嵌入式技术在空调集中控制系统中的应用.doc

嵌入式技术在空调集中控制系统中的应用摘要：嵌入式系统的研究及嵌入式技术的应用是当前计算机应用技术研究的热点和前沿领域。家用空调生产已逐渐向定制化方向发展，传统的生产与检测工艺已经不能满足生产的需求。以ARM处理器为代表的新型嵌入式微处理器使得基于它们而设计的嵌入式系统的应用领域越来越广阔。本文从空调控制方面出发，以如今运用广泛的传统室运行控制方法的应用为基点对下面基于嵌入式的空调集中控制系统，实现多台中央空调系统的数据采集、集中管理和集中控制进行阐述。关键词：嵌入式系统与技术；RS485；空调控制；ARM0 引言 随着国民经济的快速增长，我国人民生活水平的不断提高。空调机组能够改善和提高人们的生活和健康水平，所以国内空调企业的规模也在不断的扩张，空调生产开始从单一品种、大规模生产、压库存的模式逐渐转向多品种，按订单生产、零库存的方向发展。但中央空调机组因其设备功率大，零部件多，运转工序复杂，所以对其使用时的可控性能、节能性能、人机交互性能的要求也随之提高。现有的中央空调控制方法主要以分散控制为主。在现有的分散控制的条件下，要想随时监控楼宇之中的所有的中央空调的运行状态是项极其困难的任务，因此中央空调控制的集中化、网络化的需求也就越来越迫切。研究和开发出一套好的中央空调控制系统，使的通过网络和计算机可以实时监督和控制每台空调机组的运行状况已经成为了中央空调生产厂商、使用单位乃至整个社会的迫切需求。而嵌入式系统对完善这类空调控制与检测都起着至关重要的作用，嵌入式系统的功能也随着软件和硬件技术的不断进步而越来越强大。将嵌入式系统应用到社会的各个领域已成为各国竞相研究的热点和计算机应用领域新的研究方向。一 嵌入式技术在空调集中控制系统中的应用历史 目前的中央空调控制技术还以分散控制为主，每个控制器只能监控其所控制的中央空调机组的状态，而对同一楼宇之中的其它控制器所控制的中央空调的状态则无法知道，更无法在总体上获知所有中央空调机组的工作状态。其采用的通信方式主要为用485串口将中央空调控制器与工控机相联，再用RS232串口将工控机和上位机相连。因为受RS232串口的限制，使得通信距离较短，所能集中控制的中央空调的数目也就受到了较大限制，使得集中控制的效果和意义均不明显。此种缺点造成由于资金缺口和工程进度等等问题，许多已建成的商用建筑和办公大楼的空调系统往往都没有设计或安装自动控制系统，随着建筑物的投入使用，会发现空调区域的温、湿度波动很大，往往会超过答应的变化范围。旧有的空调系统在运行中往往遭到一些人为因素的影响，致使风系统平衡遭到破坏，加装自控系统前必须先对旧有空调系统的风道系统重新进行平衡调整，不然自控系统可能达不到预期限效果；另外加装自动控制系统后对原空调系统的制冷、供热和水循环系统都交有一定的影响；同时在改造进程中也会碰到一些非凡的问题。二 中央空调系统基本原理及组成 空调系统的组成有：被调对象、空调处理机组、空气输送设备以及分配设备。针对空气处理设备在集中程度上的差异，空调系统通常分为集中式空调系统、半集中式空调系统以及分散式空调系统；根据热湿负荷所使用的介质的区别，空调系统又可以划分为空气系统、水系统、空气水混合系统、冷剂系统；又可根据空气来源来分类，有直流式系统、封闭式系统和混合式系统三类系统。 空气调节的定义通常为：将温度、湿度、流速等参数经过处理后的空气，通过空气输入管道送入室内，以使整个室内空气温湿度、流速、清洁度及压强等控制在设定要求内。 本文主要讨论中央空调控制系统，即为集中式控制系统。中央空调系统由空气加热、冷却，加湿、去湿、空气净化、风量调节设备以及空调用冷、热源等设备组成。这些设备的容量是设计容量，但在日常运行中的实际负荷在大部分时间里都是部分负荷，不会达到设计容量。所以为了舒适和节能必须对上述设备进行实时控制，使其实际输出量与实际负荷相适应。当前，对其容量控制实现不同程度的自动化，其内容也越趋丰富。被控制参数主要有空气的湿度、温度、压力和空气清新度、气流方向等，在冷热源方面主要是冷热水温度，蒸汽压力。有时也需测量控制回水管的压力差，测量供回水温度以及回水量。同时，也要对这些参数进行指示、记录、打印，并监测各机电设备运行状态及事故报警。其主要具备以下自控系统：风机盘管控制系统、空调机组控制系统、冷冻站控制系统、热交换站控制系统、排水控制系统等。三 基于嵌入式技术的中央空调集中控制系统 本文阐述的主要内容是采用基于嵌入式中央空调集中控制系统，实现多台中央空调系统的数据采集、集中管理和集中控制。 中央空调集中控制系统按设备分为三个部分：管理计算机、网络集中控制器和RS485集线转换器。按网络层次分为以太网层、RS485集中控制网络层。（1） 基于嵌入式技术的中央空调集中控制系统的工作原理、网络结构基于嵌入式技术的中夹空调集中控制系统的结构图如图集线器控制计算机以太网中央空调网络集中控制器中央空调网络集中控制器中央空调网络集中控制器中央空调网络集中控制器RS485网络RS485集线器RS485集线器RS485集线器RS485集线器RS485网络中央空调单机组控制器中央空调单机组控制器中央空调单机组控制器中央空调单机组控制器1 中央空调单机组控制器与RS485集线器的通信方式及数据处理过程 RS485集线器通过RS485总线与中央空调网络集中控制器相连。RS485集线器将中央空调单机组控制器发送来的数据信息通过RS485总线发送给中央空调网络集中控制器。中央空调网络集中控制器采用以ARM7TMI为内核的S3C44BOX设计。因为S3C44BOX片内没有集成网卡芯片，因此为了使中央空调网络集中控制器能够通过以太网和控制计算机进行远距离通信，中央空调网络集中控制器采用了RTLS019AS为网卡芯片。中央空调网络集中控制器在接收到RS485集线器发送过来的数据后首先对接收到的数据进行解码，确定这是哪台中央空调单机组所传送过来的数据，并读出其中所包含的中央空调单机组的运行状态、设定温度，运行模式、故障信息等数据信息。中央空调网络集中控制器会将与之相连的每台中央空调机组的状态信息存储在其内存空间中, 在中央空调网络集中控制器的显示屏上会显示出所有与之相连的中央空调单机组，用户可以通过键盘操作查询每台中央空调机组的运行状态，当用户选定中央空调机组后，该中央空调的机组的“联机状态”、“设定温度”、“室内温度”、“运行模式”、“运行状态”等信息就会在显示屏上显示出来。2 中央空调网络集中控制器与控制计算机的通信方式 受通信端口数量和处理能力的限制一台中央空调网络集中控制器最多只能连接128台中央空调机组并处理这些机组的数据信息。为了能够控制楼宇内所有中央空调，中央空调网络集中控制器需要将由RS485集线器所传来的数据通过以太网转发给控制计算机。3 控制计算机的原理 控制计算机上会运行中央空调网络集中控制系统监控软件。该监控软件为整个中央空调网络集中控制系统的主要的人机界面接口。中央空调网络集中控制器会将其所接收到的数据发往控制计算机上的固定端口，监控软件会实时监听这个端口。监控软件中会有一个单独的线程用以对每台中央空调机组的最新数据更新时间进行计时。4 监控软件控制整个中央空调集中控制系统的流程分析 当用户通过监控软件发出改变中央空调机组状态的命令时，监控软件首先会将命令数据打成UDP数据包发往与该中央空调机组相连的中央空调网络集中控制器的特定端口。中央空调网络集中控制器中会有个单独的线程(因为在中央空调网络集中控制器中运行的操作系统为UCOS所以实质上该线程为一个任务)来实时监听该端口。当它检铡到该端口有数据到达时会通过检测校验位来判断该数据的合法性，如果该数据合法，则中央空调网络集中控制器会通过串口将数据转发给指定的RS485集线器，如果该数据不合法则将该数据丢弃。RS485集线器在接收到中央空调网络集中控制器发来的数据后首先判断该数据的合法性(判断的方法和前文所说的方法一样)，如果该数据合法，则RS485集线器会对该数据进行解析，从特定数据位获得信息来判断要将此数据发送给与哪个端口相连的中央空调单机组控制器。当确定将要发送数据的端口后，RS485集线器会检测这个端口以确定这个端口是否空闲(因为RS485总线是半双工总线，发送和接收不能同时进行，所以RS485集线器必须检测这个端口是否发送完或接收完一帧数据)，如果该端口空闲则数据将通过该端口发往与之相连的中央空调单机组控制器；如果该端口忙，则RS485集线器会等到该端口空闲后再发送。中央空调单机组控制器在接收到RS485集线器发送来的数据后会根据该数据的内容对中央空调机组进行相应的操作。5 基于嵌入式技术的中央空调集中控制系统的网络结构介绍如上图所示整个中央空调集中控制系统的网络层次共可以分为三层：顶层为以太网层，中间层和底层都是采用RS485网络。（1） 以太网及快速以太网 以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。该标准定义了在局域网(LAN)中采用的电缆类型和信号处理方法。现在，以太网一词泛指所有采用CSMACD协议的局域网。（2） RS485网络介绍 现场总线CAN、Profibus、INTERBUSS以及ARCNet的物理层都是基于RS-485的总线进行总结和研究。RS485总线作为一种多点差分数据传输的电气规范，已成为业界应用最为广泛的通信接口标准之一 。RS485总线的工作模式采用差分传输(平衡传输)模式 。四 结论 本文介绍了基于嵌入式技术的中央空调集中控制系统的系统结构和工作原理，并对以太网和RS485总线标准做了简单介绍。同时也是从大的方面介绍了整个嵌入式在空调控制中的运用，而以ARM为处理器的网络集中控制器的设计与研究有着相辅相成的作用，总体上把握了空调控制中嵌入式在其中起的作用。同时基于多串口单片机的RS485集线器与控制计算机监控软件的设计也显得至关重要。同时满足这几个方面的要求时，中央空调集中控制系统运行稳定，始终能准确、可靠的反映各各中央空调机组的状态，并能准确无误的通过中央空调集中控制软件器软件改变各中央空调机组的运行状态。采用最新的操作系统和处理器应该可以更加完善嵌入式技术在空调控制中的作用。参考文献田泽嵌入式系统开发与应用北京：北京航空航天大学出版社，2005李佑军嵌入式系统综述，现代电子技术，2003，罗蕾嵌入式实时操作系统及应用开发北京；北京航空航天大学出版，2005孙鹤旭，林涛嵌入式控制系统，清华大学出版社谢希仁，计算机网络（第五版）王廷尧以太网技术与应用北京：人民邮电出版社，2005