ZigBee技術的中央空調冷量計量計費系統(tǒng)設計

劉國文 劉軍德

(嘉興南洋職業(yè)技術學院機電工程系1，浙江 嘉興 314003;特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室(浙江工業(yè)大學)2，浙江 杭州 310032)

0 引言

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，中央空調在商業(yè)性大樓、民用住宅中已被廣泛采用，收費方式基本上沿用暖氣系統(tǒng)的按面積平攤計費方式。這種計費方式由于是按面積分攤，用戶交費均為定值，與使用情況無關，以致于敞開門窗用空調等各種惡性消費現(xiàn)象隨處可見。這對許多用戶來說是一種不公平的計費方式，且不利于引導用戶樹立節(jié)約能源的消費觀念［1］。

以ZigBee為代表的無線通信技術，憑借其低成本、低功耗、高安全性等特點，已在家庭自動化和建筑自動化行業(yè)得到了大量的應用，避免了因大量布線而帶來的數(shù)據(jù)線紛繁雜亂、檢修不便等問題［2］。

針對上述現(xiàn)象，本文結合ZigBee無線通信技術，提出了一種基于ZigBee技術的中央空調新型無線計量計費系統(tǒng)。該系統(tǒng)對現(xiàn)有中央空調系統(tǒng)溫控器進行改進;在無需重新布線的情況下，系統(tǒng)以無線自組網(wǎng)方式，對各用戶冷量使用情況進行智能遠程監(jiān)控與統(tǒng)計。

1 計量原理

目前，比較實用的中央空調分戶計量的計量方式主要有以下兩種:能量型計費方式和時間型能量計費方式［3－4］。時間型能量計費方式根據(jù)電動溫控閥狀態(tài)檢測，記錄風機盤管各檔位運行時間，然后根據(jù)總管上的總能耗來大致計算風機盤管散發(fā)的能量。時間型能量計費的計量結果雖不如能量型計費準確，但其計量方式簡單、初投資少、計量器故障率低，基本能滿足用戶分戶計量的要求。因此，本文選用時間型能量計量方式。其計量原理如下［5］。

對以風機盤管為末端的中央空調系統(tǒng)而言，風機都具有高、中、低三檔風速調節(jié)功能，影響末端設備與室內熱交換的主要因素是對流。因此，集中空調系統(tǒng)中的冷量可用式(1)計算:

式中:Q為冷量，kJ;c為比熱容，kJ/(kg·K);ML為流入風機盤管的冷水的質量流量，kg/s;ΔtH、ΔtM、ΔtL分別為風機盤管在高、中、低三個風速檔位下回水溫度與進水溫度的溫度差，K;dτ為風機盤管在各風速檔位下的運行時間間隔，s。

實際運行過程中，集中空調水系統(tǒng)中設有進、出水管道壓差檢測儀，并據(jù)此來調節(jié)旁通閥，保證冷水進、出水管的壓差恒定。由于供水管內的壓力相對穩(wěn)定，因此冷水的流速基本穩(wěn)定，流速的變化近似可以忽略，也就是說冷水的質量流量ML為一常數(shù)。

在同一樓層中供水溫度基本一致，而回水溫度是風機盤管風速的函數(shù)，風速越大，溫差Δt也越大。

令 Δt=t2－t1，可得 Δt∝v(v為風速，m/s)。設 α為溫差與風速的比例系數(shù)，則有Δt=αv。

對具有高、中、低三個風速檔位的風機盤管，對應三個風速有:

對每個風機盤管來說，高、中、低檔風速都是相對恒定的，即vH、vM、vL恒定;且每個風速檔位下的制冷能力都是一定的(可在風機盤管的技術參數(shù)中查到)，而影響末端設備與室內換熱的主要因素是對流。因此，高、中、低檔風速下溫差與風速的比例系數(shù)也是基本恒定的，即αH、αM、αL基本恒定。所以式(1)可簡化為:

由式(3)可以得出，各常量值可通過實際使用情況測出，故對于集中空調的每個風機盤管送出的冷量，可以利用不同風速下兩通閥開啟時間的累積值作為計算其冷量的依據(jù)。因此，實時無誤地記錄在不同風速下兩通閥開啟的時間，成為整個計量計費系統(tǒng)的關鍵。

2 系統(tǒng)構成

采用ZigBee技術構建的中央空調無線冷量計費系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 計費系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of consumption billing system

整個系統(tǒng)由前端數(shù)據(jù)采集部分(智能溫控器)和處理傳送部分(ZigBee協(xié)調器)以及末端的數(shù)據(jù)接收處理部分(上位機)組成無線通信結構網(wǎng)絡。其中智能溫控器是一個集成了ZigBee模塊的智能終端設備，它既可以作為傳統(tǒng)的溫控器對房間溫度進行監(jiān)控，也可以作為全功能設備(full function device，F(xiàn)FD)節(jié)點存在于ZigBee網(wǎng)絡中，各個FFD節(jié)點之間可以相互通信，也可以與協(xié)調器通信。協(xié)調器負責整個網(wǎng)絡的組建和路由，并將接收到的各房間智能溫控器運行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送到上位機PC端進行處理，再集中錄入到管理信息系統(tǒng)(management information system，MIS)中。

3 硬件設計

3.1 智能溫控器硬件設計

智能溫控器硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 智能溫控器硬件結構框圖Fig.2 Hardware structure of intelligent temperature controller

圖2中的CC2530模塊為系統(tǒng)核心處理部件。該模塊采用德州儀器公司的ZigBee射頻芯片CC2530-F256，片上集成高性能低功耗8051內核、128 bit ADC、2個UART以及強大的DMA功能等;提供訪問CC2530-F256全部數(shù)字和模擬接口的能力，包括ADC、DAC、比較器、定時器、UART、串行口和GPIO。

同時，該芯片還集成了數(shù)字溫度傳感器，可直接用于對環(huán)境溫度的檢測，從而不必增加額外的電路去實現(xiàn)低功耗無線系統(tǒng)所需要的功能。CC2530模塊基于ZigBee/IEEE802.15.4 協(xié)議進行通信，其工作頻段為 2.4 GHz、發(fā)送功率為100 mW，通信距離大于1000 m。

CC2530芯片讀入按鍵和無線傳送來的設定值，以定時中斷的方式對室溫、電動閥通斷狀態(tài)、繼電器工作狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集。同時，根據(jù)實際室溫與設定室溫的比較值，控制電動閥的通斷及風機盤管風速檔位的高低，以達到控制室溫和節(jié)能的目的。

3.2 ZigBee協(xié)調器硬件設計

ZigBee協(xié)調器的硬件結構框圖如圖3所示，其核心處理部件也為CC2530模塊。與智能溫控器不同，ZigBee協(xié)調器僅保留了按鍵接口，同時擴展了RS-232接口。按鍵接口便于ZigBee組網(wǎng)時調試，RS-232接口則用來與上位機進行通信。

圖3 ZigBee協(xié)調器硬件結構框圖Fig.3 Hardware structure of ZigBee coordinator

4 軟件實現(xiàn)

軟件開發(fā)環(huán)境是在IAR公司的Embedded Workbench5.3上完成的。軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Flowchart of the software

軟件設計包括三個部分:ZigBee協(xié)調器無線網(wǎng)關、智能溫控器節(jié)點和上位機數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。ZigBee協(xié)調器無線網(wǎng)關負責ZigBee網(wǎng)絡的組成、通信鏈路及路由的建立和數(shù)據(jù)包的協(xié)議轉換等［6－8］。智能溫控器充當ZigBee路由器，負責采集、處理和發(fā)送溫度、電通閥通斷狀態(tài)、風機盤管風速狀態(tài)等數(shù)據(jù)，同時轉發(fā)其他智能溫控器的數(shù)據(jù)［9－10］。

上位機數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以VB6.0為平臺，通過其豐富的內置控件，結合Widows環(huán)境下的MSComm控件，可簡單、方便地實現(xiàn)與ZigBee協(xié)調器通信;同時實時接收、顯示各智能溫控器傳送來的溫度、電通閥通斷狀態(tài)、風機盤管風速狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫;可隨時從數(shù)據(jù)庫中按時間查找數(shù)據(jù)、繪制圖形，并計算出用戶冷量使用情況及費用。

5 結束語

本文通過對當前中央空調系統(tǒng)的計量原理的探討，提出了基于ZigBee技術的中央空調新型無線冷量計費系統(tǒng)方案。

該方案以低成本、低功耗無線單片機CC2530為智能溫控器核心，對各用戶房間的當前溫度、電通閥通斷狀態(tài)、風機盤管風速狀態(tài)等數(shù)據(jù)進行采集，電路結構簡單，工作穩(wěn)定、可靠，且具有無線數(shù)據(jù)通信靈活、方便，上位機實時數(shù)據(jù)管理等特點，對解決當前中央空調系統(tǒng)冷量無法滿足按量計費的需求，具有一定的應用價值。

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