基于物聯網中央空調遠程控制以及節能策略的設計與實現

宮華耀 矯曉龍 任兆亭 林文濤

（青島海信日立空調系統有限公司 山東省青島市 266000）

隨著網絡時代的快速發展，家電產業的智能化水平也都有很大程度的提高。同時用戶的生活習慣與方式也發生了較大的變化，促使著傳統家電產業朝著更為便捷、高效的方向發展來滿足用戶的需求，且隨著近年來物聯網產業的飛速發展，物聯網相關家電產品應運而生。

物聯網（Internet of things）在當今信息技術組成中占據著重要的地位，其基本含義是由美國Auto-ID 提出，是指“萬物皆可通過網絡互連”，可以理解為，物聯網是將互聯網進行了新的拓展，將用戶端范圍擴展到任何物品之間進行傳遞和數據通信[1]。故實現應用創新是物聯網發展的核心，同時以用戶體驗為核心的創新是目前物聯網發展的靈魂。

為提升我司多聯機組的智能化水平，首先，最為重要的是要現將機組聯網入云，也是最為關鍵的一部，為后續的智能化工作做好了準備。在行業中，常用的幾種設備入云的方式有：NB-IoT, 2G,4G,Lora 等方式。幾種通訊方式的優缺點對如表1 所示。

不同的通訊形式均有各自的優缺點，可以針對不同的應用場景考慮不同的通訊形式。由表1 分析可知，2G 的成本雖然較低，覆蓋面較廣，但是功耗較大，信號的穿透力也相對較弱。因其技術應用的較早，相對也比較成熟，也是國內外市場最為普遍的一種物聯網通訊方式。NB-IoT 相較與2G 具有功耗低，穿透力強的特點，且可以與2G 基站復用，故通過此方式入網效率更高。上述三種方式基本可以滿足普通的家裝項目和公建項目的設備入網需求。若是考慮大數據量通訊的應用場景，一個通信終端需要上傳大量的音頻或視頻數據，此時，上述的三種通信方式便不再適用，若成本壓力和運維壓力較小的話，建議使用4G 通訊方式將設備入云。

1 物聯網空調的功能介紹

1.1 物聯網中央空調功能概述

本論文所涉及的物聯網中央空調，是在原有的傳統中央空調的基礎上，標配了智能通訊模塊，故除了保留了原有機組的基本功能外，物聯網中央空調新增功能如下：

（1）免去繁瑣配網流程，機組上電自動聯網，方便用戶遠程控制。

（2）設備追蹤，實現物流追蹤，倉儲中的設備位置管理。

（3）維修提效，遠程獲取故障數據，提升一次性維修率；基于故障預測，調配人力和配件。

（4）主動服務，自動檢測和評估用戶需求，主動銷售耗材，延保服務及清洗保養等。

表1：常用物聯網通訊方式對比

表2：物聯網通訊業務對比分析

表3：NB-IoT 適配器功能一覽表

圖1：物聯網空調工作原理

（5）能源集成化，可視化管理，優化控制策略節省能耗。

物聯網中央空調的工作原理如圖1 所示。

簡言之，NB-IoT 適配器作為Homebus 通信系統中集控器的存在，通過與整機通訊，獲取實時的運行參數，再將控制指令下發。然后通過與NB-IoT 適配器通訊，將整機的信息與云端交互，作為遠程控制及后臺運營維護的基礎。

1.2 云端通訊方式

整體的物聯網產業的技術分類可以概括為表2 所示。

如表2，家電產業集合物聯網技術時，會更傾向于低功耗，廣覆蓋的入網形式，技術方向會傾向于LPWA 類，且在國內市場，NB-IoT 技術可以復用2G 網絡基站，所以覆蓋范圍基本遍布全國，考慮到低功耗，廣覆蓋的特點，且對通訊速率的要求不嚴苛，故選擇NB-IoT 的入網方式。

1.3 NB-IoT適配器的設計

1.3.1 NB-IoT 適配器功能一覽表

NB-IoT 適配器功能一覽如表3 所示。

1.3.2 硬件設計思路

NB-IoT 適配器的硬件具備的功能如下：

（1）收集機組運行參數，下發控制指令。

（2）檢測電池安裝情況，保證使用前電池被拆下。

（3）特殊運行模式下檢測當地的信號強度。

為實現上述功能，NB-IoT 適配器的設計框圖如圖2 所示。

圖2：NB-IoT 適配器硬件設計

圖3：NB-IoT 適配器硬件設計

圖4：通訊模組狀態遷移圖

NB-IoT 適配器中的MCU，主要負責與整機通訊，采集機組運行參數，同時下發控制指令。NB-IoT 通訊模組主要負責接收云端指令，將指令下發至MCU 從而實現對整機的控制。二者通過UART 進行數據交互。

硬件上的SW1，負責執行自檢動作，同時清除EEPROM 中的內容。SW2 負責控制NB-IoT 模組進入信號強度的檢測模式，當地信號的強度會通過信號強度LED 顯示。

硬件中的電池主要是為了在運輸過程中，支持NB-IoT 通訊模組上報地理位置，更好的服務物流。

1.3.3 主控芯片的狀態遷移

NB-IoT 適配器的功能狀態遷移圖如圖3 所示。

下述為狀態遷移條件。圖中的（）內的號碼與以下所示（）內的號碼對應。

（1）NB-IoT 適配器與內外機通信過程中，按住自檢按鈕3s以上，進入自診斷狀態。

（2）自診斷結束后無異常便進入通常，無需再次上電。

1.3.4 通訊模組的狀態遷移

下述為狀態遷移條件。圖4 中的（）內的號碼與以下所示（）內的號碼對應。

（1）通訊芯片向主控芯片連續發送10 次指令卻無反饋，則進入休眠狀態。

（2）首次上電或者收到激活中斷。

2 NB-IoT適配器控制邏輯

NB-IoT 適配器上電以后，執行以下工作：

主控芯片與NB 模組間的通訊時序如圖5 所示，二者經過初始化的數據交互后，NB 模組和云端以及APP 均確認了當前機組的聯機情況，進入通常階段后，APP 端便可以控制機組動作。

2.1 EEPROM的啟動控制

同時滿足以下兩邏輯，判定EEPROM 內數據有效：

（1）讀取EEPROM 中保存的室內機數量是否合法。合法范圍是 1＜= 室內機數量 ＜= 32。

（2）讀取EEPROM 中保存的室內機在線列表，確認列表中存在的室內機總數與第一步讀取的室內機總數一致。

經過上述兩步判定EEPROM 內數據是否有效，進而選擇HomeBus 端的啟動邏輯。如圖6 所示。

若NB-IoT 適配器首次上電，EE 數據為空，與內外機按照正常步驟進行初始化通訊，然后進入通常狀態。

若NB-IoT 適配器再次上電，且EE 數據有效，則跳過與內外機間的初始化階段，直接進入通常控制。需要注意的是，當進入通常狀態后，需要監聽內外機當前通訊狀態，若內外機處于握手階段，NB-IoT 適配器需要主動保持靜默，待內外間握手結束后，再進入通常通訊。

所以當二次上電后，若有部分內機未上電，則NB-IoT 適配器會將EEPROM 中的數據更新到云端，與內外機持續通訊3min 后，檢測無應答的室內機，則報警離線。

2.2 電池檢測設計

主控芯片完成自身的端口初始化后，開始執行電池檢測邏輯，同時不能影響Homebus 端的通信。檢測思路如下：

圖7 中，P153 端口由主控芯片控制，負責給通訊模組供電，Test19的測試點，有AD采樣電路直接連通主控芯片的AD采樣端口。在檢測周期30s 內，AD 采樣口獲取的采樣值沒有超過設定的閾值，則判定無電池裝入，則P153 輸出高電平，由主控芯片控制給通訊芯片供電。

2.3 雙芯片通訊機制

圖5：NB-IoT 適配器工作流程圖

主控芯片（MCU）與通訊芯片（NB 模組）之間采用標準Modbus 協議，一問一答的形式進行交互，通訊芯片主動下發讀或者寫指令，主控芯片回復點位內容，將公共的Modbus 協議轉換為私有的Homebus 協議，進而獲取機組狀態信息以及下發控制指令。

通訊芯片與主控芯片之間采用狀態變化標志位的輪訓機制，大幅度提高了點位檢索的效率，檢索思路如下：

（1）對所有狀態點位進行區域劃分，以30 個狀態點位為一組舉例。

（2）對每個組分配一個變化標志位。這些標志位單獨占用一部分點位。

（3）若每組的狀態點位值有所變化，下位機自動將該組的變化標志位給置位。

（4）上位機僅需要不斷輪詢少部分的變化標志位的點表即可。

（5）上位機輪詢到某一變化標志位置位以后，進一步去查找該標志位對應的狀態位分組。

（6）上位機僅對該組內的所有狀態點位輪詢一遍，更新變化的狀態值，隨后，將該變化的標志位清0。

流程圖如圖8 所示。

根據上述流程，舉例如圖9 所示。

2.4 NB- IoT適配器的綁定和解除

NB-IoT 適配器綁定流程：

工廠內商檢結束下線后，NB-IoT 適配器已經記錄了外機制造條碼，實現了自動綁定。在后續機組正常使用的情況下，NB-IoT適配器會將寫入EE 的制造條碼連同自身的IMEI 號一同上傳至云端被記錄，實現了外機——NB-IoT 適配器——云端的綁定。用戶通過掃描NB-IoT 的條碼實現與云端的綁定。具體流程如圖10 所示。

NB-IoT 適配器解綁流程：

圖6：NB-IoT 適配器EE 啟動邏輯

（1）更換機主：解除綁定僅考慮云端與用戶間的綁定，APP端用戶提出解綁申請，綁定解除后，APP 端重新掃描新IMEI 號對設備進行綁定。

（2）更換NB-IoT 適配器：若NB-IoT 適配器出現故障，整體更換新適配器后，用戶通過APP端記錄的制造條碼進行身份確認后，重新實現綁定。

3 節能指數算法介紹

3.1 節能指數算法概要

本算法主要適用于計算云平臺控制空調機組的節能指標，通過對用戶使用空調的習慣進行多維度的整體評價，給出一個節能指標的綜合打分。結果將會通過APP 推送給用戶，指導其更為合理的使用空調機組，避免能源過度的浪費。

算法主要思路：想用戶推送節能報告，報告計算的依據是統計上月的空調使用情況。報告推送的形式有兩種：

周期性發送：每隔1 個月，向用戶APP 推送上月的節能報告。

圖7：NB-IoT 適配器電池檢測思路

圖8：狀態變化位輪詢流程圖

觸發式發送：APP 上設置節能報告的button，當用戶觸發時，自動發送上月的節能報告。

以上兩種觸發方式收到的結果均是上月機組的節能運行情況。

3.2 節能指數算法實現方式

通過理論功耗對比實際功耗的方式，給出節能指數的走向趨勢。兩個功耗分別由各空調系統的智能終端計算而來，定時將理論功耗和實際功耗上傳至云平臺，由云平臺進行進一步的對比分析，并給出指導策略。其中NB- IoT 適配器需要完成以下任務：

（1）獲取機組內各個室內、外機的運行數據，并通過獲取到的數據計算理論功耗W theory 和實際功耗 W。

（2）將W theory 和W 每天定時發送至云端，由云端進行進一步的處理。

圖9：狀態變化位輪詢示例

3.2.1 實際功耗計算方式

機組終端采集外機一次側電流A1，乘以額定電壓U，得到當前運行功率。一天的平均功率乘以運行時間，得到機組的實際功耗。

每分鐘采集一次一次側電流（A1），乘以額定電壓U。U 需要從外機型號中讀取出來，可選220V 或者380V。

采集60 次一次側電流A1 后，計算一次平均值Aavr。

使用Aavr*U 得到平均功率P，則每小時的實際功耗W=P*H。

3.2.2 理論功耗計算方式

理論功耗，同樣是每小時計算一次：

上式中，Q 代表室內理論負荷，EER 代表空調器制冷性能系數。

上式中，Ta 代表室外環境溫度，Tm 代表推薦設定溫度，M 代表使用面積，K 是傳熱系數。EER 和Tm 的取值詳見表4。

M 代表的使用面積包括地面的面積和墻面的面積之和，考慮到門窗等散熱因素，本文所涉及的算法是根據用戶實際使用的內機匹數大小，得出的地面、墻面、窗戶等的平均散熱面積，M 可查表得來，1HP 對應15m2，則M 類比出等效面積，對照詳見表5。

圖10：NB-IoT 適配器綁定流程

圖11：氣候分區簡圖

傳熱系數K 可以查表得來（不同地區的傳熱系數不同，由云平臺反饋給設備終端）

由圖11 所示，國內的地域大致可以分為：嚴寒地區，寒冷地區，夏熱冬冷地區，夏熱冬暖地區，溫和地區。所以當機組投入使用時，會將自己的位置信息上報至云平臺，從而云平臺會將區域代碼下發至設備終端，進而獲取K 值，見表6。

綜上：每小時計算一次理論功耗W theory 和實際功耗 W，累計24H 的平均功耗，上傳至云端供進一步分析和處理。

4 結論

隨著空調機組智能化需求的提高，相關的智能化配件也層出不窮，NB-IoT 物聯網室外機在技術突破和平臺搭建方面都有著不可估量的深遠意義。

本文重點對NB-IoT 適配器的整體設計進行展開，重點介紹了NB-IoT 適配器的設計思路和主要邏輯。不僅可以滿足現行品開發的需求，且該平臺的搭建也為后續物聯網空調產品的開發做好了基礎。

表4：參數取值對照表（1）

表5：參數取值對照表（2）

表6：K 值對照表