基于Zigbee無線通信技術的中央空調運行節能的研究

王琮澤 梁鵬 杜立劍 張會娟 禹天鳳

【摘要】中央空調系統是全國通用的耗電量較大的設備，在國民經濟的各部門及各種生活設施中，中央空調系統的總耗電量為智能樓宇能耗的40%以上，且有可觀的節電潛力。為了實現中央空調節能的目的，本研究設計了一種基于Zigbee無線通信技術的中央空調節能控制方案，系統的傳感器終瑞節點采用TI的無線射頻芯片CC2530，路由器節點主控制芯片選用低功耗的MCU MSP430F435。通過Zigbee無線通訊技術在線監測智能樓宇內的溫濕度等環境參數，對采集的數據參數分析后，實現對循環機（雙功率電動機）的在線管控和設備管理等功能，以此控制智能樓宇內的中央空調系統，來達到節能的目的。

【關鍵詞】中央空調節能智能控制風機盤管Zigbee

一、系統設計

1、系統結構設計

中央空調監控從體系結構由上至下分為三層，現場監控層、傳輸層和管理層，每一層完成特定任務，并根據上層需要為其提供服務，使其達到運行穩定，功能完善，節能顯著等特點。

（1）現場監控層：

把末端溫控器節點（zigbee通信模塊）安裝在智能樓宇的各個區域內，通信模塊采集室溫變化、雙功率電動機運行情況以及風機的運行等信息，并把信息反饋到智能樓宇的監控室，方便實時掌握動態信息，為了適應人體的需要，降低系統的功率損耗，順應智能化的發展，溫控器可以接受遠程控制對室內溫度進行調節。

（2）傳輸層：

接收來自現場控制層和管理層的數據信息，并做出相應的處理，起連接作用。根據各節點之間的聯系，建立zigbee網絡，接收各個節點的信息，以RS232方式傳輸給各區域網絡，進而將信息傳遞到智能樓宇監控室，各個區域網絡獨立互不干擾。

（3）管理層：

即智能樓宇監控中心，通過接受現場控制層傳輸層傳遞的動態信息，建立動態系統，對各個時刻的數據進行分析統計并存儲方便做出決策判斷

2、系統軟件設計

通過Zigbee無線通信技術，中央空調末端智能溫控器可以與智能樓宇控制中心進行數據交互，能夠根據實時環境參數對循環機（泵）及時的進行智能化控制，改變風機盤管的工作運行指標。這種在線聯絡的系統結構使本地用戶可以更方便的對中央空調系統進行節能管理。CC2530是德州儀器公司開發的一款ZigBee片上系統（Soc）芯片，集成有8051內核、RF射頻模塊和串口等外設。以CC2530為硬件支持，CC2591為前端功率放大，結合業界領先的ZigBee協議棧Z-StackTM，通過操作系統抽象層（OSAL）進行任務調度，完成系統ZigBee網絡的開發。

3、系統硬件設計

（1）節點設計

該控制系統包括末端溫控器節點、路由器節點和控制中心。末端溫控器節點作為單個無線節點，分別安裝在智能樓宇的不同位置，得到相應的數據信息。然后再通過Zigbee無線傳輸網絡把得到的信號傳輸給相應的路由器節點。路由器節點接收到數據并存儲在存儲器中，最后通過因特網傳到控制中心。控制中心根據得到的數據進行分析，對循環機（雙功率電動機）做出合理的功率轉換來實現節能的效果。

1）末端溫控器節點

末端溫控器節點安裝在智能樓宇的各個區域，它的主要功能是實時采集智能樓宇內的不同區域的溫濕度信息，并通過Zigbee無線通信網絡傳輸到相應的路由器節點。

2）和路由器節點設計

路由器節點主要功能是接收各個末端溫控器節點采集的數據，并存儲在存儲器中。將一定時間和區域內的數據通過因特網傳輸到控制中心。

（2）雙功率高效節能電動機

跟據負載變化自動改變輸出功率的雙功率節能電動機。即利用負載檢測器在線監測負載功率的大小，當該功率大于某一設定值時可通過接觸器自動將三相繞組連接成三角形，輸出較大的功率；而當負載功率小于某一設定值時，將三相繞組轉換為延邊三角形，電動機輸出較小的功率。實現了兩種功率的自動轉換，節約了電能。

二、實驗測試

為了驗證系統的可行性和可靠性，采用1個協調器節點、1個路由節點、5個終端節點（溫控器），組成1個Zigbee區域網絡。每個終端節點掛有溫度傳感器和風機盤管電動閥，相距（5～10）m，中間有墻體阻擋，進行實驗測試，測試結果如圖1所示。根據實驗結果，智能樓宇監控中心能夠接收到末端溫控器自動上傳的房間內溫濕度等信息，查詢末端溫控器的運行參數，對其遠程控制時間延遲少于1 s，實測證明該系統ZigBee網絡能夠穩定運行。

結束語

隨著科技的發展，智能樓宇建筑已是大勢所趨，在智能樓宇節能系統中中央空調系統的節能成為整個系統節能的關鍵，該課題通過建立Zigbee無線組網，采集各個區域的溫、濕度的數據信息來實現選程控制，以達到優化中央空調系統的目的，該課題結合Zigbee技術實現對末端溫控器的實時在線監控，通過改變雙功率電動機的功率來實現節能的目的。

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