CN110195916A - 一种楼宇空调节能控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种楼宇空调节能控制系统,包括:采集单元、控制单元、网络单元和应用单元;采集单元用于将采集到的室内环境信息发送给控制单元;控制单元用于根据接收的室内环境信息和/或应用单元发送的控制信息改变空调运行状态,并接收空调运行状态信息,且将接收的空调运行状态信息以及室内环境信息发送给应用单元;网络单元完成控制单元和应用单元之间的通信任务;应用单元用于分析存储室内环境信息以及空调运行状态信息。本发明能够达到最好的节能效果,尽最大限度的提升节能的空间,真正的做到能量的按需供给甚至是建筑的零能源消耗。

Description

一种楼宇空调节能控制系统
技术领域
本发明涉及物联网技术领域,更具体的说是涉及一种楼宇空调节能控制系统。
背景技术
伴随着中国经济的不断增强,人民的生活水平也在逐步提升。在满足了基本的衣食住行后人们开始追求更加舒适更加便捷的生活方式,在享受这样的美好生活时能源的消耗也是不可避免的,这样就给环境带来了沉重的负担以及能源危机。
建筑能耗已与工业能耗、交通能耗并列成为我国三大“耗能大户”,对建筑节能已经是迫在眉睫,其中空调系统一直是现代大型建筑中最为耗能的系统,对其进行技术节能改造对于整个建筑节能至关重要。
因此,如何提供一种楼宇空调节能控制系统是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种楼宇空调节能控制系统,不仅可以对空调运行状况进行远程操控和管理,同时还对空调运行状况进行实时监控,达到智能管理、节能的效果。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种楼宇空调节能控制系统,包括:采集单元、控制单元、网络单元和应用单元;
所述采集单元用于将采集到的室内环境信息发送给所述控制单元;
所述控制单元用于根据接收的所述室内环境信息和/或应用单元发送的控制信息改变空调运行状态,并接收空调运行状态信息,且将接收的所述空调运行状态信息以及所述室内环境信息发送给所述应用单元;
所述网络单元完成所述控制单元和所述应用单元之间的通信任务;
所述应用单元用于分析存储显示所述控制单元发送的所述室内环境信息以及所述空调运行状态信息。
进一步,所述采集单元包括湿度传感器、温度传感器和红外探测器;
所述湿度传感器用于检测室内空气湿度,并将采集的所述室内空气湿度发送给所述控制单元;
所述温度传感器用于检测室内空气温度,并将采集的所述室内空气温度发送给所述控制单元;
所述红外探测器用于检测室内人流量,并将采集的所述室内人流量发送给所述控制单元。
进一步,所述控制单元包括第一CPU模块、输出控制模块、采样模块、无线收发模块和电源模块,所述输出控制模块、所述采样模块和所述无线收发模块分别与所述第一CPU模块连接,所述电源模块为所述采样模块、所述输出控制模块、所述第一CPU模块和所述无线收发模块提供电量;
所述采样模块将接收到的所述室内空气湿度、所述室内空气温度和所述室内人流量发送给所述第一CPU模块连接;
所述第一CPU模块接收所述无线收发模块发送的控制信息,根据所述控制信息、所述室内空气湿度、所述室内空气温度和/或所述室内人流量改变空调运行状态,并接收空调运行状态信息,将接收的所述空调运行状态信息、所述室内空气湿度、所述室内空气温度和所述室内人流量通过所述无线收发模块发送给所述网络单元;
所述输出控制模块完成所述第一CPU模块与空调之间信息的调控与传递;
所述无线收发模块完成所述网络单元和所述第一CPU模块之间的通信。
进一步,所述第一CPU模块优先处理通过所述无线收发模块发送的控制信息。
进一步,所述控制单元还包括交流电检测模块,所述交流电检测模块与所述第一CPU模块连接。
进一步,所述网络单元包括网络服务器、无线传感器网络和以太网;
所述无线传感器网络用于与所述无线收发模块之间的通信;
所述网络服务器位于所述无线传感器网络和所述以太网之间,用于实现不同网络之间协议转化和数据转发;
所述以太网用于与所述应用单元之间的通信。
进一步,所述网络服务器包括第二CPU模块、存储模块、实时时钟模块和电源模块;所述第二CPU模块分别与所述存储模块和所述实时时钟模块连接,所述电源模块为所述第二CPU模块、所述存储模块和所述实时时钟模块提供电量。
进一步,所述应用单元为监控终端,所述监控终端包括数据库服务器、显示屏和输入模块,所述显示屏和所述输入模块分别与所述数据库服务器连接,所述数据库服务器与所述以太网连接;
所述数据库服务器用于分析和存储所述空调运行状态信息、所述室内空气湿度、所述室内空气温度和所述室内人流量,并将分析后得出的控制信息发送给所述第一CPU控制模块;
所述显示屏用于显示所述空调运行状态信息、所述室内空气湿度、所述室内空气温度和所述室内人流量;
所述输入模块用于输入用户需求的控制信息。
进一步,所述数据库服务器存储有节能算法,所述节能算法以空调最高能效为目的,对接收的所述空调运行状态信息、所述室内空气湿度、所述室内空气温度和所述室内人流量做出相应的判断,进一步控制空调设备使其处于最优运行状态。
经由上述的技术方案可知,与现有技术相比,本发明公开提供了一种楼宇空调节能控制系统,具有以下优点:
1)该系统不但可以由室外的状况来更改室内的温湿度值,而且还能够根据自己的需求来设置自己想要的温湿度值,这样用户使用起来非常方便并且能够充分发挥空调设备的功能。
2)它实现了人工管理无法达到的科学节能效果,节省了人力与物力,为用户创造了一个更加舒适、便利的居住环境。
3)它在保证人体舒适度以及正常运行的前提下达到了科学的节能减排,降低能耗等作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种楼宇空调节能控制系统示意图。
图2附图为本发明提供的控制单元示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种基于物联网的楼宇空调节能控制系统,典型的物联网的架构中可以分为感知层、网络层、应用层。但在本系统中考虑到实际应用情况,为了能够对中央空调设备进行控制,所以在网络层与应用层中间加入控制层来满足实际需要。具体包括:感知层的采集单元、控制层的控制单元、网络层的网络单元和应用层的应用单元;
采集单元用于将采集到的室内环境信息发送给控制单元;
控制单元用于根据接收的室内环境信息和/或应用单元发送的控制信息改变空调运行状态,并接收空调运行状态信息,且将接收的空调运行状态信息以及室内环境信息发送给应用单元;
网络单元完成控制单元和应用单元之间的通信任务;
应用单元用于分析并存储控制单元发送的室内环境信息以及空调运行状态信息,经分析后将相应的控制信息或人为需求的控制信息发送给控制单元。
具体的,感知层主要由传感器和探测器构成,如本系统使用到的湿度传感器主要是测量空气的干湿情况;温度传感器主要是测量环境的温度值;红外探测器主要是为了探测房间内人员流动的情况。温湿度传感器和红外探测器主要是为了检测房间内的环境信息以及空调设备的运行情况,从而给节能控制器提供信息的决策。
本文所采用的的湿度传感器是霍尼韦尔公司所生产的型号为HIH-4030-001的一款。其电压-电源在4V至5.8V之间,湿度测量范围为0到100%RH,测量精度为±3.5%RH,可以在-40℃到85℃区间正常工作。
采用Microchip公司的一款名为TC1047VNBTR的温度传感器,其电压-电源在2.7V到4.4V,感应温度在-40℃到125℃之间,精度为±0.5℃,这些条件基本可以满足实际中的需求。
温度传感器负责采集房间内温度信息,并且将这些信息传递到应用层中,经过数据分析处理后对相应的系统做出相应的调节。以中央空调为例,当房间内温度过低时,系统会对制冷压缩机发出指令进行调小操作,使冷机制冷量减小或使用较少的冷机组进行制冷,这样就降低了冷机的使用从而减少了能源的消耗。反之,使制冷量加大或用较多的冷机进行制冷。
本系统选择NVX80红外探测器,红外探测器负责采集房间内人流密度信息。在以往,当房间内没有人员流动时,空调、电脑、照明设备等都还在开启状态,这就造成了严重的浪费现象,造成这种浪费的原因是由于管理者不能够及时的获取到房间内的人流密度信息,从而不能对设备进行及时的控制。但是现在有了各种传感器来帮助我们及时的获取环境信息,并且准确的传送到应用层。当红外传感器探测到房间内长时间无人员流动时,按照自行设置时间比如超过十分钟仍无人员进入时,这时空调将会暂时停止对该房间进行制冷制热操作,冷机也会随之进入关闭状态。最大程度上减少了能源浪费的情况,避免了没有人时一些设备还在运转的尴尬,真正体现了管理节能的核心所在,从而达到了节能的效果。
控制层位于感知层和网络层之间,控制层的控制单元不仅可以接收由采集单元采集到的环境信息自动对空调设备作出相应的调整,还能远程接收由应用单元发出的操控实现空调的开关机等操作。
控制单元包括第一CPU模块、输出控制模块、采样模块、无线收发模块、交流电检测模块和电源模块,输出控制模块、采样模块、交流电检测模块和无线收发模块分别与第一CPU模块连接,电源模块为输出控制模块、第一CPU模块、交流电检测模块和无线收发模块提供电量。控制单元可以为节能控制器。
第一CPU模块选择的是Microchip公司的PIC24系列单片机PIC24FJ128GA,该芯片具有以下特点:改进型哈佛结构、线性程序存储器寻址最多12MB、线性数据存储器寻址最多64KB、可选的功耗管理模式、拥有10位最多16路通道的模数转换器、500ksps转换速率、有两个支持多主/从动模式和7位/10位寻址的I2C模块、两个UART模块等。
无线收发模块:选频率为2.4GHz的CC2520由TI公司生产的芯片。
采样模块:接收传感器采集到的数据,包括湿度、温度、人流量等。
交流电检测模块:检测空调设备是否通电,以此判断空调设备的用电状况。
输出控制模块:用于开关量控制信号的输出,通过继电器控制空调设备。
本系统控制单元是在基于PIC24系列微控制器的嵌入式实时操作系统之上进行的。
基于PIC24系列单片机的嵌入式操作系统的主要特点有:最多能支持创建和调度16个任务;采用基于任务优先级的抢占式任务调度策略,来保证操作系统的实时响应能力;占用内存小,CPU额外开销小,系统效率高,适应性强,可移植性好。在嵌入式实时操作系统中只需将任务进行合适的排序分成许多个任务,这样开发是非常简便的。在嵌入式多任务实时系统中,任务是指一个程序分段。这个程序分段被操作系统当作一个基本单元来调度。典型地,每个任务都是一个无限的循环。
其中要完成的工作包括:无线通信、传感器信号采集、空调输出控制、数据存储、处理接收到的数据等。因此将整个程序划分为6个任务,每个任务的优先级不同。
任务一:TASK1底层任务,优先级最低。底层任务没有具体的实际功能,只是一个循环函数,用来判断定时器时间是否触发,来发送消息触发其它任务的执行。
任务二:TASK2传感器信号采集任务。该任务负责采集感知层传感器的数据,包括温度、湿度和人流量等。任务二由任务一中的消息来触发,调度并运行完成后,此任务即挂起。任务二优先级高于底层循环任务一。
任务三:TASK3空调设备输出控制。该任务根据传感层传感器采样的数据对空调设备进行输出的控制,包括空调设备的开关和输出档位大小的调整。如果上位机有控制命令下传的话,其优先级更高,节能控制器输出按控制命令执行。任务三优先级高于任务二。
任务四:TASK4串口发送数据。任务四负责将采集到的传感器的数据、空调设备的运行状态和能量利用率等数据打包通过无线收发模块发送给网络层。该任务有串口收到数据的消息来触发。任务四优先级高于任务三。
任务五:TASK控制参数存储任务。将上位机下传的对控制单元的配置参数存储到FLASH中去,便于用户方便的调制空调运行模式。任务五由串口收到的配置命令的消息触发。任务五优先级高于任务四。
任务六:TASK6处理接收数据。该任务负责处理接收到的数据,控制单元在接收到数据后,该任务负责解析收到的数据,包括执行命令、配置参数等。根据收到数据来发送消息触发其它的任务。优先级最高。
网络层的主要设备有网络服务器和无线传感器节点,这一层拥有多种通信方式。在物联网网络层与应用层之间的通信方式为以太网,选择嵌入式TCP/IP协议栈作为软件的实现。在控制层与网络层之间的通信方式选为无线传感器网络,由无线网络的汇聚节点和节能控制器节点进行通信。
网络单元包括网络服务器、无线传感器网络和以太网,网络服务器主要包括第二CPU模块、存储模块、实时时钟模块和电源模块。
第二CPU模块与第一CPU模块一样,都选为Microchip公司的PIC24FJ128GA,可以完全满足对网络服务器的通信要求,同时还具有丰富的I/O接口供使用。
应用最为普及的RTl8019AS网卡芯片选为以太网中的通信模块,这是一款全双工即插即用的控制器。它内部具有RTL8019内核和一个大小为16KB的SDRAM存储器,并且具有多种外接接口供使用,同时UTP、BNC、PNP自动检测功能都具备,接口符合Ethernet2和IEEE802.3标准。
无线传感器网络选用CC2520,CC2520是一款具有功耗低、体积小和可靠性高的由TI公司生产的产品,其符合Zigbee的2.4GHz的标准要求。它集成了内存、Zigbee射频收发器和微处理器,使用低功耗的微控制器、8KB的RAM、128KB的flash、适用于2.4GHzIEEE802.15.4的射频收发器。这款产品可用于Zigbee无线网络节点,包括协调器、路由器和终端设备等。而对于环境信息的采集由感知层的传感器获取,无线传感器网络则只用到了无线传输数据的功能。在无线传感器网络中,与网络服务器相连的节点为汇聚节点,它有协调器的功能,负责无线传感器网络的建立、组织、路由等功能,实现不同网络之间协议转换和数据转发的作用。
每个汇聚节点管理一片区域的楼控节点,位于控制单元(控制器)上,组织起网络并进行数据传输,并将感知层采集到的环境信息发送到汇聚节点。本系统采用网状网络拓扑结构来组织网络。网状网络拓扑结构的网络具有强大的通信功能,是一种大规模网络可在区域内安装成千上万个传感器节点,足以满足建筑内需求。当一个节点不能直接进行通信时还能通过“多跳级”来实现通信任务,假如这些实体都处于通信范围内时,就全部可以实现互相通信,同时该结构具有自组织网络的能力且可靠性高。
网络单元将整个程序划分为三个任务。
任务1:对来自应用层管理中心的数据进行分析。这些数据主要含有对网络服务器的配置、对节能控制器的操作任务。任务1优先级最高,任务3中的触发消息触发其执行。
任务2:轮询网络服务器下属的节能控制器。当设定时间到和应用层需要下传数据时,网络服务器会对节能控制器进行轮询操作。任务2优先级次于任务2,任务3中的触发消息触发其执行。
任务3:最底层的任务,优先级最低。主要完成处理以外网数据接收的任务、串口数据发送和定时器触犯消息的工作。
应用单元是物联网应用层的核心,本文中选用B/S(Browser/Server,浏览器/服务器模式)结构来制作节能控制中心客户端软件,通过浏览器登录到客户端中可以方便快捷的查询到中央空调的运行状况和环境信息等。
应用层的应用单元包括三大功能:存储显示、远程遥控和优化控制。
A.存储显示:控制单元收到的温度、湿度、人流量和空调运行状况会通过网络层实时的传送到应用层中并且存储到数据库服务器当中,并能够显示在监控终端上。用户通过监控终端可随时随地的监测环境信息以及空调运行状况。
B.远程遥控:空调的开关以及运行模式的调整都是应用单元具有的功能,这就非常方便了用户的使用。当你想要对空调进行相关操作时,你只需要一部能够接入互联网的终端,即使你相隔万里也能够对空调进行远程的操作。
C.优化控制:节能算法内嵌于数据库服务器中,以空调的最高能效为目标,由控制层上传的数据作出相应的判断及调整后使空调设备始终处于最优运行状态。
本发明的工作原理为:
湿度传感器、温度传感器和红外探测器分别采集室内空气湿度、温度以及人流量,并传送给第一CPU模块,第一CPU模块根据这些数据信息进行分析,通过输出控制模块控制空调设备的开关和输出档位大小的调节,(若此时,应用单元传送来控制信息,则第一CPU控制模块首先处理控制信息)并采集空调设备的运行状态信息,将运行状态信息以及采集单元发送的空气湿度、温度以及人流量信息通过网络单元传输给应用单元的数据库服务器,数据库服务器存储有节能算法,对这些数据进行分析判断,空调是否达到最优运行状态,若没有则将控制信息发送给控制单元,使其控制空调运行至最优运行状态。
本发明楼宇空调控制系统能够智能控制空调的运行状态,使其达到最佳,并且在室内无人时,自动关闭空调,达到节能效果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种楼宇空调节能控制系统,其特征在于,包括:采集单元、控制单元、网络单元和应用单元;
所述采集单元用于将采集到的室内环境信息发送给所述控制单元;
所述控制单元用于根据接收的所述室内环境信息和/或应用单元发送的控制信息改变空调运行状态,并接收空调运行状态信息,且将接收的所述空调运行状态信息以及所述室内环境信息发送给所述应用单元;
所述网络单元完成所述控制单元和所述应用单元之间的通信任务;
所述应用单元用于分析存储所述室内环境信息以及所述空调运行状态信息。
2.根据权利要求1所述的一种楼宇空调节能控制系统,其特征在于,所述采集单元包括湿度传感器、温度传感器和红外探测器;
所述湿度传感器用于检测室内空气湿度,并将采集的所述室内空气湿度发送给所述控制单元;
所述温度传感器用于检测室内空气温度,并将采集的所述室内空气温度发送给所述控制单元;
所述红外探测器用于检测室内人流量,并将采集的所述室内人流量发送给所述控制单元。
3.根据权利要求2所述的一种楼宇空调节能控制系统,其特征在于,所述控制单元包括第一CPU模块、输出控制模块、采样模块、无线收发模块和电源模块,所述输出控制模块、所述采样模块和所述无线收发模块分别与所述第一CPU模块连接,所述电源模块为所述采样模块、所述输出控制模块、所述第一CPU模块和所述无线收发模块提供电量;
所述采样模块将接收到的所述室内空气湿度、所述室内空气温度和所述室内人流量发送给所述第一CPU模块连接;
所述第一CPU模块接收所述无线收发模块发送的控制信息,根据所述控制信息、所述室内空气湿度、所述室内空气温度和/或所述室内人流量改变空调运行状态,并接收空调运行状态信息,将接收的所述空调运行状态信息、所述室内空气湿度、所述室内空气温度和所述室内人流量通过所述无线收发模块发送给所述网络单元;
所述输出控制模块根据所述第一CPU模块的指令对空调进行输出控制;
所述无线收发模块完成所述网络单元和所述第一CPU模块之间的通信。
4.根据权利要求3所述的一种楼宇空调节能控制系统,其特征在于,所述第一CPU模块优先处理通过所述无线收发模块发送的控制信息。
5.根据权利要求3所述的一种楼宇空调节能控制系统,其特征在于,所述控制单元还包括交流电检测模块,所述交流电检测模块与所述第一CPU模块连接。
6.根据权利要求3所述的一种楼宇空调节能控制系统,其特征在于,所述网络单元包括网络服务器、无线传感器网络和以太网;
所述无线传感器网络用于与所述无线收发模块之间的通信;
所述网络服务器位于所述无线传感器网络和所述以太网之间,用于实现不同网络之间协议转化和数据转发;
所述以太网用于与所述应用单元之间的通信。
7.根据权利要求6所述的一种楼宇空调节能控制系统,其特征在于,所述网络服务器包括第二CPU模块、存储模块、实时时钟模块和电源模块;所述第二CPU模块分别与所述存储模块和所述实时时钟模块连接,所述电源模块为所述第二CPU模块、所述存储模块和所述实时时钟模块提供电量。
8.根据权利要求7所述的一种楼宇空调节能控制系统,其特征在于,所述应用单元为监控终端,所述监控终端包括数据库服务器、显示屏和输入模块,所述显示屏和所述输入模块分别与所述数据库服务器连接,所述数据库服务器与所述以太网连接;
所述数据库服务器用于分析和存储所述空调运行状态信息、所述室内空气湿度、所述室内空气温度和所述室内人流量,并将分析后得出的控制信息发送给所述第一CPU控制模块;
所述显示屏用于显示所述空调运行状态信息、所述室内空气湿度、所述室内空气温度和所述室内人流量;
所述输入模块用于输入用户需求的控制信息。
9.根据权利要求8所述的一种楼宇空调节能控制系统,其特征在于,所述数据库服务器存储有节能算法,所述节能算法以空调最高能效为目的,对接收的所述空调运行状态信息、所述室内空气湿度、所述室内空气温度和所述室内人流量做出相应的判断,进一步控制空调设备使其处于最优运行状态。
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