CN101900394B - 基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明的基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统至少包括：多个无线空调机温湿度传感器模块、无线室内温湿度调节器、多个无线阀门模块、多个无线开关模块、无线网关、及楼宇温湿度控制器，其中，多个无线空调机温湿度传感器模块、无线室内温湿度调节器、多个无线阀门模块、多个无线开关模块、无线网关形成基于ZigBee无线技术的无线通信网络，由此可有效采集各空调的温湿度数据等，进而对空调进行有效调控，从而实现节能。相对于现有的有线系统，具有低成本、低功耗、易于安装、应用灵活等优点，具备很强的扩展性。

Description

基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统

技术领域

本发明技术涉及一种楼宇空调控制系统，尤其涉及一种基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统。

背景技术

随着计算机技术、控制技术和通信技术的发展，楼宇自动化工业在过去的十年中获得了巨大的发展，遵循BACnet、LonTalk和EIB这些标准化通信协议的楼控产品在行业中占据着主导地位。使用这些通信协议的楼宇自动化网络所采用的通信传输介质(比如双绞线、同轴电缆和光缆)通常都是有线的。和采用有线网络的通信技术的楼控产品相比较，无线解决方案最吸引人的地方是安装布置的灵活性、低廉的安装费用和对楼宇自动化系统进行重新布置时可移动性。随着楼宇自控技术的发展，控制设备之间的通讯和互操作需求日益增加，建立开放而统一的总线标准已成为整个行业的共同愿望。总线标准的选择不仅决定了系统的开放性、通讯效率，同时也直接关系到系统配置、调试的难易程度和工作量大小。

随着近年来人类在微电子机械系统(MEMS)、无线通信、数字电子方面取得的巨大成就，使得发展低成本、低功耗、小体积、短通信距离的多功能传感器成为可能。近期所涌现出来的一项新的无线通信技术——ZigBee技术将改变这种状况。ZigBee技术产品以其低成本、低功耗、低传输速率、优秀的组网能力，被广泛认为将在未来的几年中对楼宇自动化工业产生重大的影响。楼宇自动化系统的核心是空调系统，投资比重大，能源消耗大，占建筑设备运行总能源消耗的2/3以上，智能建筑节能研究重点在于空调系统节能研究。现有的楼宇空调系统传感器、执行器与控制器的通信多通过4-20mA或现场总线进行，这就限制了传感器和执行器的布置数量与安装位置。从控制的角度，又间接影响到楼宇空调系统的优化控制，同时也影响到了系统的节能。

因此，在能源问题如此突出的今天，迫切需要一种能对楼宇空调系统进行有效控制以便节能的楼宇空调控制系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统，以实现实时，高效，准确，安全的数据采集，运算，传输服务。进而实现楼宇空调系统的优化节能控制。

为达到上述目的及其它目的，本发明提供的基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统，包括：具有收发信息功能且作为无线通信网络节点的多个无线空调机温湿度传感器模块，分别设置在楼宇内的各空调的室外新风入口处、送风处及回风处，各自用于检测各自空调的室外新风温湿度、送风温湿度、及回风温湿度；具有收发信息功能且作为无线通信网络节点的无线室内温湿度调节器，设置在空调所在的房间内，用于检测空调所在房间内的温湿度；具有收发信息功能且作为无线通信网络节点的多个无线阀门模块，分别安装在空调热交换器的回水管道和蒸汽加湿器的供水管道上；具有收发信息功能且作为无线通信网络节点的多个无线开关模块，分别与空调过滤器、风机及风阀相连接，用于控制空调过滤器、风机及风阀的运行及停止；无线网关，与所述无线空调机温湿度传感器模块、无线室内温湿度调节器、多个无线阀门模块、及多个无线开关模块构成基于ZigBee无线技术的无线通信网络，用于给各节点分配地址、接收来自各节点的数据及向各节点发送相应的控制指令；以及楼宇温湿度控制器，与所述无线网关有线连接，用于对来自无线网关的各空调的室外新风温湿度、送风温湿度、回风温湿度、及空调所在房间内的温湿度，按照预设的温湿度算法进行处理，以便获得控制各无线阀门模块和无线开关模块的控制指令，进而通过所述无线网关将控制指令送至相应的无线阀门模块和无线开关模块，以便控制空调。

其中，所述无线室内温湿度调节器具有用于供使用者调节室内温湿度的调节按钮；更具体的说，所述无线室内温湿度调节器可包括：具有射频功能的微处理器、与微处理器相连接的温湿度传感器、通过I2C接口与微处理器相连接的液晶屏、与微处理器相连接的两个LED指示灯、与微处理器相连接的三个调节按钮、与微处理器相连接的天线、电池及与电池相连且用于向微处理器和温湿度传感器供电的变压芯片。

其中，所述无线网关可包括：具有射频功能和串口的微处理器、与市电连接的变压器、与变压器输出端相连且用于向微处理器供电的变压芯片、与微处理器相连接的LED指示灯和天线。

其中，所述无线空调机温湿度传感器模块可包括：具有射频功能的微处理器、与微处理器相连接的温湿度传感器、与微处理器相连接的两个LED指示灯、与微处理器相连接的天线、电池及与电池相连且用于向微处理器供电的变压芯片。

其中，所述无线阀门模块可包括：具有射频功能及模数转换功能的微处理器、伺服电机、与伺服电机连接的阀门、与伺服电机的传感齿轮同轴安装且用于检测阀门位置的位置检测电阻、与位置检测电阻相连接且将所检测出的阀门位置数据送入微处理器进行模数转换的稳压和滤波电路、连接在微处理器的输出端的光耦、与光耦连接且用于控制伺服电机正反转的可控硅、与微处理器连接的天线、与市电相连且向伺服电机供电的变压器、与变压器输出端相连且用于向微处理器供电的变压芯片。

其中，所述无线开关模块可包括：具有射频功能的微处理器、连接微处理器输出的光耦、与光耦相连的开关、与微处理器连接的天线、与市电相连的变压器、与变压器输出端相连且用于向微处理器供电的变压芯片。

其中，楼宇温湿度控制器按照温度PI算法和串极PI算法计算温湿度值。

综上所述，本发明的基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统通过在楼宇内建立基于ZigBee无线技术的无线通信网络，由此可实现对空调的有效调控，进而实现节能；而且各无线节点的安装极为方便。

附图说明

图1是本发明的基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统的结构示意图。

图2是本发明的基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统的无线室内温湿度调节器的结构示意图。

图3是本发明的基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统的无线室内温湿度调节器的工作流程示意图。

图4是本发明的基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统的无线阀门模块的结构示意图。

图5是本发明的基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统的无线阀门模块的工作流程示意图。

图6是本发明的基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统的无线开关模块的结构示意图。

图7是本发明的基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统的无线开关模块的工作流程示意图。

图8是本发明的基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统的无线网关的结构示意图。

图9是本发明的基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统的无线网关的工作流程示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统至少包括：多个无线空调机温湿度传感器模块、无线室内温湿度调节器、多个无线阀门模块、多个无线开关模块、无线网关、及楼宇温湿度控制器等。

所述多个无线空调机温湿度传感器模块各自作为无线通信网络节点，都具有收发信息功能，在楼宇内的每一空调的室外新风入口处、送风处及回风处都设置有无线空调机温湿度传感器模块，以便检测空调的室外新风温湿度、送风温湿度、及回风温湿度。无线空调机温湿度传感器模块可包括：具有射频功能的微处理器(即微处理器和无线模块)、与微处理器相连接的温湿度传感器(即TH传感器)、与微处理器相连接的两个LED指示灯、与微处理器相连接的天线、电池及与电池相连且用于向微处理器供电的变压芯片。在本实施例中，微处理器采用具有射频功能的微处理器CC2430，温湿度传感器采用SHT11，采集到的数据为数字信号，可以直接与微处理器CC2430通信，变压芯片采用TI公司的TPS76333，它能够将电池电压转换为3.3v直流电压，微处理器CC2430集成了串口收发功能，加上电平转换芯片(例如电平转换芯片MAX3243)，即可完成数据收发，采用串口p1.0口驱动LED指示灯。

所述无线室内温湿度调节器作为无线通信网络节点，具有收发信息功能，设置在空调所在的房间内，用于检测空调所在房间内的温湿度。请参见图2，其为无线室内温湿度调节器的结构示意图，其包括：具有射频功能的微处理器(即微处理器和无线模块)、与微处理器相连接的温湿度传感器、通过I2C接口与微处理器相连接的液晶屏、与微处理器相连接的两个LED指示灯、与微处理器相连接的三个调节按钮、与微处理器相连接的天线、电池及与电池相连且用于向微处理器和温湿度传感器供电的变压芯片等。在本实施例中，微处理器采用具有射频功能的微处理器CC2430，温湿度传感器采用SHT11，液晶屏带有I2C接口，通过程序模拟I2C接口的微处理器CC2430可以直接与液晶屏通信，内部同样集成了变压芯片TPS76333，由4节5号电池作为电源，三个按钮分别是增加值、减少值、进入改变值的状态并选定改变温度或湿度。

所述无线室内温湿度调节器工作过程如图3所示，通电后，检测网络状况并向无线网关申请加入无线网关建立的无线通信网络(即寻找PAN网络)，无线网关同意入网后，一个LED指示灯(例如红色)被点亮，如果申请未获成功，则返回继续申请，申请成功后无线室内温湿度调节器各组成部件进行询检，并将结果在液晶屏上予以显示，接着微处理读取温湿度传感器所检测出的室内的温湿度情况，经过计算把温湿度值发送给无线网关，并在液晶屏上显示，接着微处理再判断是否有来自三个按钮的信号，若否则进入休眠模式，若是，则读取按钮动作值，并发送给无线网关，当发送数据时，另一LED指示灯(例如黄色)闪烁。休眠时，液晶屏有显示，停止数据发送，温湿度传感器休眠，定时时间到后，系统被唤醒，重新返回系统询检。无线室内温湿度调节器不接受无线网关的轮训，若无线室内温湿度调节器在唤醒状态有按钮按下，在检测完温湿度后，读取按钮状态；若无线室内温湿度调节器在休眠过程中有按钮按下，睡眠中断，读取按钮值并发送。

所述多个无线阀门模块作为无线通信网络节点，具有收发信息功能，分别安装在空调热交换器的回水管道和蒸汽加湿器的供水管道上。请参见图4，其可包括：具有射频功能及模数转换功能的微处理器(即微处理器和无线模块)、伺服电机、与伺服电机连接的阀门、与伺服电机的传感齿轮同轴安装且用于检测阀门位置的位置检测电阻、与位置检测电阻相连接且将所检测出的阀门位置数据送入微处理器进行模数转换的稳压和滤波电路、连接在微处理器的输出端的光耦、与光耦连接且用于控制伺服电机正反转的可控硅、与微处理器连接的天线、与市电(即220V)相连且向伺服电机供电的变压器、与变压器输出端相连且用于向微处理器供电的变压芯片。在本实施例中，微处理器采用具有射频功能的微处理器CC2430，采用两片电力电子器件双向可控硅来控制伺服电机的运行，可控硅的驱动采用MOTOROLA公司生产的MOC3083。光耦MOC3083是一个可控硅型光耦，不仅用于隔离微处理器与伺服电机控制回路，还有驱动功能。在光耦和微处理器CC2430之间加入与非门电路，防止当正反转输出IO口同时为高电平时出现控制伺服电机正反转的两个双向可控硅同时导通的情况。位置检测电阻是一个导电橡胶电位器，它是一种高精度的角位移传感器。实际安装时，将电阻与传感齿轮同轴安转，由齿轮的转动来带动电阻的改变，也就是将直线位移转换为角位移。它的反馈信号通过稳压和滤波电路直接连接微处理器CC2430具有AD转换功能的P0口。

如附图5所示，其为无线阀门模块工作流程。通电之后申请加入网络(即寻找PAN网络)，同意入网后检测是否有无线网关发送给自己的无线信号；申请未获成功则返回继续申请。当接收到无线网关发送的无线信号后，判断无线信号的类型，如果是阀门位置控制信号，微处理器便把控制信号与位置检测电阻检测出的阀门当前位置检测值相比较，判断阀门位置是否合适，若不合适，微处理器输出电机正转信号开大阀门或电机反转信号关小阀门，并当阀门位置合适后，将位置检测电阻检测出的阀门位置予以发送。此外，若判断出无线信号为轮训信号，则位置检测电阻检测阀门的位置，并将其予以发送，微处理器中集成有控制阀门开关量的PID算法。无线网关可以查询阀门的开度。阀门不能进入休眠模式。

所述多个无线开关模块各自作为无线通信网络节点，都具有收发信息功能，空调过滤器、风机及风阀分别连接有无线开关模块，用于控制空调过滤器、风机及风阀的运行及停止。请参见图6，其包括：具有射频功能的微处理器、连接微处理器输出的光耦、与光耦相连的开关、与微处理器连接的天线、与市电(即220V)相连的变压器、与变压器输出端相连且用于向微处理器供电的变压芯片。在本实施例中，微处理器采用具有射频功能的微处理器CC2430，由微处理器的一个IO口接光耦，光耦输出接开关

如附图7所示，其为无线开关模块的工作流程图。通电之后申请加入网络，入网成功后检测是否有来自无线网关发送给自己的无线信号，入网不成功则返回继续申请。当检测到无线网关发送至的无线信号后，判断无线信号的类型，如果为开关控制信号，通过拉低IO口打开开关或释放IO口关闭开关，再将IO口状态予以发送，如果无线信号类型为轮训信号，则微处理器检测IO口状态，并将其予以发送。无线开关模块不能进入休眠模式。

所述无线网关与所述无线空调机温湿度传感器模块、无线室内温湿度调节器、多个无线阀门模块、及多个无线开关模块构成基于ZigBee无线技术的无线通信网络，用于给各节点分配地址、接收来自各节点的数据及向各节点发送相应的控制指令。如图8所示，其包括：包括：具有射频功能和串口的微处理器、与市电连接的变压器、与变压器输出端相连且用于向微处理器供电的变压芯片、与微处理器相连接的LED指示灯和天线。在本实施例中，微处理器采用具有射频功能的微处理器CC2430，一个红色LED，变压器接在220vAC电源，提供5v电压，变压芯片采用TI公司的TPS76333，它能够提供3.3v直流电压，微处理器CC2430集成了串口收发功能，加上电平转换芯片，即可完成数据收发，使用串口0的P0口，电平转换芯片使用MAX3243。采用p1.0口驱动LED，无线网关能够建立无线通信网络，给无线通信网络中的每个节点分配ID，网络最多有255个节点构成。当网络出现故障，无线网关能够重建网络。无线网关通过串口Modbus总线与楼宇温湿度控制器连接，通过无线网关可以寻址到无线通信网络中的每个无线节点。

如图9所示为无线网关节点工作流程。通电之后无线网关检测网络，可以在2.4GHz-2.483GHz频率内的16个信道任选一个冲突最小的作为网络内通信。当网关成功建立网络微处理器便点亮LED，同时轮训串口和无线信号。当无线网关接收到信号后判断信号类型，如果是串口信号，便根据信号类型对数据进行打包，并将打包后的数据发送给目标节点，如果是无线信号(可包括轮训阀门或开关位置、发送控制信号给阀门或开关等)，则判断是否是新的无线节点加入网络的无线信号，如是，则添加节点信息，如果不是，则自无线信号中提取有效数据，并启动串口予以发送。须注意的是，新的无线节点加入网络的无线信号是广播形式的，网络中的任何节点都可以接收该信号；若非新的无线节点加入网络的无线信号则是点对点的，即只有无线信号中地址与自己地址相同的节点才可以接收数据。当无线节点接收到无线信号，若是新节点入网，便储存新节点设备信息，然后发送允许入网信号；若是数据采集节点的采集信息或是轮训信号的反馈信息，无线网关就把数据从帧中提取出来，然后进行Modbus协议数据打包，经串口把数据发送给楼宇温湿度控制器。由于无线网关要随时监控网络，不能进入休眠模式。

所述楼宇温湿度控制器与所述无线网关有线连接，用于对来自无线网关的各空调的室外新风温湿度、送风温湿度、回风温湿度、及空调所在房间内的温湿度，按照预设的温湿度算法进行处理，以便获得控制各无线阀门模块和无线开关模块的控制指令，进而通过所述无线网关将控制指令送至相应的无线阀门模块和无线开关模块，以便控制空调。在本实施例中，所述楼宇温湿度控制器集成了关于温度控制的PI算法和关于湿度控制的串极PI算法，经过检测值与设定值的比较，输出控制信号为阀门开度或开关状态，再经无线网关把控制信号发出。楼宇温湿度控制器通过BACnet总线接入楼宇自动化网络，由无线网络采集的数据可以进入楼宇自动化网络，其可以选择任何支持串口Modbus协议的现有楼宇控制器。只要选择的控制器支持BACnet等现场总线和TCP/IP协议，任何楼宇自控网络内的设备都可以和本发明的无线网关通信。

上述基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统的工作步骤如下：

首先，无线网关通电后，查询当前网络状况，并在冲突最小的频段建立新的基于ZigBee无线技术的无线通信网络，同时对无线通信网络内已经启动的无线通信网络节点分配地址，以便各节点间的通信在新建的无线通信网络的频段进行；

接着，尚未入网的无线通信网络节点向所述无线网关发送入网请求，经无线网关同意后，获得自身的地址等信息；

接着，已入网的各无线空调机温湿度传感器模块和无线室内温湿度调节器分别向无线网关发送各空调的室外新风温湿度、送风温湿度、回风温湿度、及空调所在房间内的温湿度；

接着，无线网关将接收到的来自各无线空调机温湿度传感器模块和无线室内温湿度调节器的数据送入楼宇温湿度控制器；

接着，楼宇温湿度控制器根据预设的算法(例如温度PI算法和串极PI算法)，及无线网关送入的数据计算出各无线阀门模块的阀门的开闭量及无线开关模块的开关的开闭状态量，并将所计算出的阀门开闭量及开关的开闭状态量经由无线网关发送至相应的无线阀门模块和无线开关模块；

最后，无线阀门模块和无线开关模块根据接收到的阀门开闭量及开关的开闭状态量控制相应的阀门的开闭量及开关的开闭。

综上所述，本发明的基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统通过在楼宇内建立基于ZigBee无线技术的无线通信网络，由此可实现对空调的有效调控，进而实现节能。相对于现有技术的优点是：1、可以减少现有的楼宇空调系统大量的布线；2、由于各节点采用无线通信技术，其实际安装位置受环境约束较少；3、相对于现有的楼宇空调系统，由于增加了检测节点和控制节点，使得系统的参数变多，为系统的优化控制和节能打下了基础；4、所提供的接口支持当前控制领域普遍采用的Modbus协议，所以支持传统系统的扩展，同时也支持系统未来的扩展。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (7)

1.一种基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统，其特征在于包括：

具有收发信息功能且作为无线通信网络节点的多个无线空调机温湿度传感器模块，分别设置在楼宇内的各空调的室外新风入口处、送风处及回风处，各自用于检测各自空调的室外新风温湿度、送风温湿度、及回风温湿度；

具有收发信息功能且作为无线通信网络节点的无线室内温湿度调节器，设置在空调所在的房间内，用于检测空调所在房间内的温湿度；

具有收发信息功能且作为无线通信网络节点的多个无线阀门模块，分别安装在空调热交换器的回水管道和蒸汽加湿器的供水管道上；

具有收发信息功能且作为无线通信网络节点的多个无线开关模块，分别与空调过滤器、风机及风阀相连接，用于控制空调过滤器、风机及风阀的运行及停止；

无线网关，与所述无线空调机温湿度传感器模块、无线室内温湿度调节器、多个无线阀门模块、及多个无线开关模块构成基于ZigBee无线技术的无线通信网络，用于给各节点分配地址、接收来自各节点的数据及向各节点发送相应的控制指令；

楼宇温湿度控制器，与所述无线网关有线连接，用于对来自无线网关的各空调的室外新风温湿度、送风温湿度、回风温湿度、及空调所在房间内的温湿度，按照预设的温湿度算法进行处理，以便获得控制各无线阀门模块和无线开关模块的控制指令，进而通过所述无线网关将控制指令送至相应的无线阀门模块和无线开关模块，以便控制空调。

2.如权利要求1所述的基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统，其特征在于：所述无线室内温湿度调节器具有用于供使用者调节室内温湿度的调节按钮。

3.如权利要求2所述的基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统，其特征在于：所述无线室内温湿度调节器包括：具有射频功能的微处理器、与微处理器相连接的温湿度传感器、通过I2C接口与微处理器相连接的液晶屏、与微处理器相连接的两个LED指示灯、与微处理器相连接的三个调节按钮、与微处理器相连接的天线、电池及与电池相连且用于向微处理器和温湿度传感器供电的变压芯片。

4.如权利要求1所述的基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统，其特征在于：所述无线网关包括：具有射频功能和串口的微处理器、与市电连接的变压器、与变压器输出端相连且用于向微处理器供电的变压芯片、与微处理器相连接的LED指示灯和天线。

5.如权利要求1所述的基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统，其特征在于：所述无线空调机温湿度传感器模块包括：具有射频功能的微处理器、与微处理器相连接的温湿度传感器、与微处理器相连接的两个LED指示灯、与微处理器相连接的天线、电池及与电池相连且用于向微处理器供电的变压芯片。

6.如权利要求1所述的基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统，其特征在于：所述无线阀门模块包括：具有射频功能及模数转换功能的微处理器、伺服电机、与伺服电机连接的阀门、与伺服电机的传感齿轮同轴安装且用于检测阀门位置的位置检测电阻、与位置检测电阻相连接且将所检测出的阀门位置数据送入微处理器进行模数转换的稳压和滤波电路、连接在微处理器的输出端的光耦、与光耦连接且用于控制伺服电机正反转的可控硅、与微处理器连接的天线、与市电相连且向伺服电机供电的变压器、与变压器输出端相连且用于向微处理器供电的变压芯片。

7.如权利要求1所述的基于ZigBee无线技术的楼宇空调控制系统，其特征在于：所述无线开关模块包括：具有射频功能的微处理器、连接微处理器输出的光耦、与光耦相连的开关、与微处理器连接的天线、与市电相连的变压器、与变压器输出端相连且用于向微处理器供电的变压芯片。

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