多聯式變頻空調控制策略通信方法與實現

劉曉東,李曉東，費繼友，王江波，肖丹

(1.大連交通大學 動車運用與維護工程學院，遼寧 大連 116028；2. 松下制冷(大連)有限公司，遼寧 大連 116600)

多聯式變頻空調控制策略通信方法與實現

劉曉東1,2,李曉東2，費繼友1，王江波2，肖丹2

(1.大連交通大學 動車運用與維護工程學院，遼寧 大連 116028；2. 松下制冷(大連)有限公司，遼寧 大連 116600)

采用S-NET通信協議，以空調通信適配器為從站，設計開發了基于STM32F407單片機的空調通信控制主站.介紹了兩者之間的RS485通信的建立和程序設計，詳細描述了單片機與空調通信適配器之間的通信調試，從而實現了基于S-NET協議的RS485通信.該系統控制策略和主要控制算法由STM32F407計算，其應用在多聯式變頻空調的家庭終端嵌入式網關系統中，能取得較好的控制效果.

STM32F407單片機；RS485通信；S-NET協議；多聯式變頻空調

0 引言

多聯式空調(熱泵)系統(簡稱多聯機)采用變容量調節以匹配系統負荷變化的特點，在節能和舒適方面有明顯優勢[1].將物聯網技術與多聯機相結合，以智能網絡化控制新模式實現空調遠程管控的目的，能夠滿足節能、高效管理、健康、時尚等需求[2].為此，需要設計家庭終端空調網關系統實現家庭內部空調傳感網絡和廣域網間互聯互通的使命.

為了更好地進行空調控制，家庭終端空調網關系統需要實時獲取空調系統中的一些實時狀態信息和操控系統的某些運行參數.本文利用空調通信適配器，通過RS485傳輸媒介，設計基于單片機的空調家庭終端網關系統，可以實現多聯式變頻空調系統的實時控制與狀態監測.其中，選用STM32F407單片機作為家庭終端網關系統的控制核心，負責控制策略算法計算和相關參數處理；空調通信適配器是多聯式變頻空調與外控系統連接的紐帶，通信適配器空調端直接連接空調室內外控制線，負責直接獲取空調參數和控制空調，另一端通過RS485連接單片機系統，其負責協議采用一種空調通信S-NET協議，該協議目前廣泛應用在空調系統中.

1 控制器選型

系統選用STM32F407單片機作為空調家庭終端網關系統控制器.STM32F407嵌入式微處理器具有性能高、功耗低、成本低、運行速度快速等設計特點[3].其頻率最高可達168 MHz，擁有1M字節的片上Flash存儲器、196 K字節的內嵌SRAM、靈活的外部存儲器接口和豐富且高級的外設，而且是32位市場上功耗最低的產品[4].

為了實現家庭網關系統與多聯式變頻空調間的通訊，以空調通信適配器為從站，設計開發基于STM32F407單片機的主站，實現兩者之間的基于S-NET協議的RS485通信，其系統硬件連接框圖如圖1所示.

圖1 系統硬件連接框圖

2 RS485總線與S-NET空調通信協議解析

STM32F407作為通信主設備，其RS485端口連接圖如圖2所示，RS485接口電路主要由+3.3V供電的半雙工收發器SP3485芯片和單片機串口2組成.其中，單片機端通過將STM32F407的串口2接入RS485總線網絡中，RS485采用平衡差分電路半雙工方式，A為同相端，B為反向端，半雙工的發送/接收數據選擇通信由PG8高低電平控制.允許并聯32臺驅動器，最大傳輸距離為1 200 m，傳輸速率100 Kbps/1 200 m[5].

圖2 RS485端口連接圖

RS485總線定義了網絡的物理層，網絡上層的通訊協議采用S-NET協議進行主設備和各從設備之間的通訊.S-NET協議按主—從方式進行網絡通信，采用主機查詢和從機回復的消息結構，其通信結構構成格式如表1所示.

表1 S-NET通信協議構成格式

(1)源地址與目的地址：用來選擇相應的發送和接收設備.

(2)控制代碼：確定主機發送的控制命令種類，將執行相對應的功能.

(3)字節數：確定命令和數據的純位數.

(4)命令和數據：主機與從機間通信的命令和數據域共包含兩部分內容：其中第一個字節被用作命令代碼或數據代碼，用于細分代碼種類，后續字節描述從機的狀態信息或者執行動作所需要的命令信息.

(5)FCC校驗：采用奇偶校驗方式來判斷數據傳輸的正確與否.具體方法為判斷所有字節(不包含校驗碼)逐個異或的計算結果與校驗碼是否一致.

3 系統通信程序設計與實現

3.1 STM32F407串口USART配置

利用S-NET空調通信協議通訊時，首先需要進行串口USART初始化的相關配置，包括設置控制特性、數據位、停止位、波特率、校驗位等.其串口USART初始化部分代碼如下：

USART_InitStructure.U_BaudRate = 9600；//設置波特率為9600

USART_InitStructure.U_Parity = U_Parity_No；//無奇偶校驗位

USART_InitStructure.U_Mode = U_Mode_Rx | U_Mode_Tx；//設置成收發模式

USART_InitStructure.U_WordLength=U_WordLength_8b；//設置字長為8位數據格式

USART_InitStructure.U_StopBits =U_StopBits_1；//設置一個停止位

USART_InitStructure.U_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None；//無硬件數據流控制

USART_Init(USART2, &USART_InitStructure)；

//設置串口2初始化

3.2 單片機發送與接收信息處理程序設計

STM32F407單片機在空調控制系統中承擔家庭網關主控制器作用，負責實時采集和控制連接到適配器上的多聯式變頻空調各室內機的狀態信息.S-NET協議采用主機查詢和從機回復的消息結構進行通訊，通訊程序DataSendReceive128A( )流程如圖3所示，通訊時，單片機發送和接收S-NET協議幀，包含了源地址、目的地址、功能代碼、執行該功能所需的相關參數、校驗碼等信息.發送和接收指令子程序流程如圖4所示，單片機端通過中斷方式接收消息，接收到的消息首先進入校驗子程序CheckReceivedData().

圖3 通訊程序流程圖

圖4 發送和接收指令程序流程圖

圖5 校驗子程序流程圖

4 單片機與空調設備通訊調試

以市面銷售的一款空調適配器為例進行通訊實驗測試，該空調適配器一臺最大可實現128臺室內機及60臺室外機的集中監控，極大地滿足家庭用多聯式變頻空調系統最大需求.

調試環境下，單片機與一臺空調適配器進行RS485通信即可，一臺空調適配器空調端連接2臺室外主機及4臺室內機組，實現家庭多聯式變頻空調的狀態集中監控.在通訊過程中，單片機計算從機(適配器)地址和構造通訊指令，編寫相應的控制程序，與從機進行發送和接收通信.通信指令的類型包括服務類型(其命令種類包含“設定，操作”、“請求”、“應答”、“狀態更改”等)、相應模式等.根據不同的通信需求，實現分類通信，程序流程如圖6所示，通信類別對應“空調構成確認”、“室內機狀態通信”、“實時操作通信”、“定時操作通信”.

圖6 分類控制子程序流程圖

5 結論

系統選用S-NET空調通信協議，以空調適配器為橋梁，研究了基于STM32F407的多聯式變頻空調家庭網關系統通信策略.在設計過程中，實現了S-NET空調通信協議的正常發送與響應，單片機主機實現了控制策略算法與控制參數的處理，通過運行測試，通信良好.后續的研究重點是不同的空調控制需求分解，以實現單片機對空調狀態的實時監控.

[1]邵雙全，高玉平，陳剛,等.基于計算機仿真的多聯式空調系統控制策略優化設計[J].制冷技術，2015(2):17-20.

[2]張朋，賀煥林，王艷霞，等.基于物聯網的中央空調SCADA系統設計與實現[J].工業儀表與自動化裝置，2014(6):24-29.

[3]嚴良文，賴雪峰，韓濤,等.基于STM32的中央空調控制策略通信方法與實現[J].機械與電子，2014(9):63-65,80.

[4]陳少華，沈巍，徐金鈺,等.基于STM32的災難現場搜救機器人研制[J].大連交通大學學報，2016,37(5):113-115.

[5]李麗，劉沖，苗中華,等.基于RS485總線的多變頻器與工控機互聯測試系統[J].測控技術，2016(7):64-67.

?程序Check

Data( ) 流程如圖5所示，消息接收完成后先進行FCC校驗，若校驗結果不通過則生成錯誤代碼-3，將代碼返回并請求從機重發信息.如果FCC校驗結果正確，則進一步判斷接收字節數BC是否正確，如果接收字節數錯誤同樣生成錯誤代碼-3，并直接拋棄該消息并返回主程序，如果接收字節數正確則進一步判斷接收目的地址是否與本機相符，全部通過才將接收到的數據裝入結構體RcvStr1SlinkStr( )中，進而對數據進行分解，通過判斷控制功能代碼，從中提取出執行功能代碼和數據，存入結構體RcvStr2SlinkStr()中，以便后續根據其控制功能分類進入相應的功能程序.

Method and Realization of VRF Air Conditioning Control Strategy Communication

LIU Xiaodong1,2, LI Xiaodong2, FEI Jiyou1, WANG Jiangbo2, XIAO Dan2

(1.School of EMU Application and Maintenance Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China; 2.Panasonic Appliances Air-Conditioning and Refrigeration (Dalian) Co., Ltd, Dalian 116028, China)

With the VRF air conditioning communication adapter being the slave station, a master station of STM32F407 microcontroller is developed based on S-NET protocol. The establishment and program design of communication protocol using RS485 between master and slave are introduced, and the process of debugging between the microcontroller and air conditioning communication adapter is elaborated. Thus the RS485 communication is implemented based on the S-NET protocol. The system will be applied in the embedded home control gateway system of VRF air conditioning. A good control effect will be obtained as the controlling strategy, and main algorithm can be computed in the STM32F407 slave station.

STM32F407 microcontroller; RS485 communication; S-NET protocol; VRF air conditioning

1673- 9590(2017)04- 0169- 04

2016-10-01

遼寧省教育廳高等學校科學研究計劃資助項目(JDL2016026)

劉曉東(1982-)，女，工程師，博士研究生，主要從事智能測控技術方面的研究E- mail:lxd@djtu.edu.cn.

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