基于物聯網的空調集中控制方法的分析及實現

陳兵+胡雯

收稿日期：2013-05-27

作者簡介：陳 兵（1962—），男，湖北武漢人，副教授，碩士，研究方向：計算機應用。

文章編號：1003-6199(2014)02-0077-04

摘 要：以物聯網傳感器技術為基礎，結合計算機信息管理系統，根據被控溫度場的特點，設計并實現集群溫度遠程實時控制系統，實現動態溫度采集，生成最優控制方案，最后通過物流網達到系統的實時控制。

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關鍵詞：物聯網;WEB;數據庫

中圖分類號：TP3文獻標識碼：A

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The Analysis and Design of the Air Conditioning Control Based on the Internet ofThings

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CHEN Bing,WENHu

(School of Information, Wuchang University of Technology, Wuhan,Hubei 430223，China)

Abstract:Based on the Zigbee Sensor technology, this article has combined the computer information management system with the characteristics of the controlled temperature field to design a Cluster temperature remote realtime control system. This control system is able to provide the optimal management strategy through instant temperature collection. Hence, it effectively leads to a real-time control of the system via the Zigbee technology.

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Key words:the Internet of things;WEB;database

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1 引 言

空調智能管理系統一般需要布設現場總線，然后將現場設備連接到一臺電腦進行數據處理，而如果需要實現跨地區的遠程管理，更是需要在互聯網上架設一臺專門的服務器，這樣，不僅需要投入服務器等網絡設備以及開發相應的服務軟件，系統的維護除現場級設備和總線鏈路外還需要IT部門的管理員協助維護服務器設備。因此，將物聯網技術引入到遠程空調智能管理系統中來，底層運用無線傳感網絡連接現場傳感器及設備，上層使用互聯網技術服務，消除現場級布線的煩惱，可以消除網絡硬件的投入及日常的IT維護，同時可以輕松實現基于WEB服務的遠程管理

2 傳統空調控制的主要方法

以往我國的空調集中控制系統主要采用以單片機為控制核心的單機組控制器，即一個控制器只能控制一臺空調機組，這種控制方法控制簡單，但是在多層或者較大型的建筑中控制能力就顯得力不從心了。

近年來也出現了采用ARM處理器作為控制芯片的集中控制器，基于ARM的空調網絡集中控制器能夠大大提高空調的使用效率，節約了能源，并且能夠顯著提高空調控制人員的工作效率，這一般運用于預先設計好的場所，對于臨時性的大型場所，不能實現快速組網從而實現集中控制。多年以來，我國公共建筑的空調管理比較粗放，空調溫度設置不盡合理，由于溫度設置的隨意性，及人走后未能及時斷電，導致造成能源資源的極大浪費。嚴重增加了環境壓力，同時浪費了用戶的大量資金成本投入。

3 基于物聯網的空調集中控制方法

基于物聯網的空調集中控制方法的分析及實現，主要加入了物聯網技術和基于Zigbee的無線傳輸技術［1］。Zigbee是遵循IEEE 802.15.4通訊協議，是一種短距離、低功耗的無線通信技術。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。

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系統模型建立

本文根據武昌理工學院大學生活動中心空調實際控制系統加以說明，針對項目對象得到的參數(每臺空調所設置的溫度Ti，時間t，以及功率W)，利用CAD制圖軟件和ANSYS模擬仿真軟件，對系統的各個參數進行模擬設置［2］。

1) 導入實體被控對象的實體模型

根據實際工程數據，利用CAD軟件畫出其三維圖，導出成 .sat 格式 和.dwg格式。打開ANSYS的workbench 導入.sat三維圖，對圖形中的每一個部分進行屬性設置。

2)導出相應的溫度場溫度數據

計算技術與自動化2014年6月

第33卷第2期陳 兵等：基于物聯網的空調集中控制方法的分析及實現

常規空調系統氣流組織的設計是以送風射流為基礎，通過反復迭代對溫度和速度進行校核，最后找到合理的送風方案和參數，通過ANSYS軟件繪制溫度場的模型，導出相應的溫度場溫度數據。

3)確定控制目標

在本系統的控制中，提供三種模式供操作人員選擇：

最經濟模式:在達到預設的溫度條件下，消耗最少的電能。從而達到節能環保的效果。

最快模式:以達到預設溫度為目的的條件下，耗時最短的一種調節模式，從而達到及時制冷的目的和效果。

最舒適模式：按照人體體驗最舒適的自然風和溫度，對制定區域進行溫度控制。

根據用戶選擇控制模式，按照系統軟件的參數需求，用VC調用ANSYS后臺數據，在顯示運行狀態圖的同時，計算得出各個空調的控制信息。

4 系統的結構

系統以易被接受、實用為目標，其主要技術指標包括先進性、方便性、實用性、準確性、實時性、安全性、適應性等方面。項目將采用單片機控制、中間件、接口、工作流引擎等多種技術，解決現場數據采集、下位機與上位機多點對一點數據通信、系統資源充分利用、數據暢通流轉、信息整合、不同網絡訪問等問題［3］。

整個系統將從基礎設備和應用軟件層進行構建。

基礎設備層包括：單片機、cc2430、18b20溫度傳感器、溫度采集輔助軟件、接口技術輔助軟件ZigBee、windows操作系統、電腦硬件、網絡、防火墻等；應用軟件層包括：數據庫支持層、后臺數據處理、用戶界面交互層［4］，如圖1所示。

圖1 系統結構圖

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4.1 網絡拓撲結構

本IACIMSBIOT系統共由三個應用程序組成，分別是無線發送接收程序，溫度數據記錄程序，web服務端程序,其結構圖如圖2所示。4.2 無線發送接收程序

無線發送程序是由C語言所編寫，在單片機上接有仿真器和ds18b20溫度傳感器，利用zigbee協議將寫好的程序寫入cc2430射頻單片機，那么，在通電的情況下，該部分會自動讀取溫度傳感器采集的數據，并通過cc2430自帶的無線發射功能，定時發送所采集到得數據。而無線接收端和控制端可以在直徑100m的范圍內，接收到無線發送端發送來的溫度數據，無線接收端和發送端的程序代碼基本相同，硬件連接也差不多。只是本系統的是多點對一點的溫度采集控制系統，即采集數據的發送端有多個，而數據的接收端只有一個，每個發送端都有標識符，所以在接收端能很方便的加以區別［5］，如圖3所示。

圖2 網絡拓撲圖

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圖3 無線發送接收程序流程圖

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4.3 溫度數據記錄程序

溫度數據記錄程序的設計考慮了很多因素，比如傳輸效率等問題，本溫度數據記錄程序是由VB語言編寫，將數據接收端的cc2430通過串口與pc機連接，pc機上的溫度數據記錄程序檢測串口并同步接收由無線發送端發送來的數據，所接收的數據都是有13byte的字節數據，通過數據中的第5、6字節區別各發送端，并通過第10、11字節讀取解析溫度數據，與此同時，此溫度數據記錄程序將所檢測到得數據寫入服務器所在的MySQL數據庫，如圖4所示。

圖4 溫度數據記錄程序流程圖

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4.4 Web服務端程序

系統與用戶交互的WEB服務端程序，該程序是由PHP編寫，整個程序采用TinkPHP框架，面向對象的開發結構和MVC模式，因而整個服務端程序符合高類聚低耦合的要求，程序可拓展性和可維護性很強，業務邏輯清晰，用戶可在在家電腦瀏覽器上，通過IP地址訪問服務端程序，服務端能靈活的辨別不同級別的用戶，并且返回相對應的用戶界面［6］。本程序還提供了簡單又好的圖形化界面管理，屏蔽繁雜的控制部分，將業務流程直白的通過圖形交互控制，簡單的表現出來。本程序提供了三套科學的控制方案，經過后臺算法的分析計算，呈獻給用戶的是直觀的終極溫度控制方案報表，如圖5所示。

圖5web服務端程序用戶登錄和

各模塊間切換流程圖

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5 結 論

1) 具有可靠的運行環境，確保安全工作 

對于將空調的溫度可以有效的控制在25℃左右，保證不會因為使用環境溫度高，造成電子元器件的損壞和故障機會增加；房間的溫度控制在25℃~28℃之間，因為與外界的溫差相對減少更有效地減少冷量損失。

2) 合理控制空調的溫度，節約了能源，達到節能的目的

系統突破了傳統空調控制系統的控制方式（單一的一臺空調設置溫度，不能實時控制房間的溫度），實現最佳輸出能量控制，即空調主機溫度實時在計算機顯示器上顯示，自動同步溫度的變化，因此，在空調系統的任何負荷狀況（滿負荷或部分負荷）下，都能既保障空調的服務質量（舒適性），又實現最大的節能。 

3) 具有實時監控的智能控制 

房間的環境溫度的實時監控，可以的及時發現空調系統故障，迅速處理，通過記錄分析系統的運行規律，提前檢修預防。因此系統采用了物聯網技術，使系統具有快速、實時的監控功能，實現了空調系統在各種負荷條件下的最大節能。

4) 優化多臺空調主機運行的環境 

系統全面采集空調的在一定溫度下運行參量，再利用物聯網技術，對這些相互關聯、相互影響的運行參量進行動態優化處理，以滿足空調系統非線性和時變性的要求， 使空調主機始終運行在最佳工況，以保持最高的熱轉換效率，從而減少主機的能耗 5%-10%。

參考文獻

［1］ 張莉.ZigBee技術在物聯網中的應用［J］.電信網技術, 2010(3): 1-5.

［2］ RICQUEBOURG V,MENGAD,DURAND D. The Smart Home Concept: Our Immediate Future［C］//Proc. of 2006 1ST IEEE International Conference on E-learning in Industrial Electronics. ［S. 1.］: IEEE Press, 2006.

［3］ ZIGBEE ALLIANCE.Zigbeespecification 2008［EB/OL］. ［2008-01-27］. http://www.Zigbee.org.

［4］ 楊倩. 物聯網關鍵技術及應用［J］.電信科學, 2010,(S1): 139-142.

［5］ 黃曉亮, 徐曉輝,宋軍華，等. 智能家居系統中無線傳感器網絡的設計［J］. 電子設計工程, 2011, 19(4): 35-37.

［6］ 徐敬東, 趙文耀,李淼，等. 基于Zigbee 的無線傳感器網絡設計［J］. 計算機工程, 2010, 36(10): 110-112.

圖2 網絡拓撲圖

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圖3 無線發送接收程序流程圖

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4.3 溫度數據記錄程序

溫度數據記錄程序的設計考慮了很多因素，比如傳輸效率等問題，本溫度數據記錄程序是由VB語言編寫，將數據接收端的cc2430通過串口與pc機連接，pc機上的溫度數據記錄程序檢測串口并同步接收由無線發送端發送來的數據，所接收的數據都是有13byte的字節數據，通過數據中的第5、6字節區別各發送端，并通過第10、11字節讀取解析溫度數據，與此同時，此溫度數據記錄程序將所檢測到得數據寫入服務器所在的MySQL數據庫，如圖4所示。

圖4 溫度數據記錄程序流程圖

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4.4 Web服務端程序

系統與用戶交互的WEB服務端程序，該程序是由PHP編寫，整個程序采用TinkPHP框架，面向對象的開發結構和MVC模式，因而整個服務端程序符合高類聚低耦合的要求，程序可拓展性和可維護性很強，業務邏輯清晰，用戶可在在家電腦瀏覽器上，通過IP地址訪問服務端程序，服務端能靈活的辨別不同級別的用戶，并且返回相對應的用戶界面［6］。本程序還提供了簡單又好的圖形化界面管理，屏蔽繁雜的控制部分，將業務流程直白的通過圖形交互控制，簡單的表現出來。本程序提供了三套科學的控制方案，經過后臺算法的分析計算，呈獻給用戶的是直觀的終極溫度控制方案報表，如圖5所示。

圖5web服務端程序用戶登錄和

各模塊間切換流程圖

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5 結 論

1) 具有可靠的運行環境，確保安全工作 

對于將空調的溫度可以有效的控制在25℃左右，保證不會因為使用環境溫度高，造成電子元器件的損壞和故障機會增加；房間的溫度控制在25℃~28℃之間，因為與外界的溫差相對減少更有效地減少冷量損失。

2) 合理控制空調的溫度，節約了能源，達到節能的目的

系統突破了傳統空調控制系統的控制方式（單一的一臺空調設置溫度，不能實時控制房間的溫度），實現最佳輸出能量控制，即空調主機溫度實時在計算機顯示器上顯示，自動同步溫度的變化，因此，在空調系統的任何負荷狀況（滿負荷或部分負荷）下，都能既保障空調的服務質量（舒適性），又實現最大的節能。 

3) 具有實時監控的智能控制 

房間的環境溫度的實時監控，可以的及時發現空調系統故障，迅速處理，通過記錄分析系統的運行規律，提前檢修預防。因此系統采用了物聯網技術，使系統具有快速、實時的監控功能，實現了空調系統在各種負荷條件下的最大節能。

4) 優化多臺空調主機運行的環境 

系統全面采集空調的在一定溫度下運行參量，再利用物聯網技術，對這些相互關聯、相互影響的運行參量進行動態優化處理，以滿足空調系統非線性和時變性的要求， 使空調主機始終運行在最佳工況，以保持最高的熱轉換效率，從而減少主機的能耗 5%-10%。

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［5］ 黃曉亮, 徐曉輝,宋軍華，等. 智能家居系統中無線傳感器網絡的設計［J］. 電子設計工程, 2011, 19(4): 35-37.

［6］ 徐敬東, 趙文耀,李淼，等. 基于Zigbee 的無線傳感器網絡設計［J］. 計算機工程, 2010, 36(10): 110-112.

圖2 網絡拓撲圖

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圖3 無線發送接收程序流程圖

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4.3 溫度數據記錄程序

溫度數據記錄程序的設計考慮了很多因素，比如傳輸效率等問題，本溫度數據記錄程序是由VB語言編寫，將數據接收端的cc2430通過串口與pc機連接，pc機上的溫度數據記錄程序檢測串口并同步接收由無線發送端發送來的數據，所接收的數據都是有13byte的字節數據，通過數據中的第5、6字節區別各發送端，并通過第10、11字節讀取解析溫度數據，與此同時，此溫度數據記錄程序將所檢測到得數據寫入服務器所在的MySQL數據庫，如圖4所示。

圖4 溫度數據記錄程序流程圖

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4.4 Web服務端程序

系統與用戶交互的WEB服務端程序，該程序是由PHP編寫，整個程序采用TinkPHP框架，面向對象的開發結構和MVC模式，因而整個服務端程序符合高類聚低耦合的要求，程序可拓展性和可維護性很強，業務邏輯清晰，用戶可在在家電腦瀏覽器上，通過IP地址訪問服務端程序，服務端能靈活的辨別不同級別的用戶，并且返回相對應的用戶界面［6］。本程序還提供了簡單又好的圖形化界面管理，屏蔽繁雜的控制部分，將業務流程直白的通過圖形交互控制，簡單的表現出來。本程序提供了三套科學的控制方案，經過后臺算法的分析計算，呈獻給用戶的是直觀的終極溫度控制方案報表，如圖5所示。

圖5web服務端程序用戶登錄和

各模塊間切換流程圖

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5 結 論

1) 具有可靠的運行環境，確保安全工作 

對于將空調的溫度可以有效的控制在25℃左右，保證不會因為使用環境溫度高，造成電子元器件的損壞和故障機會增加；房間的溫度控制在25℃~28℃之間，因為與外界的溫差相對減少更有效地減少冷量損失。

2) 合理控制空調的溫度，節約了能源，達到節能的目的

系統突破了傳統空調控制系統的控制方式（單一的一臺空調設置溫度，不能實時控制房間的溫度），實現最佳輸出能量控制，即空調主機溫度實時在計算機顯示器上顯示，自動同步溫度的變化，因此，在空調系統的任何負荷狀況（滿負荷或部分負荷）下，都能既保障空調的服務質量（舒適性），又實現最大的節能。 

3) 具有實時監控的智能控制 

房間的環境溫度的實時監控，可以的及時發現空調系統故障，迅速處理，通過記錄分析系統的運行規律，提前檢修預防。因此系統采用了物聯網技術，使系統具有快速、實時的監控功能，實現了空調系統在各種負荷條件下的最大節能。

4) 優化多臺空調主機運行的環境 

系統全面采集空調的在一定溫度下運行參量，再利用物聯網技術，對這些相互關聯、相互影響的運行參量進行動態優化處理，以滿足空調系統非線性和時變性的要求， 使空調主機始終運行在最佳工況，以保持最高的熱轉換效率，從而減少主機的能耗 5%-10%。

參考文獻

［1］ 張莉.ZigBee技術在物聯網中的應用［J］.電信網技術, 2010(3): 1-5.

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［5］ 黃曉亮, 徐曉輝,宋軍華，等. 智能家居系統中無線傳感器網絡的設計［J］. 電子設計工程, 2011, 19(4): 35-37.

［6］ 徐敬東, 趙文耀,李淼，等. 基于Zigbee 的無線傳感器網絡設計［J］. 計算機工程, 2010, 36(10): 110-112.