基于射频通信的中央空调节能监控网络*

朱学莉 曹 冲

(1：苏州科技学院电子与信息工程学院，苏州 215009； 2:苏州科技学院土木工程学院，苏州 215009)

0 引言

建筑能耗历来都是能源消耗的重要组成部分.随着人们生活水平的提高，我国的空调能耗在建筑能耗中所占比例迅速上升.夏季空调集中使用时，京、津、沪等超大城市的空调负荷约占整个城市尖峰负荷的40%左右[1].随着人口的增加和城镇化进程的快速发展，我国房屋建筑数量、面积的迅速增加和采暖、空调及家用电器的普遍使用，导致建筑能耗持续上升.为了缓解能源紧张的压力、解决社会经济发展与能源供应不足的矛盾，中央空调系统的节能技术研究已得到了社会的广泛关注[2-5].

本研究应用自动控制、无线通信及网络集成技术相结合的方法，开发了中央空调节能现场监控装置，对多个动力中心进行无线网络集成，构成了一个中央空调节能监控网络.

1 技术平台及通信方式

1.1 技术平台

本研究以嵌入式系统为核心，系统由嵌入式微控制器、外围设备及电路、操作系统和应用程序几部分组成.根据应用的特点，选用了德州仪器生产的MSP430系列微控制器作为主处理器，辅以CC1101射频收发器，设计了监控网络的各节点模块，实现了节能监控的目标.

1.2 网络的通信方式

在本研究中，中央空调系统节能监控网络由监控中心、监控主节点和监控从节点三部分组成.系统采用无线射频方式组网通信，监控中心和监控主节点、从节点之间采用定制开发的主-从通信协议进行半双工通信.RF射频通信的特点是信号链路简单、设备小型化、低功耗、运行费用低，具有较强的信号传输能力.

低功耗射频通信模块的主要特点是硬件结构简单、维护方便、通信速率高、性能稳定，且可采用两节AAA电池供电使用.无线射频收发器利用855MHz频段提供数据传递，目前可支持最高38.4kbps的数据传输速率.

2 中央空调节能监控网络的构建

本系统是一个以监控中心为核心的中央空调系统节能监测与控制网络，可实现对多个动力中心的节能运行管理，采用无线射频通信模块进行系统的无线通信组网，每个动力中心的主节点与下设的从节点既可采用无线射频通信，也可采用有线方式进行通信，方式灵活.

图1 无线射频模式下的中央空调节能监控网络结构

中央空调节能监控网络是一个具有主从结构的子网络，由节能监控中心，多个动力中心主站(主节点)与多个子站(从节点)组成，系统的结构如图1所示.

节能监控中心由一台PC机和监控中心通信模块组成，PC机同通信模块通过串口相连，进行数据交换，PC机可通过上位机GUI界面对动力中心监控主节点和各从节点进行监测和控制.

动力中心监控主站由主站通信模块和主站控制终端模块组成，负责现场参数设定、控制模式设定等现场操作，并对从节点进行管理.

监控子站控制/通信模块采用德州仪器MSP430F249微控制器和CC1101射频收发器设计开发，并配以各种数据采集模块和执行器模块.

RF射频通信模块可利用300MHz～348MHz，389MHz～464MHz，779MHz～928MHz频带通信，数据通信速率范围为0.6kbps～500kbps，灵敏度可达-113dBm(数据速率1kbps时)，并支持2-FSK，2-GFSK和MSK，以及OOK和灵活ASK整型.本研究实际设计中选用885MHz通信速率为20kbps，采用2-FSK调制方式.

主-从节点之间采用半双工通信方式，使用配合项目方案设计的主-从模式通信协议.

3 中央空调系统节能监控装置的研发

中央空调节能监控装置设在动力中心，用于对动力中心的运行工况进行监测与控制，以实现冷却水泵、冷冻水泵、乙二醇泵、冷却塔风机及多工况主机等的节能运行及系统的优化控制.

3.1 硬件设计与研制

3.1.1 硬件的功能

在本研究中，中央空调节能监控装置的主要功能为：

(1) 制冷供热工况监测. 显示板式换热器一、二级网供回水温度、供回水压力等重要参数及冷却水泵、冷冻水泵、乙二醇泵、冷却塔风机的运行状态；

(2) 制冷供热参数设定. 参数设定分为两类：第一类为现场阀门开度、变频器频率、负荷值等现场变量的手动设定；第二类为各控制回路控制参数的设定；

(3) 动力中心设备运行节能控制. 通过采集的系统运行数据，按照系统优化运行方案控制冷却塔风机、冷却水循环泵、乙二醇泵、双工况主机、乙二醇补水泵等的节能运行；

(4) 水循环系统的节能控制. 将负荷预报与PID控制结合，以预报负荷作为冷冻水循环泵变频器的工作频率的设定值，即根据预报的负荷调节冷冻水泵的速度，使其处于节能运行状态[6]；

(5) 报警记录. 在系统运行过程中，对参数超限进行实时报警，并将报警信号传至上位机.在监控中心，可通过历史报警记录表查看历史报警记录信息，并具有报警记录打印功能.

3.1.2 节能监控中心

监控中心使用的通信模块选用德州仪器MSP430F233微控制器，配以CC1101射频收发器.MSP430F系列微控制器采用先进的16位RISC内核，具有抗干扰能力强、处理能力强、运算速度快、功耗低和片内资源丰富等特点，且搭配有方便高效的开发环境(CCS).

3.1.3 监控主站

动力中心监控主站主要由主站通信模块和主站控制终端模块组成.主站通信模块选用德州仪器MSP430F233微控制器，配以CC1101射频收发器，区别于监控中心通信模块，主站通信模块需要处理更多的数据，硬件上利用了速率更高的I2C接口与主站控制模块相连，亦开辟了数据发送/接收的软件FIFO数据缓冲区以更好地中转数据.

图2 主站控制模块的结构

主站控制模块采用dsPIC33FJ16GP304微控制器作为主控模块，并配有点阵式LCD显示模块及各种外围器件.主站的结构如图2所示.

主站通信模块以38.4kbps的速率与监控中心通信模块和子站通信模块交换数据.模块支持多路数字电平输入，并且能以500ksps，10位精度采集8路模拟输入,也可借助外部DAC器件输出多路12bit精度模拟信号用以控制水泵转速.作为备选通信方式，模块支持隔离的RS-485数据传输与子站通信模块组成一主多从的有线子网络.

LCD显示模块主要实现控制模式设定、系统参数监测、过程参数报警、自动控制参数设定等功能.

3.1.4 监控子站

监控子站的通信/控制模块采用德州仪器的MSP430F249微控制器和CC1101射频收发器设计开发，通信/控制模块同时进行数据的采集处理和射频收发器控制.

微控制器通过SPI直接控制CC1101射频收发模块，同时考虑到子站可能处于的恶劣工况，模块的模拟/数字输入和模拟/数字输出部分均做了隔离处理以提高安全和稳定性.子站通信/控制模块支持RS-485数据传输，可与动力主站组成一主多从的有线通信网络.

3.2 软件开发

本研究主站和子站模块程序分别在Microchip MPLAB和TI CCSV4集成开发环境下使用C语言编写.

为了最大化电池使用时间，各无线模块中均设置了休眠，可由主站遥控休眠，也可通过等待计时进入休眠.实测中模块在休眠待机模式下平均工作电流小于3mA.

上位机界面采用C#语言，在微软Visual Studio 2010 Express环境下开发，通过无线射频网络实现对动力中心设备的监控.

4 结论

本项目所研发的中央空调节能监控系统将自动控制、无线网络通信技术相结合，实现了建筑群中多个动力中心统一进行管理.每一个动力中心配置为一个子网，现场监控装置(主从节点)之间通过855MHz射频信道构建一主多从子网络，也可通过RS-485或CAN等串行总线构建有线子网，结构形式方便灵活.现场控制装置以嵌入式系统为核心，其主要优势是系统内核小、专用性强、系统精简，且功耗低、体积小、可靠性好.

本项目利用RF无线射频通信技术，将中央空调节能监控装置集成到监控中心，实时将现场设备运行数据传至监控中心，可由监控中心发出节能控制指令，也可在现场对设备进行控制与管理.

针对中央空调水循环系统能耗优化，在水循环过程控制系统中，以负荷预报结果为基准，采用PID控制算法，可在冷冻水泵变频调速基础上进一步节能5%～10%，其节能效果明显.

参 考 文 献

[1] 赵乔乔.浅谈房屋建筑的能耗问题及节能设计措施[J].黑龙江科技信息,2009(27)：299.

[2] 王 鑫，武 洋.中央空调节能控制系统研究[J].中国外资,2012(13)：231.

[3] 陶永贵.中央空调制冷站节能技术的应用研究[J].应用科学，2010(23)：130-131.

[4] 赵 玲.中央空调系统节能措施探讨[J].现代商贸工业，2011(17)：295.

[5] 邹玉东.中央空调节能技术研究[J].科技风，2010(9)：93.

[6] XUELI ZHU，BO DONG.Application Study of Energy-saving Control of Refrigeration/Heating Process in Central Air Conditioning System[C].Proceedings of the 2013 International Conference on Energy,2013.