CN110749045A - 粮库用空调集中式控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粮库用空调集中式控制系统，在粮库仓房内安装有若干个空调室内机，该控制系统主要包括与每个空调室内机对应的空调远程控制器、六轴传感器模块、红外发射模块、通讯模块、安装在粮库仓房外的集中控制箱；所述六轴传感器模块安装在空调室内机出风口扇叶外侧，红外发射模块安装在空调室内机上，六轴传感器模块、红外发射模块、通讯模块均与空调远程控制器相互连接，每个空调远程控制器均与集中控制箱连接。本发明在不破坏原有空调内机安装结构的情况下，将空调控制方式延伸至仓外，确保在整个补冷作业期间仓房保持密闭状态，通过以仓为最小单元对其所有空调进行集中式、远程管控，减少了人力成本，可有效真实地监测空调的实时状态。

Description

粮库用空调集中式控制系统

技术领域

本发明涉及粮库管控领域，特别是涉及一种粮库用空调集中式控制系统。

背景技术

我国是一个人口大国，同样也是一个粮食储存大国，国家的发展离不了粮食，所以对于粮食储存来说，就显得特别的重要。在通风、熏蒸、气调等常规的储粮技术基础上，国家开始在大型粮库试验示范和推广应用低温储粮和气调储粮等绿色环保型储粮技术。低温储粮技术是利用制冷机产生的冷量对自然空气进行冷却、降温与除湿，通过风机及粮仓内的通风管道使冷却后的空气穿过粮堆，使粮温降到15℃以下。这种技术在发达国家被普遍采用，被认为是延缓粮食劣变、保持粮食品质的最佳方法，可完全替代化学药剂熏蒸，是绿色环保型技术。日本在20世纪80年代提出了15℃为临界线，因为粮食在15℃低温条件下，大多数虫霉不能发育且呼吸缓慢，极有利于粮食品质保鲜和避免虫霉危害。一般低温仓必须控制在15℃以下，准低温仓应控制在20℃以下。在储粮过程中，控制粮仓粮面温度尤为重要，越来越多的大中型粮库通过采用空调补冷的方式，控制粮面温度，达到准低温储粮的目的。

目前采用空调补冷进行准低温储粮的仓房，空调内机装在粮仓内粮面以上的仓墙上，根据调查，通常一个长宽高为60*24*6m(高为堆粮高度)的标准仓房会安装6—8台空调，一般粮库用的都是市面上的商用空调，采用红外遥控器控制，遥控器的控制距离一般在3米以内，如果需要进行补冷作业时，操作人员必须进入到仓房内部接近空调的位置打开空调并设定温度，作业完成时同样需要操作人员进入到仓房内部关闭空调。整个过程中人员至少需要进入仓内两次，意味着需要打开粮面的仓门至少两次，当粮面温度达到准低温条件时，这就不可避免地造成冷气外泄，进而造成资源浪费。

通过实地考察以及了解仓管人员对空调控制的实际需求，将空调控制方式延伸至仓外是解决以上问题的有效措施，然而目前市面上的很多商用空调都不具备远程控制接口，需要在已安装完成的空调基础上进行系统设计，原则上不对空调的控制方式进行改造，避免售后纠纷。目前市面上空调远程控制器对空调状态的监测是通过在空调电源线上安装电流互感器，通过互感器的电流变化监测空调是否真正开启，此种方式需要破开空调的电源线将火线剥离出来，或者破坏墙体，将互感器套在开关面板的火线上，破坏墙体的方式会造成系统安装成本过高，不利于推广，也容易对仓房的气密性造成影响。而破开空调电源线的方式势必会对空调的完整性造成破坏，引起售后纠纷，另外此种方式也无法监测空调的温度设定状态。

因此亟需提供一种新型的粮库用空调控制系统来解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种粮库用空调集中式控制系统，能够在不破坏现有空调安装的情况下对粮库仓房内所有空调进行集中式、远程控制与监测。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种粮库用空调集中式控制系统，在粮库仓房内安装有若干个空调室内机，该控制系统主要包括与每个空调室内机对应的空调远程控制器模块、六轴传感器、红外发射管、安装在粮库仓房外的集中控制箱；

所述六轴传感器安装在空调室内机出风口扇叶外侧，红外发射管安装在空调室内机上，六轴传感器、红外发射管均与空调远程控制器模块相互连接，每个空调远程控制器模块均与集中控制箱连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述空调远程控制器模块包括电源模块、空调远程控制器、与空调远程控制器连接的六轴传感器模块、六轴传感器通信隔离模块、红外发射模块、通讯模块、温度传感器模块。

进一步的，所述电源模块为空调远程控制器模块供电，包括5V降压电路、3.3V降压电路。

进一步的，所述六轴传感器隔离模块为IIC隔离模块，包括芯片U7、二极管D13、D14、电阻R23—R26、电容C8、TVS瞬态抑制二极管D12。

进一步的，所述红外发射模块包括光电耦合器U11、电阻R37—R39、R42、防反二极管D16、三极管Q1，防反二极管D16并联在光电耦合器U11的正极与负极之间，光电耦合器U11的正极通过上拉电阻R37与3.3V电源连接，光电耦合器U11的正向输出端与电阻R38、R39并联、负向输出端接地，电阻R39的另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极与电阻R38的另一端连接、集电极与电阻R42连接。

更进一步的，所述红外发射模块与红外发射管连接，该模块包括光耦隔离电路和三极管放大电路。

进一步的，所述通讯模块采用RS485通讯模块，每个空调远程控制器通过RS485总线与集中控制箱连接。

进一步的，所述空调远程控制器还包括均与空调远程控制器连接的红外接收电路、功能设置拨码模块。

在本发明一个较佳实施例中，所述六轴传感器包括3轴MEMS陀螺仪、3轴MEMS加速度计、数字运动处理器、ADC，3轴MEMS陀螺仪、3轴MEMS加速度计分别通过ADC与数字运动处理器连接。

本发明的有益效果是：

(1)本发明在不破坏原有空调内机安装结构的情况下，将空调控制方式延伸至仓外，能有效地避免操作人员进仓作业，确保在整个补冷作业期间仓房保持密闭状态，减少资源浪费的同时，显著提高了粮食储藏质量；通过以仓为最小单元对其所有空调进行集中式、远程管控，减少了人力成本，同时可以有效真实地监测空调的实时状态；

(2)本发明设计简单合理，通过在每个空调室内机出风口扇叶外侧安装六轴传感器，用于测量空调室内机出风口扇叶的开启和关闭，实现空调启停状态的检测；通过在每个空调室内机上安装红外发射模块，实现仓外的集中控制箱远程开关空调；

(3)本发明在已安装好的空调上增加空调远程控制器，不受空调品牌型号限制，所述空调远程控制器将空调的红外控制信号转换成标准Modbus协议，从而可将空调的控制操作由仓内通过RS485总线延伸至仓外，并与上位机进行通信，实现空调远程开机、关机、调温等；另外，通过仓外集中控制箱可对多个仓房进行控制器组网管理。

附图说明

图1是本发明粮库用空调集中式控制系统一较佳实施例的结构示意图；

图2是所述粮库用空调集中式控制系统的安装结构示意图；

图3是所述空调远程控制器模块的原理框图；

图4是所述电源模块的电路图；

图5是所述空调远程控制器的电路图；

图6是所述六轴传感器通信隔离模块的电路图；

图7是所述六轴传感器模块的电路图；

图8是所述红外发射模块的电路图；

图9是所述红外接收电路的电路图；

图10是所述通讯模块的电路图；

图11是所述温度传感器模块的电路图；

图12是所述功能设置拨码模块的电路图；

附图中各部件的标记如下：1、空调室内机，2、空调远程控制器模块，3、六轴传感器，4、红外发射管，5、集中控制箱，6、RS485总线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1和图2，本发明实施例包括：

一种粮库用空调集中式控制系统，在粮库仓房内安装有若干个空调室内机1，该控制系统主要包括与每个空调室内机1对应的空调远程控制器模块2、六轴传感器3、红外发射管4、安装在粮库仓房外的集中控制箱5，六轴传感器3、红外发射管4均与空调远程控制器模块2相互连接，每个空调远程控制器模块2均与集中控制箱5连接；本实施例中，所述空调远程控制器模块2安装在对应空调室内机1附近位置。

结合图2，所述六轴传感器3安装在空调室内机1出风口扇叶外侧并与空调远程控制器模块2通过线缆连接，红外发射管4安装在空调室内机1上，具体的，红外发射管4的红外发射头固定在空调室内机1接受遥控器信号的位置，并与空调远程控制器模块2通过线缆连接。

所述集中控制箱5为各类型上位机，通过RS485总线通信方式与空调控制器进行组网。

结合图3，所述空调远程控制器模块2包括电源模块、空调远程控制器、与空调远程控制器连接的六轴传感器模块、六轴传感器通信隔离模块、红外发射模块、红外接收电路、通讯模块、温度传感器模块、功能设置拨码模块。

结合图4，所述电源模块为空调远程控制器模块的各单元电路供电，包括5V降压电路、3.3V降压电路，将外界输入的供电电压(12V—24V)经过DC-DC降压后，分别转换成5V和3.3V，输出给空调远程控制器模块的各个子模块。结合图4，所述5V降压电路包括降压芯片U2、极性电容E1—E2、电容C1—C2、电感L1，所述降压芯片U2采用XL1509-5V，用于将12V电压转换为5V电源。外界供电电压(12V—24V)与U2的输入端口Vin相连，输入端外接E2、C2的旁路电容接地，来消除外部电源输入噪声。U2的接地端放置在硝特基二极管D2和输出电容E1的接地端，来阻止电感电压引起的开关电流毛刺输入，输出端经过电感L1、电容C1滤波后得到所需DC5V电压。所述3.3V降压电路包括降压芯片U4、二极管D6、极性电容E3—E4、电容C4—C5，所述降压芯片U4采用MAX604ESA，用于将5V电压转换为3.3V电源，各元器件及其连接关系如图所示。DC5V电压经过消噪后与U4的输入端相连，输出端经过滤波后得到所需DC3.3V电压。

结合图5，所述空调远程控制器及其时钟电路等外围电路如图所示，所述空调远程控制器采用的微处理器U8为STM32F103VET6，体积小，功能强大，用于处理上位机发送的命令和逐次式控制空调开启、关闭和状态检查。具体为控制控制器的红外调制工作、红外学习和存储工作，处理和反馈所有上位机的控制信息，检测和处理六轴传感器模块3的反馈信息。

所述六轴传感器模块3用于测量空调室内机1出风口扇叶的开启和关闭，本实施例中采用现有市售产品。所述六轴传感器U12用于测量空调百叶的姿态信息和运动信息，判断空调的开关状态。其内部电路如图7所示，包括电容C17—C20、电阻R41、R43，各元器件及其连接关系如图所示。

结合图6，所述六轴传感器通信隔离模块为外接六轴传感器与空调远程控制器之间连接的隔离模块，六轴传感器与为空调远程控制器之间的通信方式为IIC总线形式，为了防止接地环路等问题对六轴传感器采样的准确性造成影响，在空调远程控制器与六轴传感器的通信之间加装隔离模块，该模块采用电容隔离技术使用，器件的逻辑输入和输出缓冲器由二氧化硅(SiO2)绝缘栅进行隔离。与隔离式电源搭配使用时，器件可阻断高电压、隔离接地并防止噪声电流进入本地接地端，以至于干扰或损坏敏感电路。该模块包括芯片U7、二极管D13、D14、电阻R23—R26、电容C8、TVS瞬态抑制二极管D12，各电路元器件及其连接关系如6所示。所述芯片U7采用ISO1540，为低功耗、双向IIC隔离器。

所述六轴传感器包括3轴MEMS陀螺仪、3轴MEMS加速度计、一个可扩展的数字运动处理器DMP(DigitalMotion Processor)、ADC，3轴MEMS陀螺仪、3轴MEMS加速度计分别通过ADC与数字运动处理器连接。陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量，因此可以精确跟踪快速和慢速的运动。传感器的测量范围都是可控的，陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒(dps)，加速度计可测范围为±2，±4，±8，±16g。另外通过六轴传感器内置的可编程低通滤波器降低外界干扰。

因为空调开启和关闭是一个低速、均匀和滞后的变量，且考虑到实际工作环境这里需要四元数，所以数字运动处理器上电初始化后分别通过DMP的通用寄存器和加速度传感器寄存器配置陀螺仪的满量程范围，本实施例中设置陀螺仪的满量程范围为±2000dps，加速度传感器的满量程范围为±2g。工作时通过读取姿态数据即欧拉角：航向角(yaw)、横滚角(roll)和俯仰角(pitch)，有了这三个角，就可以得到当前姿态。

使用六轴传感器自带的数字运动处理器得到运动部件瞬时姿态的四元数，通过换算计算出下列公式需要的q0、q1、q2、q3参数：

俯仰角计算公式：pitch＝asin(-2*q1*q3+2*q0*q2)*57.3； (1)

横滚角计算公式：roll＝atan2(2*q2*q3+2*q0*q1,-2*q1*q1-2*q2*q2+1)*57.3； (2)

航向角计算公式：yaw＝atan2(2*(q1*q2+q0*q3),q0*q0+q1*q1-q2*q2-q3*q3)*57.3(3)

根据公式(1)—(3)计算出欧拉角，然后通过逐次比较法比较当前时刻和上一个单位时刻的欧拉角值差异，判断出空调吹风百叶在一个工作时间轴上的姿态变化，进而推导出空调的开关状态。

利用六轴传感器模块可以精确地测量、感知空调的开关，提高了灵敏度，实现空调启停状态的检测。

所述红外发射模块与红外发射管4连接，用于发射红外信号给商用空调控制其开关及调节温度，上位机将控制空调的信息通过485通讯模块传送给空调远程控制器，空调远程控制器对该信息进行解析、编辑成红外预处理信号。为了提高控制空调的红外线的抗干扰能力，避免有用的信号红外线受到大气中的自然红外线干扰，所以将预处理信号结合空调远程控制器内部产生的PWM波形生成38KHz的红外调制信号。

结合图8，所述红外发射模块包括光耦隔离电路和三极管放大电路。具体的，该电路包括光电耦合器U11、电阻R37—R39、R42、防反二极管D16、三极管Q1，二极管D16并联在光电耦合器U11的正极与负极之间，光电耦合器U11的正极通过上拉电阻R37与3.3V电源连接，光电耦合器U11的正向输出端与电阻R38、R39并联、负向输出端接地，电阻R39的另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极与电阻R38的另一端连接、集电极与电阻R42连接。优选的，所述光电耦合器U11采用920nm红外发射管，为直径5mm的小功率发射管，正向电压1.1—1.5V，电流20mA，因此使用三极管来增强红外发射管的发射功率，达到更远和更准确的传输效果。空调远程控制器调制好的红外调制信号经过防反二极管D16并由光电耦合器U11进行光电隔离后发送给三极管Q1，红外调制信号由其进行功率放大后发送给红外发射管4，红外发射管4将红外调制信号转换成最终要使用的光信号发送至空调。

考虑到不同厂家的红外信息是不同的，空调远程控制器一方面内置了常用厂家的红外信号编码，另一方面预置了红外接收端口，用于接收和解调不同厂家的控制信号，提高了兼容性和可靠性。参阅图9，所述红外接收电路包括光电耦合器U10、二极管D15、电阻R34、R35，光电耦合器U10的正极通过上拉电阻R34与5V电源连接、负极为电路插头(KEY IN)，二极管D15并联在光电耦合器U10的正负极之间，光电耦合器U10的正向输出端通过电阻R35与3.3V电压连接、负向输出端接地。实际使用过程中，远程空调遥控器发射出的红外信号经由光电耦合器U10接收后转变成电信号，由空调远程控制器进行处理并自主学习不同的红外调制编码，以便应对现有控制器没有的内置红外编码情况。

相应的，该系统设置了功能设置拨码模块，功能为1—4位用于设置不同厂家的红外编码，总计可以存储2⁴组，5—7位为备用位，最后一位为红外使用设置位(分别对应正常使用和红外学习两种状态)，电路图如图12所示。

所述通讯模块为空调远程控制器2和上位机进行MODBUS通讯的电路，用于接收或反馈空调控制信息，该模块采用RS485通讯模块，每个空调远程控制器通过RS485总线6与集中控制箱5连接。所述空调远程控制器2将空调的红外控制信号转换成标准Modbus协议，从而可将空调的控制操作由仓内通过RS485总线6延伸至仓外，并与上位机进行通信，实现空调远程开机、关机、调温等。另外，通过仓外集中控制箱5可对多个仓房进行控制器组网管理。结合图10，所述通讯模块包括RS485通信芯片U3、光耦隔离和放电保护电路，各元器件及其连接关系如图所示。通信芯片U3采用MAX487，与上位机通信的输出端(U1-A、U1-B)由放电管FD1、FD2、FD3与压敏电阻YM2构成输入端的过压保护电路，热敏电阻PTC1、PTC2构成输入端的过流保护，防止输入异常时对RS485通信芯片造成损坏。与空调远程控制器通信端口的接收、发送端连接通过U1、U6两个光电耦合器形成光电隔离，有效确保通信不受内部电路干扰，同样U3的接收器使能端(MAX487EN)与驱动器使能端(485EN)也经过光电耦合器U5与空调远程控制器连接。

另外，在空调远程控制器模块内还设计了温度传感器模块，结合图11，该模块电路包括温度传感器U9、电容C14、电阻R36，电容C14并联在温度传感器U9的第1、3端口之间，电阻R36并联在温度传感器U9的第1、2端口之间。所述温度传感器模块用于检测空调远程控制器的工作环境温度，用于辅助检测仓内温度、间接检测空调的制冷状态。

由于空调在粮仓内部，破坏拆卸性加装传感器会影响用电安全容易引发火灾，同时也让空调失去了必要的保修；无损、接触式传感器在长时间使用过程中容易发生机械故障和较短的平均无故障时间；无损、非接触式光电传感器的测量又不能适应高粉尘的仓内环境；因此经过综合分析和考虑决定采用无损、非接触式六轴传感器结合温度传感器综合测量为最优方案。该传感器组合通过感知空调开启关闭时必然产生的送风百叶的运动和姿态变化还有空调送风温度的变化来感知空调运行状态的变化。

上位机对空调远程控制器的控制主要有两种模式：其一是单独调整空调开机状态下的温度变化，另外一种是对空调进行关闭和开启。

第一种控制模式不能造成空调送风百叶的动作，而空调远程控制器模块安装位置紧邻空调，因此，这种情况下需要通过空调远程控制器内部的温度传感器感知空调送风温度的变化来感知温度控制状态是否成功。在这种模式下，空调远程控制器模块通过VCC、GND和信号三根线连接温度传感器，使用单总线方式读取温度传感器内部的温度数据。当该种模式运行后，空调远程控制器每隔2秒读取一次温度数据，同时自第二次开始进行前后两次的温度比较，测量次数设定为10次，当测量到温度发生5摄氏度的变化即关闭测温，上传状态变化。

第二种控制模式由于涉及到空调压缩机的启停和关闭，同时这种模式也不能造成空调周围温度的及时变化，因此必须采用六轴传感器来检测空调的运行状态变化。在这种模式下，为了隔离干扰，空调远程控制器模块通过IIC隔离模块(即六轴传感器通信隔离模块)控制和采集六轴传感器的信息，该模块采用电容隔离技术使用，器件的逻辑输入和输出缓冲器由二氧化硅(SiO₂)绝缘栅进行隔离。与隔离式电源搭配使用时，器件可阻断高电压、隔离接地并防止噪声电流进入本地接地端，以至于干扰或损坏敏感电路。

具体的，空调状态的测量方式为：系统上电后空调远程控制器完成六轴传感器初始化，当发生空调关闭和打开的运行态后，六轴传感器在红外发射模块发射完信息后即开始测量，测量周期为2s，由于各家空调送风百叶的开关时机设计的不同，所以测量设定次数为15次，六轴传感器在滤波外界干扰的同时，测量当前状态下送风百叶的运动四元数；然后通过其内部的运算单元，将欧拉角参数(方向角(yaw)、横滚角(roll)和俯仰角(pitch))计算出来保存到状态寄存器1中(需要比较的状态)，下一次测量开始后，将上一次测量的状态寄存器数值保存到状态寄存器2中(被比较的状态)；重复测量欧拉角，测量完毕后将状态寄存器1和2中的数值进行比较(从测量的第二次才开始比较，第一次时没有被比较值)，如果超过设定的阈值，即认为运行状态正常，如果没达到阈值，则继续重复存储当前状态、测量运行状态、状态比较的三个过程。如果测量次数达到15次，且每一次比较的阈值都没有达到，即认为运行状态不正常。

本发明在不破坏原有空调内机安装结构的情况下，将空调控制方式延伸至仓外，能有效地避免操作人员进仓作业，确保在整个补冷作业期间仓房保持密闭状态，减少资源浪费的同时，显著提高了粮食储藏质量；通过以仓为最小单元对其所有空调进行集中式、远程管控，减少了人力成本，同时可以有效真实地监测空调的实时状态。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种粮库用空调集中式控制系统，在粮库仓房内安装有若干个空调室内机，其特征在于，该控制系统主要包括与每个空调室内机对应的空调远程控制器模块、六轴传感器、红外发射管、安装在粮库仓房外的集中控制箱；

所述六轴传感器安装在空调室内机出风口扇叶外侧，红外发射管安装在空调室内机上，六轴传感器、红外发射管均与空调远程控制器模块相互连接，每个空调远程控制器模块均与集中控制箱连接。

2.根据权利要求1所述的粮库用空调集中式控制系统，其特征在于，所述空调远程控制器模块包括电源模块、空调远程控制器、与空调远程控制器连接的六轴传感器模块、六轴传感器通信隔离模块、红外发射模块、通讯模块、温度传感器模块。

3.根据权利要求2所述的粮库用空调集中式控制系统，其特征在于，所述电源模块为空调远程控制器模块供电，包括5V降压电路、3.3V降压电路。

4.根据权利要求2所述的粮库用空调集中式控制系统，其特征在于，所述六轴传感器隔离模块为IIC隔离模块，包括芯片U7、二极管D13、D14、电阻R23—R26、电容C8、TVS瞬态抑制二极管D12。

5.根据权利要求2所述的粮库用空调集中式控制系统，其特征在于，所述红外发射模块包括光电耦合器U11、电阻R37—R39、R42、防反二极管D16、三极管Q1，防反二极管D16并联在光电耦合器U11的正极与负极之间，光电耦合器U11的正极通过上拉电阻R37与3.3V电源连接，光电耦合器U11的正向输出端与电阻R38、R39并联、负向输出端接地，电阻R39的另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极与电阻R38的另一端连接、集电极与电阻R42连接。

6.根据权利要求5所述的粮库用空调集中式控制系统，其特征在于，所述红外发射模块与红外发射管连接，该模块包括光耦隔离电路和三极管放大电路。

7.根据权利要求2所述的粮库用空调集中式控制系统，其特征在于，所述通讯模块采用RS485通讯模块，每个空调远程控制器通过RS485总线与集中控制箱连接。

8.根据权利要求2所述的粮库用空调集中式控制系统，其特征在于，所述空调远程控制器还包括均与空调远程控制器连接的红外接收电路、功能设置拨码模块。

9.根据权利要求1所述的粮库用空调集中式控制系统，其特征在于，所述六轴传感器包括3轴MEMS陀螺仪、3轴MEMS加速度计、数字运动处理器、ADC，3轴MEMS陀螺仪、3轴MEMS加速度计分别通过ADC与数字运动处理器连接。

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