山东大学控制科学与工程学院 张啸 何小虎2012《控制与传动》第1期

一引言

　　楼宇自动化系统中中央空调子系统占有重要的地位，目前中央空调系统的自动化实现方式很多，有采用单片机，接口采用RS485,现场总线或者以太网，能实现中央空调的远程监控功能；还有采用PLC，比如西门子的S7-200实现数据的采集和监控。目前单片机种类很多，能实现本采集监控功能的芯片选择范围也较广，比如MEGA系列，freescale系列等，另外高端的芯片本身带有丰富的接口，实现更加方便，但是成本较高，另外基于PLC的中央空调监控系统成本瓶颈限制了其进一步的推广。所以开发一套低成本、高可靠性的中央空调远程监控系统是很有必要的。

　　二方案选择

　　最近今年，单片机的功能得到极大的提高，存储容量，数据处理速度，外围扩展能力，通讯功能等都了很大的提高，功能逐渐完善，再加上低成本的优势，市场占有率不断攀升。

　　本系统主要功能集中在对中央空调远程数据采集和监控，数据采集与监控的参数包括空调温度值，空调的开关机状态，空调风机的速度档以及制冷制热状态。选用单片机作为下位机，上位监控软件采用微软的VisualBasic即可满足控制要求。

　　三系统设计思路

　　目前的中央空调系统按输送介质主要有以下三类：空气，水和冷凝剂，所以相应的中央空调系统主要分为风管系统、冷热水系统和制冷剂系统。本方案主要适用对象是冷热水系统。冷热水系统分主机和风机盘管，主要工作原理是通过室外主机产生出空调的冷热水，由管道系统送至室内的各末端装置，在末端处冷热水与室内空气进行热量交换，产生冷热风，从而消除房间空调负荷。冷热水空调系统的末端通常都装有风机盘管，风机盘管的控制原理采用温控器加电动阀结构，如图1示。所以可以通过调节末端风机转速来调节送入室内的冷热量，由此可见，此种系统的特点是可以对各个末端（房间进行）单独的控制和调节。

　　室内温度可由设于每台风机盘管回水支管上与各房间内的温度传感器连锁的电动三通阀调节，亦可由风机盘管三速开关调节。



　　图1风机盘管控制原理图

　　对该风机盘管（如图2所示）的介绍：

　　(1)系统控制-------温度控制器放在温度需要调节的房间内，它具有ON/OFF两个通断状态，可以直接控制系统的开启与关闭。

　　(2)温度控制--------温度控制器上设有温度设定按钮，在温控器内有两对触电，夏季动作时将温度控制器选择开关拨到“COOL”档，对盘管供应冷冻水，当温度控制低于设定值时，其中一对触电断开，电动阀失电；当房间温度高于设定值时，另一对触点闭合，电动阀得电；反之，在冬季运作时，将温控器选择开关拨到“HEAT”档，对盘管供应热水，当房间温度高于设定值时，电动阀其中一对触点断开，电动阀失电，当房间温度低于设定值时，另一对触点闭合，电动阀得电，从而使房间万温度在冬夏季维持在一定的范围内。

　　(3)电动阀控制-------电动阀的动作直接受温控器的控制，电动阀得电时，阀门开启，向风机盘管供应冷热水；失电时，电动阀断开。从而使温度控制在一定的范围之内。

　　(4)风机控制---------当温控器处于“ON”状态时，可以通过另一组转换开关对风机进行高、中、低三档调节。



　　图2风机盘管空调器控制原理及动作

　　本系统中风机盘管的引线如图3所示



　　图3风机盘管引线

　　本系统下位部分是由温控器部分，采集器部分、中间站部分和上位机监控部分组成。

　　末端控制器（温控器）采集下位的有效信号，如温度值，空调开关机状态，空调的制冷制热状态以及风机的风档，经RS485串行总线传至采集器，采集器一方面负责数据的采集，另一方面接收上位机下传的命令。

　　如果采集器数量较多的话，可以附加中间站，功能和采集器类似，实现数据的采集和命令的传达，如果是单栋楼的话中间站可以不加以太网接口，就能实现单栋楼宇的中央空调的集中控制。如果有多栋楼宇的话，中间站扩展以太网接口模块，实现多栋楼宇中央空调的远程集中控制。

　　远程电脑当作客户端，采用可视化编程软件VisualBasic实现数据采集和监控。

　　四系统总体设计

　　1网络结构图

　　远程监控系统网络结构图如图4所示。



　　图4中央空调远程监控系统网络结构图

　　2硬件选择

　　选用Atmel公司的高档8位Atmega系列单片机，扩展串行接口（RS485接口）和以太网接口，以太网控制器选用Microship公司的ENC28J60。在实现每栋楼宇的中央空调集中控制的基础上,采用C/S结构，实现联网控制，实现多栋楼宇中央空调的远程集中控制。

　　具体来讲，温控器采用Atmega8芯片和温度传感器芯片18B20，附加数码管显示和按键控制；采集器采用Atmega162；中间站芯片采用Atmega64和ENC28J60。

　　3软件配置

　　温控器，采集器，中间站都采用C语言编程，上位监控部分采用VB编写。

　　4数据库选择

　　由于数据库选择的余地较大，本系统采用微软办公软件包自带的Access数据库，用于存储采集的数据，包括各个空调的实时温度值，温度设定值，开关机状态，风机的速度档（高速、中速、低速）及所处状态的运行时间。

　　5系统各层结构图

　　(1)温控器层



　　图5.1温控器层结构图

　　末端（各个房间）的温度控制是由一个温控器（如图5.1所示）来实现的，温控器的设计是系统的重点之一。本系统中，中央空调各个房间的温度是靠控制风机盘管的开关来实现的，通过单片机的I/O控制三个继电器实现高速、中速与低速的风机控制，从而实现温度的调节。

　　按键主要用于各参数设置。设置5个按键，分别为MODE、风机风速挡选择、电源开关、调节温度上升键，调节温度上升键。



　　图6温控器实物图

　　按键（如图6所示）说明：MODE键用于选择制冷制热状态；

　　风速挡键按1，2，3，4下代表风机高速，中速，低速，自动运行；

　　电源键用于控制空调的运行与停止；

　　每按一次提高温度键、降低温度键，设定温度相应的增加、降低1摄氏度。

　　显示采用LCD液晶显示，显示当前温度值、设定温度值、锁机状态、制冷制热状态、风机转速档。这些参数也可由上位统一设置。

　　芯片选择：由于采集的数据量较少，选用Atmega8。

　　(2):采集器层



　　图5.2采集器层结构图

　　采集器（如图5.2所示）负责采集末端温控器上传的数据及中间站或上位机下传的控制命令。采集器带双串口分别与末端温控器和中间站进行通信。该层设计时一个采集器负责接收8路末端数据，功能类似与集线器。采集器数据采集方式采用轮询。

　　芯片选择：考虑到采集器必须分别与末端和中间站进行RS485通信，所以选用带双串口接口的Atmega162。

　　(3)中间站层



　　图5.3中间层结构图

　　中间站层（如图5.3所示）负责与采集器和上位机进行通信，接收采集器数据和下传上位机控制命令。中间站增加的目的是为了实现多栋楼宇的远程监控。通过附加以太网控制模块并在主芯片中移植TCP/IP协议，为数据的远传提供了很好的解决方案。

　　芯片选择：以太网通信模块选择ENC28J60，该以太网控制器与IEEE802.3兼容，集成MAC和10BASE-TPHY,另外该芯片只有28引脚，占空间较小，如图7所示。主芯片选择Atmega64,64KB的FLASH,丰富的外围接口，性价比较高。

　　（4）上位机层

　　上位机作为客户端采集各个中间站的数据，并能远程控制各个末端的温度值，实现单个末端的温度控制和一层或多层或一栋楼的温度设定与采集，如表1所示。数据存储选择Access数据库，存储空调采集的数据，考虑到Access数据库2GB的存储容量，选择Access数据库完全能满足数据存储功能。

　　图7ENC28J60外围电路



　　表1上位机软件实现的功能

　　五关键技术

　　1TCP/IP协议的移植

　　为了实现中间站于远程电脑的通信，最终实现远程控制，中间站增加以太网通信模块并在主芯片Atmega64中移植TCP/IP协议，这是设计的重点之一。

　　2末端温控器的设计

　　按键功能的合理分配以及软件实现是系统功能完善性的基础。

　　3上位监控软件的可靠性和可扩展性

　　为防止由于线路故障或通信出错导致长时间的待机或死机，上位软件中必须加入延时等待超时判断和通信计数方法。

　　另外考虑到不同场合的楼数、楼层数、楼层房间的差别，上位设计时须具备可选性。

　　六结束语

　　本文提出了一种性价比较高的中央空调远程监控系统设计方案，特别适用于末端数量、楼层、楼数较多的场合。设计过程中充分考虑了故障处理措施，大大提高了系统的稳定性和实用性，对楼宇自动化系统中的中央空调远程监控设计有一定的借鉴意义。