基于ＨＢＳ的溫室空調(diào)控制器的研制

摘 要：畜牧、養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展給溫室控制系統(tǒng)的發(fā)展帶來契機(jī)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各種總線系統(tǒng)逐漸引入控制系統(tǒng)中。現(xiàn)在國內(nèi)的絕大部分溫室控制系統(tǒng)均不能與HBS總線相兼容，而作為溫室控制中不可缺少的空調(diào)系統(tǒng)，有相當(dāng)一部分采用了HBS總線架構(gòu)，這些設(shè)備不能直接接入溫室控制中，給溫室建設(shè)帶來不便。利用單片機(jī)和MM1192(HBS總線通信模塊)將空調(diào)控制器進(jìn)行改進(jìn)，可使空調(diào)系統(tǒng)融合到溫室控制系統(tǒng)中來，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。此文的一些方法也適用于一些HBS智能家用電器的控制設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：溫室控制；HBS總線；空調(diào)系統(tǒng)；控制器

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)09-111-03

Research on Greenhouse Air-condition Controller Based on HBS

SONG Tao，GE Huijie，WEN Yang，WU Tao，XU Xiaohui

(College of Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin，300401，China)

Abstract：Development of the livestock industry and aquaculture makes an opportunity for greenhouse controlling system.Following the progress of science and technology，HBS is applied in many kinds of controlling system.Nowadays，most of the internal greenhouse air-condition system cannot compatible with HBS，but as much more important part of the whole system，many air-conditions are designed with HBS，they cannot be connected in greenhouse controlling system directly.To make an improvement by single chip computer and MM1192 (HBS adaptor)，the greenhouse controll system can easily hold air-conditioning devices (based on HBS) together.This method can also be used in other devices which based on HBS intelligence system.

Keywords：greenhouse controlling;HBS bus;air condition system;controller

現(xiàn)代智能溫室控制系統(tǒng)的應(yīng)用，大大提高了各種動(dòng)植物養(yǎng)殖的自動(dòng)化程度，在這個(gè)控制系統(tǒng)中，我們要用到大量的溫度、濕度、氣體濃度等控制設(shè)備。溫度和濕度的調(diào)節(jié)主要靠空調(diào)系統(tǒng)來完成，而在當(dāng)今的空調(diào)品牌中，大部分采用了HBS(Home Bus System)總線，尤其是日本的諸如三洋、日立等空調(diào)，這些設(shè)備想要加入到溫室控制中，單靠其現(xiàn)有的空調(diào)遙控是不能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橐话愕臏厥铱刂葡到y(tǒng)和HBS總線是不兼容的，本控制器就是通過單片機(jī)和MM1192(HBS總線通信模塊)將空調(diào)系統(tǒng)融合到溫室控制系統(tǒng)中來，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

HBS由日本電子工業(yè)聯(lián)合會(huì)/無線工程電子協(xié)會(huì)HBS標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定，以雙絞線和同軸電纜為介質(zhì)，控制通道最多可有64個(gè)節(jié)點(diǎn)，由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層組成^[1]，其協(xié)議內(nèi)容包含了如何通過傳輸介質(zhì)將家庭設(shè)備、電話、音頻/視頻裝置連接達(dá)到控制，他在現(xiàn)代家居系統(tǒng)中較為常見。

不論是哪種協(xié)議，其物理層通信載體都是網(wǎng)絡(luò)布線，有了這個(gè)物理載體，完全可以通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)日常所需的控制。

1.1 電源電路

家庭總線通過變壓器產(chǎn)生一個(gè)12 V直流載波，這個(gè)直流載波在總線上對(duì)于任何一個(gè)控制器都是一個(gè)回路。對(duì)整個(gè)電路設(shè)計(jì)而言，總控制器和各家電控制器均采用家庭總線直流載波供電，通過電平轉(zhuǎn)換模塊將12 V電壓轉(zhuǎn)換為單片機(jī)需要的5 V。對(duì)于電源電路而言，通過電感將交流信號(hào)阻斷，將控制信號(hào)濾出，更重要的是隔離開電源電路對(duì)總線上控制信號(hào)的干擾。

電平轉(zhuǎn)換芯片選用62AB，電路簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 供電模塊

1.2 控制模塊

控制模塊選用一般AT89C51單片機(jī)即可，AT89C51是一種帶4 kB字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(Flash Programmable and Erasable Read Only Memory，F(xiàn)PEROM)的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器^[2]。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。

1.3 HBS通信模塊

MM1192總線控制模塊是日本MITSUMI公司專門為HBS總線設(shè)計(jì)開發(fā)的適配器芯片，其本身自帶編碼解碼電路^[3]，可應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)的電信、安全監(jiān)控、影音設(shè)備、空調(diào)設(shè)備等，通過MM1192可將單片機(jī)控制信號(hào)附加到HBS總線的直流載波上進(jìn)行傳輸，在接收端，同樣利用MM1192將載波上濾出的信號(hào)進(jìn)行還原，其控制時(shí)序如圖2所示。

采用MM1192收發(fā)模塊，可直接與單片機(jī)連接，另外，考慮到一些干擾和失真，在單片機(jī)和收發(fā)模塊之間加入了[LL]整形電路74HC00，有效降低了誤碼率。

圖2 MM1192時(shí)序及傳輸延時(shí)

在單片機(jī)I/O控制口的設(shè)計(jì)中，將P1口作為各種控制的按鍵控制口，不同的按鍵代表不同的控制功能，具體分為：開機(jī)、關(guān)機(jī)，高溫、低溫，送風(fēng)、除濕、制冷、加熱。P2口作為控制狀態(tài)顯示輸出，8個(gè)LED發(fā)光管代表不同的當(dāng)前命令狀態(tài)。 

整個(gè)控制模塊的電路簡(jiǎn)圖如圖3所示。[FL)][HT1.][HT10.SS]

圖3 控制模塊電路簡(jiǎn)圖

[FL(K2]

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 空調(diào)工作過程

空調(diào)控制器研制過程中，有一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)是空調(diào)命令碼的獲取，從空調(diào)主機(jī)的HBS端口，還有擴(kuò)展的232接口和485接口，都不能直觀地獲得這些命令碼，雖然大部分空調(diào)通信都遵循HBS協(xié)議或485協(xié)議，但在傳輸過程中都是加密的。盡管如此，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)每次控制器發(fā)給空調(diào)主機(jī)的都是一個(gè)完整的報(bào)文，其工作過程如下：

在日立空調(diào)的控制系統(tǒng)中，每當(dāng)系統(tǒng)上電，控制器和空調(diào)主機(jī)之間都會(huì)進(jìn)行信息交互，也就是常說的系統(tǒng)初始化，其過程有至少七次信息握手，首先是控制器向空調(diào)主機(jī)發(fā)送信息碼，主機(jī)回應(yīng)，然后空調(diào)主機(jī)向控制器發(fā)送索取信息，之后控制器確認(rèn)，空調(diào)主機(jī)再次向控制器發(fā)送索取信息，控制器再次確認(rèn)，如此反復(fù)7次直到完成控制器與空調(diào)主機(jī)之間的信息同步。初始化完畢之后，控制器發(fā)送的每一條控制命令中都包含了當(dāng)前的控制器狀態(tài)及發(fā)生改變的狀態(tài)，還有當(dāng)前室溫等參數(shù)(由控制器終端的傳感器采集得到)，空調(diào)主機(jī)記下其狀態(tài)并根據(jù)控制命令和控制器發(fā)來的狀態(tài)參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、濕度等。

從實(shí)驗(yàn)中得到，在空調(diào)主機(jī)未經(jīng)過初始化的情況下，給其發(fā)送控制命令，亦可實(shí)現(xiàn)控制，即將原來的雙向通訊方式改為單向，控制器改為單片機(jī)控制，只發(fā)送控制碼，不接收和識(shí)別空調(diào)主機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，只在收到主機(jī)的確認(rèn)信息后對(duì)其進(jìn)行各種控制。

2.2 數(shù)據(jù)采集

命令碼的采集需要采集設(shè)備，本文所用虛擬儀器型號(hào)DSO2902，具體參數(shù)為：20 Gb/s等效采樣，250 MHz或500 MHz實(shí)時(shí)采樣速率，采樣速率從1 Hz/s~20 GHz/s。測(cè)量帶寬80 MHz，用數(shù)學(xué)插值計(jì)算提高帶寬；通過計(jì)算機(jī)并口或USB 2.0口連接計(jì)算機(jī)；最大512 kB/1 MB存儲(chǔ)深度；多種先進(jìn)觸發(fā)方式；采集和通道參數(shù)能自動(dòng)設(shè)置；帶125 MHz或200 MHz的頻譜分析儀功能/FFT，8通道250 MHz/s邏輯分析儀；外觸發(fā)既可用正負(fù)電平也可外部時(shí)鐘觸發(fā)，示波器與邏輯分析儀可交叉觸發(fā)；帶XY繪圖功能；計(jì)算機(jī)屏幕進(jìn)行彩色顯示，并能多屏幕顯示； 對(duì)采集波形進(jìn)行運(yùn)算，10多種自動(dòng)測(cè)量參數(shù)；顯示數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)硬盤，以便事后分析。用戶可編制LabVIEW驅(qū)動(dòng)，連接LabVIEW圖形化設(shè)計(jì)^[4]。

空調(diào)命令碼的采集端應(yīng)該在命令碼進(jìn)入MM1192總線控制模塊之前(控制器端)或者M(jìn)M1192解碼之后(主機(jī)端)，因?yàn)榭刂破鞫说腗M1192是將命令碼編碼發(fā)送，其碼形是不可讀的，主機(jī)端的MM1192將總線上的命令碼解碼，解碼之后的碼形和進(jìn)入控制端MM1192之前的碼是一樣的。如圖4所示。

圖4 碼形傳輸示意圖

圖像采集使用雙通道，分別標(biāo)以不同的顏色，在顯示區(qū)域以可自定義的上下兩部分對(duì)應(yīng)顯示，可清晰的看出發(fā)送碼與回復(fù)碼，采集到的圖像如圖5所示。

圖5 獲取的空調(diào)控制碼

采集到的命令碼通過軟件可放大成百上千倍，將圖5展開便可得到清晰可讀的控制碼與回復(fù)碼，如圖6所示。

從放大后的波形圖可以清楚地看到上下兩個(gè)波的具體信息，下面的碼是命令碼，上面長(zhǎng)出命令碼的部分是空調(diào)主機(jī)的回復(fù)碼，命令碼的結(jié)束部分為00-0000，回復(fù)碼為0101000。

2.3 軟件流程

為了達(dá)到控制系統(tǒng)的最優(yōu)化，軟件設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，簡(jiǎn)潔有效的程序能節(jié)省單片機(jī)的運(yùn)行時(shí)間從而提高系[CM(22]統(tǒng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確率，同時(shí)使CPU工作在掉電或者空閑模[CM)][LL]式下，也能有效降低功耗。掉電模式時(shí)功耗要比空閑模式更低，但由于掉電模式需要硬件復(fù)位喚醒，所以設(shè)計(jì)中選用CPU空閑模式。

圖6 讀取命令碼

軟件整體設(shè)計(jì)流程：上電后單片機(jī)進(jìn)入空閑模式。用戶通過外部按鍵中斷喚醒處理器，處理器掃描按鍵，得到要發(fā)送的命令碼并將其發(fā)送到HBS總線上，HBS總線上的空調(diào)主機(jī)會(huì)收到這個(gè)命令碼并執(zhí)行。控制器在一定時(shí)間里沒有發(fā)送命令的話則進(jìn)入空閑模式。

空調(diào)控制器軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 軟件流程

3 結(jié) 語

通過MM1192總線控制器，利用單片機(jī)能夠?qū)χ醒肟照{(diào)系統(tǒng)進(jìn)行包括開關(guān)機(jī)、制冷、除濕、加熱等常規(guī)控制，大大降低了控制成本，使基于HBS總線的空調(diào)設(shè)備很方便地安裝到溫室控制系統(tǒng)中，通過對(duì)日立空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期效果。本控制單元有較強(qiáng)的可移植能力，在HBS系統(tǒng)總線上，只要有控制目標(biāo)的命令碼，就可以通過本文設(shè)計(jì)的控制器控制總線上不同的目標(biāo)設(shè)備。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］鄒吉平.基于現(xiàn)場(chǎng)總線的智能照明控制系統(tǒng)分析與應(yīng)用\\[J\\].建筑電氣，2007，26(4):49-53.

［2］胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)\\[M\\].北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［3］MITSUMI.HBS-Compatible Driver and Receiver MM1192.

［4］北京迪陽科技公司.DSO2902使用說明書\\[M\\].

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作者簡(jiǎn)介

宋 濤 男，1980年出生，河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院在讀研究生。從事傳感器及傳輸系統(tǒng)研究。

葛慧杰 男，河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院在讀研究生。從事傳感器及傳輸系統(tǒng)研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。