柄，大大節(jié)省了內(nèi)存使用。
3 空調(diào)執(zhí)行器設(shè)計(jì)
3.1 硬件方案
    空調(diào)執(zhí)行器使用的主控芯片為意法半導(dǎo)體公司的基于Cortex-M3平臺(tái)的STM32芯片。Cortex-M3的優(yōu)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(biāo)，能夠處理更多更復(fù)雜的程序及事務(wù)，且工作頻率可達(dá)72 MHz。執(zhí)行器硬件模塊如圖4所示。

    控制器模塊對(duì)于空調(diào)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(fēng)機(jī)電路[7]。如圖5所示，C_DO1腳置高電平時(shí)，光耦聯(lián)通帶動(dòng)交流可控硅導(dǎo)通使風(fēng)機(jī)或閥門電路工作。
    本系統(tǒng)使用的網(wǎng)卡芯片為快速以太網(wǎng)MAC控制器DM9000C，該芯片集成了10/100 M自適應(yīng)收發(fā)器，并且支持介質(zhì)無關(guān)接口，簡化了開發(fā)難度。開關(guān)量輸入電路負(fù)責(zé)采集門開檢測信息，出現(xiàn)長時(shí)間門開窗開的情況時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉空調(diào)并對(duì)用戶進(jìn)行界面提示，減少電能的浪費(fèi)。
3.2 軟件方案
    在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳輸中，本系統(tǒng)使用了UIP嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。由于UIP協(xié)議的整體設(shè)計(jì)非常精簡，代碼量較小，很適合運(yùn)用于低成本的嵌入式產(chǎn)品[8]。UIP運(yùn)行于代碼的主程序段，通過輪詢方式判斷數(shù)據(jù)收發(fā)。本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的接收操作流程如圖6所示。此外，本系統(tǒng)在UDP協(xié)議的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用層協(xié)議，囊括了狀態(tài)上報(bào)、事件上傳、定時(shí)控制、數(shù)據(jù)透傳等功能。協(xié)議采用一包多串?dāng)?shù)據(jù)的形式，并且自帶數(shù)據(jù)校驗(yàn)。通過該協(xié)議，執(zhí)行器可接收多條事件及狀態(tài)消息，并可一次發(fā)布多條不同的控制命令。該協(xié)議保證了PC端能夠及時(shí)收集每個(gè)房間的空調(diào)信息，并能實(shí)時(shí)地對(duì)前端空調(diào)進(jìn)行單獨(dú)或批量設(shè)置。

4 實(shí)現(xiàn)效果
    本系統(tǒng)在中國人民解放軍第180醫(yī)院眼科樓的實(shí)際安裝中，每個(gè)病房安裝控制面板及空調(diào)執(zhí)行器一套，共238套，并且在樓棟服務(wù)器中配置了WEB服務(wù)器。每個(gè)護(hù)士站都能通過網(wǎng)頁配置樓層房間的空調(diào)運(yùn)行，使得眼科樓內(nèi)空調(diào)在運(yùn)行時(shí)能夠定時(shí)控制開關(guān)、智能切換模式、自動(dòng)控制溫度，實(shí)現(xiàn)了中央空調(diào)的集中控制。系統(tǒng)自2013年3月安裝至今工作穩(wěn)定可靠。
    本文綜合運(yùn)用了嵌入式技術(shù)和通信技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套智能化的中央空調(diào)集中控制系統(tǒng)。通過實(shí)際安裝使用證明，智能化、網(wǎng)絡(luò)化的控制方式極大地方便了大中型建筑中中央空調(diào)的管理，節(jié)省了大量人力，同時(shí)避免了能源浪費(fèi)。此外，本系統(tǒng)在保證性能的基礎(chǔ)上精簡了設(shè)備，降低了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成本，具有很高的經(jīng)濟(jì)和實(shí)用價(jià)值。下一步的工作重點(diǎn)是利用前端上傳的溫控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)能減排性能的分析。
參考文獻(xiàn)
[1] 朱峰.嵌入式技術(shù)在中央空調(diào)集中控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].長沙：中南大學(xué)，2007.
[2] 霍小平.中央空調(diào)自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：中國電力出版 社，2004.
[3] 林勇.CAN總線在中央空調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)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(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32(1)：89-93.
[6] Corporation S M.RM0008 Reference manual[A].2011.
[7] 俞炳豐.中央空調(diào)新技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.
[8] DUNKELS A，ALONSO J，VOIGT T，et al.Connecting wireless sensornets with TCP/IP networks[M].Wired/Wireless  Internet Communications，Springer，2004.