多聯機中央空調無線監控系統的設計與實現

王學奎 穆圣廣 陳國林 林冠旭 潘世高

1 廣東機電職業技術學院電氣技術學院

2 廣州互鄰空調設備有限公司

0 引言

物聯網IOT（Internet of things）是新一代信息技術的重要組成部分，它是物物相連的互聯網，其核心和基礎仍然是互聯網，上層設備延伸到了所需要的物品之間進行信息交換和通信[1]。隨著網絡技術的發展，云計算、4G 移動技術已成熟，且深入人們生活，從而促進了監控技術的發展，深刻影響著空調產業的工業化與信息化的融合與升級[2]。集中監控系統，主要用于實現遠程設備的數據采集、處理、實時監視、控制等功能，是智能化的人機交互終端產品，能夠實現管理人員對空調設備空間分割和時間同步，并降低空調耗能和運維費用[2]。多聯機中央空調是指一臺室外機通過配管連接兩臺以上室內機，相對傳統中央空調，具有節約能源，控制先進及靈活性好等多種優點，越來越多建筑采用多聯機中央空調[3-4]。隨著科學技術的發展，多聯機中央空調的室內室外機也要求具備更加靈活的集中監控功能[5-6]。

針對上述問題，本文設計了一套基于物聯網的中央空調遠程監控系統。系統核心采用了靈活便利的單片機。數據采集裝置實時采集中央空調的運行數據，并加以處理，結合實際工況，做出智能判斷，輸出控制遠端的的空調室外機和室內機。數據采集裝置將數據傳輸至單片機，通過U 物聯網關模塊內的數據傳輸單元（DTU）和 GPRS 模塊，遠程上傳至監控中心SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）,通過監控軟件，實現數據的顯示。監控中心SCADA 軟件能集中監控中各個室內分機的輸出溫度、風量、設置溫度等，以及室外壓縮機運行相關數據，能夠實時顯示和數據存儲。調度管理人員可以通過監控中心的SCADA 軟件遠程設定室內機的溫度、風量等，以及遠程操作需要控制的室內機。該遠程監控系統實現了多聯機中央空調的遠程自動化、網絡化的管理，降低了運營成，提高了系統工作效率和自動化水平[2]。

1 系統設計結構及工作原理

1.1 系統設計結構

圖1 是系統設計結構圖，在結構上，設計為四個層次：數據采集層，數據處理層，數據傳輸和終端監控層，數據采集層是室內機、室外機的運行數據直接接入U 網關，網關集成了數據的采集、處理與傳輸。網關可直接輸出到電腦，實現電腦與設備的通信，同時也可通過GPRS 模塊，將數據傳輸至云服務器，供移動終端使用。電腦作為服務器實現SCADA 的功能，安裝相應的監控軟件，即可完成對多聯機空調的遠程管控調度，同時存儲歷史運行數據，該 SCADA 也可作為電費計量的輔助工具。物聯網 U 網關內的 GPRS 芯片，可將收集單片機內運行處理的數據，并將數據通過云服務器，傳輸至移動終端。遠程終端設備中安裝相應的服務軟件或小程序，可收到多聯機空調的告警信息，查看設備運行狀態，及時干預。各個廠家生產空調的通信格式不一，物聯網關 U 針對不同的通信協議，轉換為目前較為易懂的 RS-485 通信方式，采用了簡單可靠的MODBUS 協議[7-9]。這樣即便底層空調系統采用了不同廠家，只要選擇對應的物聯網關U，數據經過轉換后，形成統一的通信格式，可以方便組成網絡。物聯網關U，設置有電腦通信接口和 GPRS 發射模塊，可根據現場設備選擇不同的終端實現方式，不同模式的修改，只需要在 U 型網關內修改對應的跳線。經過GPRS 轉換后，形成統一的數據格式，移動終端安裝好相應的小程序，即可實現多聯機空調系統的云通信。

圖1 多聯機中央空調遠程監控系統結構圖

2 系統硬件設計

多聯機空調集中監控系統的設計主要包括硬件設計與軟件設計，硬件設計中包括了方案設計與具體的硬件電路設計。

2.1 控制方案設計

控制系統的硬件設計方案如圖2 所示：

圖2 多聯機中央空調集中監控系統設計方案

該方案主要有主控模塊，硬接線通信模塊，無線收發模塊以及電源模塊組成，其中硬接線通信模塊又分為RS-485 通信和數據接收模塊。

2.2 硬件模塊設計

1）主控模塊

在硬件設計中，系統的控制核心采用意法半導體ARM Cortex-M3 內核的增強型STM32F103，供電電壓為3.3V。該控制器工作頻率高、功能強大、功耗低等多重優點，符合系統的設計要求[11-13]。系統設計具體如圖3 所示。

圖3 STM32F103 最小系統設計

（2）電源模塊

電源轉換模塊的作用是將5V 供電電壓，轉換為控制面板中各個芯片所需要的 3V 電壓，采用了LD1117DT33CTR 元器件，其電路圖如圖4 所示：

圖4 電源模塊電路圖

3）RS-485 通信模塊

設計方案中采用了 MAX13487E 元器件，是+5V供電、半雙工、具有±15kV ESD 保護的 RS-485/RS-422兼容收發器，包含一路驅動器和一路接收器。具有低擺率驅動器，能夠減小 EMI 和不恰當的電纜端接所引起的反射，實現高達 500 kbps 的無差錯數據傳輸。MAX13488E 驅動器的擺率未被限制，允許高達 16 Mbps 的傳輸速率。其設計電路圖如圖5 所示：

圖5 RS-485 通信模塊電路圖

4）數據接收模塊

該模塊的作用是采集空調設備信息，采用了XL1192，該元件是一款符合家庭數據總線標準，具有接收與發送數據功能芯片[14]。信號收發處理采用AMI方式編碼，可以通過雙絞線傳輸。XL1192 可以通過5V電源供電，其內部集成晶體管可以減少外圍元件需求。電話設備，安防設備，影音設備，空調設備等其它設備可以通過它連接至總線來相互通信。其設備外部接線如圖6 所示：

圖6 數據接收模塊管腳圖

5）GPRS 模塊

系統硬件中，采用的是 AIR202 無線通信專用模塊，集成了 GPRS 運行所需要的部分外設，如 SIM 卡座，供電等，能保證只需串口線線連接 PC 就能使整個系統運行。該模塊支持Lua 語言或AT 指令，內置串口電平轉換電路，支持 3.3V，5V 外設串口電平，其外觀設計圖如圖7 所示：

圖7 AIR202 設備外觀圖

該元件含有兩組 RS-485 串口管腳，分別是HOST_TX、HOST_RX 與 UART1、UART2，前者用于程序的編寫與下載，后者用于與外部設備的通信。

3 系統軟件設計

系統設計中采用了兩路并行的設計思路，即硬接線通信與GPRS 無線通信并行方式，在 U 型網關的設計中既提供了硬接線的通信方式，同時也含有 GPRS無線通信，這樣可以確保數據的通信的正確與大數據容量的存儲。

Modbus 協議是一個 master/slave（主/從）架構的協議。有一個節點是master 節點，其他使用Modbus 協議參與通信的節點是slave 節點。每一個slave 設備都有一個唯一的地址[15]。方案中的主控芯片STM32F103作為從機，負責與空調及外部設備通信。空調設備預留的外部接線協議一般各個廠家不同，無法統一，STM32F103 根據各個廠家設備的底層協議，讀出設備信息，轉換為串口通信協議，與上層設備進行通信，采用常規的 RS-485 接線方式，協議調整為簡單易懂的Modbus 協議。GPRS 通信模塊通過自身的 RS-485 接線自動查詢 STM32F103 內的數據，經過內部程序對數據進行打包處理，以無線方式發射出去。其設計通信過程如圖8 所示：

圖8 系統軟件設計流程圖

STM32F103 設備編程語言是 C 語言，是一門基礎編程語言，GPRS 模塊 AIR202，底層已構架完整，是專業的無線通信芯片，只需要在上層系統中，調寫相關的子函數，即可實現數據的通信。系統中AIR202 芯片主要是在處理UART 串口中的數據，與STM32F103通信，主要應用了 Uart.Write()和 Uart.read()函數。AIR202 在查詢底層設備信息是，使用 MODBUS 協議，STM32F103 共可接16×4=64 臺室內主機，其寄存器地址如表1：

表1 網關及空調主機連接地址分配表

數據處理過程中，首先要查詢網關狀態。表2 為網關運行狀態查詢表。

表2 網關運行狀態查詢表

判斷返回狀態是否為 1，若為 1 說明 STM32F103已可以正常通信，若為0，則返回，2s 后繼續查詢。連接成功后，接下來要查詢有多少臺主機與網關通信。查詢命令與查詢網關類似，由于每兩個字節存儲16 臺主機狀態，返回時將會返回8 個字節。表 3 為空調主機連接地址數據返回表。

表3 空調主機連接地址數據返回表

需要注意的是，返回的數據1 到數據4 是十六進制，需要轉換為二進制才能確定對應哪些主機接入系統。系統將每一個地址主機運行信息，存儲在不同的寄存器內，信息如表4 所示：

表4 空調運行信息存儲位置分配表

從2000 地址開始，每12 個字節存放相應位地址主機的狀態，查詢完主機狀態后，對接入系統的主機，再查詢對應地址的數據，將這些數據與主機地址共同組成一個結構（STRUCT），從而區分出每個主機的信息。設備調試通過兩路串口，一路做 MODBUS 從機，另一路用作 MODBUS 主機，與 AIR202 通信，讀出相應的數據，圖9 是調試界面。

圖9 AIR202 通信調試界面圖

4 工程實施與總結

該監控系統在工程中得到應用，在某智能建筑與某檔案館都有實施，建筑采用了多聯機中央空調，通過手機小程序對各個房間的空調進行監控，實施效果如圖10。

圖10 某建筑手機監控中央空調界面

檔案館對房間內的溫濕度要求嚴格，配備了多聯機中央空調與除濕器，在集中監控的設計上，項目配備了電腦監視平臺，用于監視多聯機中央空調，除濕設備，以及房間的空氣質量傳感器設備的數據信息，其運行界面如圖11：

圖11 檔案館內溫濕度及空氣質量電腦監視界面

5 總結與展望

通過原理圖的設計、PCB 板印制和軟硬件調試，能夠實現多聯機中央空調的遠程監控。方便了工程實施，避免了布線帶來的繁瑣工作，使用便利，節約了設備運行費用，實現了自動化和信息化的融合。GPRS 的數據傳輸受制于無線網絡及云服務器的配置，受制于網絡條件。在更改U 網關配置時，需要打開設備，并修改內部的跳線，后續開發，將考慮更加靈活的實現電腦與移動端同時監控空調及其他設備，確保信息通暢與數據安全。