基于STM32的暖通空调外机安装支撑件健康状态监测.pdf

第 22 卷 第 7 期2023 年 7 月中国建筑金属结构CHINA CONSTRUCTION METAL STRUCTUREVol22 No7Jul2023130 引言空气调节设备在实际生活中的应用相当广泛，能够实现对工作、生活环境中温度条件、空气条件的有效控制，其正常运行对于工业生产、日常生活具有十分重要的价值与意义。空气调节设备的结构包括室内机组、室外机组，其中，室外机组通常安装于建筑外围的金属结构架上，受到室外环境的影响较为严重，随着使用时间的增加，室外机组支撑件很容易受到外界侵蚀破坏自身的原始工作条件，进而影响威胁用户的人身、财产安全。因此，对空气调节设备室外机组支撑件动态监控系统进行研究具有一定现实意义，通过对当前相关理论研究进行分析可知，相关监控系统研究数量相对较少，且主要集中在空气调节器本身功能的正常实现方面，本文对当前几个有参考价值的研究文献内容进行综合分析。余建国等1对风力机叶片进行健康状态监测及预警研究，采用 Power Designer 建模软件建立系统物理数据模型，设计风机叶片健康状态监测及预警平台。孙启刚等2建立了基于无线传感网的结构健康状态监测系统，通过有限元分析确定了铁塔结构的控制部位和损伤敏感部位，实现结构工作应力、变形、振动及基础位移、沉降等结构健康状态信息的在线实时监测。韩晓霞等3及提出了一种考虑证据相关性的健康状态评估方法，构建了 JDFX 型空调机组健康状态评估模型，以获取空调机组的综合健康水平。可以看出，目前研究主要集中在对空调健康状态的健康状态监测评估上，对外机支撑件的健康状态监测与评估研究缺失。为此，本文设计了基于 STM32 的暖通空调外机支撑件安装实时监控和监测系统，通过及时掌握支撑件情况，动态管理支撑件维护修理，防止空调系统室外机组出现坠落等不安全现象。1 空调室外机组支撑结果的安装要求及使用现状1.1 安装要求空调室外机组的支撑结构通常由支撑固定空调外机的水平框架和支撑安装面的钣金件或焊接件构成，常见材料为不锈钢和碳钢型材，成品结构件通常会采用镀锌等防腐方式保护。几何形态多为以三角形形态加固的简支或悬臂支撑。安装时，要求保证所形成的安装面具备承载能力和坚固结实性能，常要求以混凝土、实心砖强度为安装面标准。支撑结构与建筑物的连接常使用的为不锈钢或镀锌碳钢膨胀螺栓，长度大于 100mm、直径大于 M10。与空调外机的连接常采用弹簧垫圈放松的普通螺栓。对首件或重要房间的外机支架在安装后完成后，可以 4 倍于空调外机重量的试验重量检测支撑件的承载能力，需保证在连续 48h 不出现明显影响性能的裂纹或变形才可满足安装要求。1.2 使用现状为了解自然条件下空调外机使用情况，对单位在用的部分空调系统室外机组的支撑情况进行抽查。发现在调研区域内约 30%的外机支撑件完好，其余均存在着不同程度的腐蚀和承载性能减弱的情况。其中，3 处屋面安装的支架出现安装面倾斜，室外机组工作噪声不同程度增大，另两处安装于水泥平台上用槽钢现场制作的机座虽未变形，但防腐涂层风化脱落，锈蚀问题严重，结构强度明显减弱。同时部分支撑件因承受的重量过大，设备安装面已经不在水平面上，还有不少螺栓螺母等紧固件发生锈蚀，其压紧力是否改变未知，存在较大安全隐患。通过调查可见，通过对支撑件工作状态实施动态监测，能够有效降低安全风险，提高空调系统运行的稳定性和安全性。作者简介：姚庆节（1975-），男，高级工程师，研究方向：工程管理。基于 STM32 的暖通空调外机安装支撑件健康状态监测姚庆节（重庆市计量质量检测研究院，重庆 401123）摘 要：为保证空调机组正常运行，本文通过介绍空调室外机组支撑结果的安装要求及使用现状，结合安全需求，分析了基于 STM32 的支撑件安装健康状态监测系统的设计思路以及前端检测硬件电路、上位机界面、管理模块、数据库的设计方式。在全生命周期动态监管理念的指导下，提出了基于 Cortex-M3 内核的 STM32F103R6 芯片支撑性能检测和状态监测两大功能的具体实现方式。研究结果表明，利用本文的研究思路所完成的状态监测系统能够实现高质量的支撑件实时检测和状态监测，从而防范相关风险出现。关键词：STM32；暖通空调外机；支撑件；健康状态监测中图分类号：TU831.4 文献标识码：ADOI：10.20080/ki.ISSN1671-3362.2023.07.00614中国建筑金属结构2023 年2 基于 STM32 的监测空调外机支撑结构健康状态的系统设计与实现2.1 功能规划本文设计的空调外机支撑结构健康状态监测系统基于Cortex-M3 内核的 STM32F103R6 芯片设计，利用 C 语言编写程序，以 Keil 软件为运行环境。系统功能规划采取前端检测组件检测每个空调外机支架的工作情况，在本地显示并上传到上位机。上位机记录分析各空调外机支架的状态并录入数据库，评估各个空调外机支架的健康情况，作出检修维护保养计划，并根据长期数据分析提供后续新装空调时安装室外机组的位置和结构建议。空调系统的设备选型及能耗控制直接决定空调系统的安装形式，如提前完善前端检测组件，系统可监控室外机组的实际安装情况与设计的符合性，对外机支架使用寿命的早期实施管理。同时有利减少和避免振动和噪声发生。前端检测组件由 LCD 显示屏、STM32 系列单片机、A/D 转换器、应力传感器、位置传感器、传感器信号传输线（包含及其保护屏蔽的导管、独立支架及接地）、使用温度补偿模块减少外机间风场4带来的感染等实物组成。以上功能的实现方式如图 1 2 所示。图 1 支撑件健康状态检测系统架构2.2 系统组成2.2.1 前端检测硬件电路硬件电路中 A/D 转换器在 STM32F103R6 芯片内部，共同组成单片机主控单元。利用一线总线结构传输应力传感器单元，位置传感器信号，不但简洁经济而且大幅提升了系统抗干扰能力。应力传感器和位置传感器的信号经转换器转换为数字信号后通过一线总线传输至单片机上，转换处理后传到LCD 显示屏上显示。显示屏为 LM3229LCD 液晶屏，其上准确显示支撑结构受力方向具体数值，以及关键结构的位置是否发生偏移。LED 灯和蜂鸣器作为预警设备共同组成应力报警声光指示单元，如若所检测的受力结果超过预设限或位置信号异常将出现灯闪烁和蜂鸣警报，提醒使用人员注意，同时通过上位机通知维保人员及时检查支架工作情况并采取相应措施。检测元件应先安装在支架上测试合格后随支架一起安装，安全前建议对元件进行保护，直到支架和空调室外机组整体安装完成、强电和冷剂管道敷设完毕后方可拆除。为了避免干扰，传感器信号线需要单独敷设，推荐采用金属导管敷设，导管应接地良好。2.2.2 上位机界面上位机显示界面中包括信息展示、数据分析等模块。信息展示模块展示整个系统管理区域内每个支架的情况，操作人员点击导航菜单等即可查看每个支架实时的状态及时间-受力曲线，系统通过颜色文字信息提示工作人员实地巡视应重点目视检测地段和位置。数据分析模块定时计算数据库积累数据，评估空调外机支架健康状态，定时提出检修计划并通过弹窗通知管理人员，管理人员也应及时将每次维修情况录入数据库。建筑物在使用中调整使用房间能的情况十分常见，而且往往伴随空气调节设备的调整。本系统的数据分析模块能够根据数据库积累的外机支架的使用数据，可作为优化空调外机安装设计5的参考数据，并对位置和支撑结构选择提出建议。上位机界面设置了操作权限，以 MDK 环境下 C 为程序设计语言，Visual Studio 2019 为软件开发环境，Windows 为应用层操作系统。界面中所展示的具体信息来源于数据端所采集图 2 支撑件健康状态监测系统实现15第 7 期中国建筑金属结构的实时监测数据或数据库的查询结果，之中实时数据信息刷新率可在设置界面手动设置。所设计的上位机界面中列出两个功能模块可随时切换，其中信息展示模块界面既可顺序翻页，也可点击快捷方式调取相应支架的数据页面。数据分析模块对在用支架的检修计划和新增支撑架安装位置评估建议均能够形成独立文件输出，同时在数据库中保留备份。为了今后可能的使用需求，系统设计了与建筑的集中式空调系统通信的数据接口，并在界面上预留空间，便于获取对应信息及今后功能的扩充。2.2.3 管理模块构建本系统的初衷是为了保障空调系统能够安全稳定地运转，保障工作环境条件符合规范的要求，同时为使用者提供较为舒适的工作环境。为了达到这个目标，除了正确安装传感器，保证准确的信号输入，还需要将影响支架正常工作的相关因素输入至系统中，例如：安装位置墙面或屋面的承重荷载标准、支撑件与室外机连接方式的特定受力条件、规范规定的安全距离标准等空间限制条件等。程序算法保证在将空调外机的相关数据输入后，系统自动检索与其相适应的支撑件结构和参数方法，确定合适的报警阈值传给对应的前端组件。其中，承载力计算要考虑风载荷，对应的计算公式为：=0.613?2其中，V 为基本风速；Kd为风方向性因素系数；Kzt为地形因素系数；Kz为风压高度变化系数；qz为速度压力。风压的计算公式为：=?1?其中，Cpi为风载体型系数；G 为阵风影响系数；qz为速度压力；P 为风压。达到力矩平衡的计算公式为：?=2+2=0其中，为外机较大面所受合力；H2为力臂；Fy为支撑件提供的合力；W 取34.296。空调室外机组的振动来源主要是压缩机和风机7。使用过程中室外机暴露在自然环境下，因安装紧固件发生松动或因锈蚀引起的紧固力下降，或安装支架锈蚀或受过大风载荷等原因发生变形都可能引发设计时未曾考虑的振动。这些振动常又发过来加速锈蚀和变形加速发展，检测系统也必须加以检测和记录。2.4 数据库数据库设计秉持全生命周期动态监管的理念，囊括支撑件从安装到回收的整个过程。实际应用支撑件安装健康状态监测系统时，还可配合图像识别方式：安装完成后拍摄机组及支架图片存放在数据库中，维保人员日常维护巡检中拍下机组和支架的工作照片并上传至系统中，或者由维保人员手中移动终端采集支撑件图像信息远程输入系统，系统图像识别判读空调机组与支架的稳定情况，通过及其学习有无超越设计结构条件，以及有无松动、锈蚀现象；通过图片对比判断支撑件是否已出现腐蚀现象，根据结果和图片判定腐蚀情况，并根据锈蚀严重程度，选择通过上位机人机界面或前端检测组件发出声光信号发出警报。数据库还可根其中，V 为基本风速；Kd为风方向性因素系数；Kzt为地形因素系数；Kz为风压高度变化系数；qz为速度压力。风压的计算公式为：=0.613?2其中，V 为基本风速；Kd为风方向性因素系数；Kzt为地形因素系数；Kz为风压高度变化系数；qz为速度压力。风压的计算公式为：=?1?其中，Cpi为风载体型系数；G 为阵风影响系数；qz为速度压力；P 为风压。达到力矩平衡的计算公式为：?=2+2=0其中，为外机较大面所受合力；H2为力臂；Fy为支撑件提供的合力；W 取34.296。空调室外机组的振动来源主要是压缩机和风机7。使用过程中室外机暴露在自然环境下，因安装紧固件发生松动或因锈蚀引起的紧固力下降，或安装支架锈蚀或受过大风载荷等原因发生变形都可能引发设计时未曾考虑的振动。这些振动常又发过来加速锈蚀和变形加速发展，检测系统也必须加以检测和记录。2.4 数据库数据库设计秉持全生命周期动态监管的理念，囊括支撑件从安装到回收的整个过程。实际应用支撑件安装健康状态监测系统时，还可配合图像识别方式：安装完成后拍摄机组及支架图片存放在数据库中，维保人员日常维护巡检中拍下机组和支架的工作照片并上传至系统中，或者由维保人员手中移动终端采集支撑件图像信息远程输入系统，系统图像识别判读空调机组与支架的稳定情况，通过及其学习有无超越设计结构条件，以及有无松动、锈蚀现象；通过图片对比判断支撑件是否已出现腐蚀现象，根据结果和图片判定腐蚀情况，并根据锈蚀严重程度，选择通过上位机人机界面或前端检测组件发出声光信号发出警报。数据库还可根其中，Cpi为风载体型系数；G 为阵风影响系数；qz为速度压力；P 为风压。达到力矩平衡的计算公式为：=0.613?2其中，V 为基本风速；Kd为风方向性因素系数；Kzt为地形因素系数；Kz为风压高度变化系数；qz为速度压力。风压的计算公式为：=?1?其中，Cpi为风载体型系数；G 为阵风影响系数；qz为速度压力；P 为风压。达到力矩平衡的计算公式为：?=2+2=0其中，为外机较大面所受合力；H2为力臂；Fy为支撑件提供的合力；W 取34.296。空调室外机组的振动来源主要是压缩机和风机7。使用过程中室外机暴露在自然环境下，因安装紧固件发生松动或因锈蚀引起的紧固力下降，或安装支架锈蚀或受过大风载荷等原因发生变形都可能引发设计时未曾考虑的振动。这些振动常又发过来加速锈蚀和变形加速发展，检测系统也必须加以检测和记录。2.4 数据库数据库设计秉持全生命周期动态监管的理念，囊括支撑件从安装到回收的整个过程。实际应用支撑件安装健康状态监测系统时，还可配合图像识别方式：安装完成后拍摄机组及支架图片存放在数据库中，维保人员日常维护巡检中拍下机组和支架的工作照片并上传至系统中，或者由维保人员手中移动终端采集支撑件图像信息远程输入系统，系统图像识别判读空调机组与支架的稳定情况，通过及其学习有无超越设计结构条件，以及有无松动、锈蚀现象；通过图片对比判断支撑件是否已出现腐蚀现象，根据结果和图片判定腐蚀情况，并根据锈蚀严重程度，选择通过上位机人机界面或前端检测组件发出声光信号发出警报。数据库还可根其中，Fh为外机较大面所受合力；=0.613?2其中，V 为基本风速；Kd为风方向性因素系数；Kzt为地形因素系数；Kz为风压高度变化系数；qz为速度压力。风压的计算公式为：=?1?其中，Cpi为风载体型系数；G 为阵风影响系数；qz为速度压力；P 为风压。达到力矩平衡的计算公式为：?=2+2=0其中，为外机较大面所受合力；H2为力臂；Fy为支撑件提供的合力；W 取34.296。空调室外机组的振动来源主要是压缩机和风机7。使用过程中室外机暴露在自然环境下，因安装紧固件发生松动或因锈蚀引起的紧固力下降，或安装支架锈蚀或受过大风载荷等原因发生变形都可能引发设计时未曾考虑的振动。这些振动常又发过来加速锈蚀和变形加速发展，检测系统也必须加以检测和记录。2.4 数据库数据库设计秉持全生命周期动态监管的理念，囊括支撑件从安装到回收的整个过程。实际应用支撑件安装健康状态监测系统时，还可配合图像识别方式：安装完成后拍摄机组及支架图片存放在数据库中，维保人员日常维护巡检中拍下机组和支架的工作照片并上传至系统中，或者由维保人员手中移动终端采集支撑件图像信息远程输入系统，系统图像识别判读空调机组与支架的稳定情况，通过及其学习有无超越设计结构条件，以及有无松动、锈蚀现象；通过图片对比判断支撑件是否已出现腐蚀现象，根据结果和图片判定腐蚀情况，并根据锈蚀严重程度，选择通过上位机人机界面或前端检测组件发出声光信号发出警报。数据库还可根为力臂；Fy为支撑件提供的合力；W 取 34.296。空调室外机组的振动来源主要是压缩机和风机 7。使用过程中室外机暴露在自然环境下，因安装紧固件发生松动或因锈蚀引起的紧固力下降，或安装支架锈蚀或受过大风载荷等原因发生变形都可能引发设计时未曾考虑的振动。这些振动常又发过来加速锈蚀和变形加速发展，检测系统也必须加以检测和记录。2.3 数据库数据库设计秉持全生命周期动态监管的理念，囊括支撑件从安装到回收的整个过程。实际应用支撑件安装健康状态监测系统时，还可配合图像识别方式：安装完成后拍摄机组及支架图片存放在数据库中，维保人员日常维护巡检中拍下机组和支架的工作照片并上传至系统中，或者由维保人员手中移动终端采集支撑件图像信息远程输入系统，系统图像识别判读空调机组与支架的稳定情况，通过及其学习有无超越设计结构条件，以及有无松动、锈蚀现象；通过图片对比判断支撑件是否已出现腐蚀现象，根据结果和图片判定腐蚀情况，并根据锈蚀严重程度，选择通过上位机人机界面或前端检测组件发出声光信号发出警报。数据库还可根据位置传感器的信号记录空调系统工作时支架的振动情况，并对比历史数据判断支架的稳固情况，同样可在上位机界面和前端检测组件报警。数据库中按照设计、安装、日常检修、危废回收分别管理相应数据，当出现信息数据变更时，更新数据，保证信息的真实性和精准度。3 结论综上所述，暖通空调是改善人们工作和生活环境的重要设备，室外机组常采用在紧固于建筑外表面的金属结构件上安装的方式，其支撑机构暴露于大气环境中，发生腐蚀时会降低支撑性能甚至失效导致结构损坏，存在较大的安全隐患。就此，文章基于 STM32 所设计的健康状态检测系统具备一定精准度。得到的结论如下：（1）所设计的暖通空调外机安装支撑件的健康状态监测系统基于具有 Cortex-M3 内核的 STM32F103R6 芯片，具有一线总线结构传输应力传感器单元、LM3229LCD 液晶屏的硬件元件，上位机界面设置了操作权限，以 MDK 环境下 C 为程序设计语言，Visual Studio 2019 为软件开发环境，Windows 为应用层操作系统；（2）能够在管理模块和全生命周期数据库支持下，具备支撑性能监测和状态监测两大功能；（3）所设计的系统可实现对支撑件的实时检测和维保计划管理目标。参考文献1 余建国,欧阳丁杰.风力机叶片健康状态监测及预警研究 J.制造业自动化,2023,45(02):74-77.2 孙启刚,宋卓彦,鉴庆之,等.基于无线传感网的输电铁塔结构健康状态监测技术及应用 J.工业建筑,2022,52(10):224-228.3 韩晓霞,高延子,胡冠宇.考虑证据相关性的空调机组健康状态评估 J.哈尔滨理工大学学报,2022,27(02):99-105.4 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