摘  要： 设计了一种基于嵌入式平台的网络化中央空调控制系统。通过对中央空调前端设备的网络化管理，实现对中央空调系统的集中控制。系统采用网络化结构，分为控制面板、空调执行器和中心控制端三个部分。中心控制端通过B/S模式控制每个房间空调的运行模式，并收集前端空调运行数据进行处理；采用QVGA彩色液晶屏，自主设计GUI框架并嵌入彩色中文液晶界面，实现了友好的人机交互。实验结果及实践表明：系统稳定可靠，性价比高，实现了中央空调的智能化联网控制。
关键词： 中央空调；联网控制；Cortex-M3；Cortex-M0；GUI框架设计；节能减排

    近年来，中央空调系统被广泛应用于大中型建筑的室内温湿度调节。在大中型建筑中，中央空调系统相比于分体空调具有使用方便、投资低、噪音小、维护容易等众多优势。然而，目前市面上的中央空调控制系统仍面临着许多问题：(1)中央空调控制系统大多仍采用房间独立控制的分散控制方式，在房间较多的建筑中进行空调开关及温度的管理耗时费力[1]；(2)空调运行于门开窗开及房间无人等情况下易造成大量的能源浪费；(3)市面上的空调控制器大多为黑白段式液晶显示，缺少直观易用的用户界面。针对这些问题，本文充分运用嵌入式技术，设计并实现了一套针对全水式中央空调[2]的网络化控制系统，通过对中央空调系统进行网络化、智能化的统一控制，实现了中央空调系统前端的无人值守。同时在保证性能的情况下，通过在小容量低成本控制器上设计硬件和控制程序，并自主设计用于小型嵌入式设备的GUI框架，充分降低了实现成本。该系统于2013年3月在泉州中国人民解放军第180医院眼科楼安装238套，至今运行稳定可靠，极大地方便了楼栋病房空调的管理。
1 系统总体设计
    网络化中央空调控制系统的网络拓扑采用总线型结构，其网络拓扑如图1所示。

    系统包括控制面板、空调执行器及PC中心控制端三部分。控制面板和空调执行器是安装在空调房内的控制设备，所有前端设备都通过TCP/IP网络互连。相比于使用CAN总线[3]等通信方式的方案，TCP/IP网络增加了系统的控制并提高了反应速度，节省了布线成本，并且可以使利用大楼的现有网络。控制面板负责采集房间温度，并提供彩色中文液晶界面供用户读取和设置空调信息，同时通过串口通信将采集和设置的数据上传到空调执行器。空调执行器通过控制电路操作房间内的空调风机和冷冻水阀门，同时通过TCP/IP网络向PC中心控制端上传房间的空调运行参数并接收命令。PC中心控制端负责监管接入网络的空调执行器，并且支持以B/S模式单独和批量配置空调的工作方式。同时，PC中心控制端汇总空调执行器上传的实时数据，进行统计分析。系统每个部分均设置了软硬件看门狗，确保了长时间稳定运行。
2 控制面板设计
2.1 硬件方案
    控制面板硬件模块如图2所示。为了充分降低成本，控制面板使用主控芯片为新唐公司出品的基于Cortex-M0平台的ISD9160芯片[4]。基于Cortex-M0架构的芯片是市场上现有的性价比最高、能耗最低、最节能的ARM处理器。ISD9160的工作频率可达48 MHz。

    模块采用外部12 V直流电压供电。根据散热需求，兼顾成本、效率，本文选择开关电源芯片MC34063作为稳压IC。在室内温度采集上，控制面板采用适用于低成本快速温度检测的NTC热敏电阻测温方式，相对于DS18B20这类的集成温度采集芯片，在保证检测精度情况下，提高了检测速度，并且节约了成本。液晶显示上，本文使用硬件SPI接口驱动三星S6D1121为主控IC的2.4寸QVGA彩屏。
2.2 软件方案
    本文在控制面板彩色液晶屏上实现了简洁实用的中文操作界面，空调的实时运行状况一目了然。用户可以通过按键操作房间空调，人机交互界面友好。彩屏中文界面如图3所示。

    嵌入式系统下的图形界面要求轻量级且占用资源少[5]。本文自主设计了适用于小型嵌入式系统的GUI程序库pGUI。pGUI的主要思想是：(1)使用面向对象的思想，利用子类直接包含父类结构体变量的方式实现继承关系；(2)所有的活动窗体变量都连成链表，主程序中轮询判断哪个窗体需要重绘，每个窗体带有回调函数，对窗体的所有操作都通过回调函数进行，所有控件操作都使用消息机制；(3)所有的GUI相关对象都在自定义内存池中分配，存储分配上采用了内存池配合内存索引表的方式进行。索引表使用了双向链表与顺序表结合的数据结构。顺序表用于快速索引窗体对象，而链表结构则用于寻找可用空间和碎片整理。整个GUI的数据操作在固定的内存模块中运行，切换界面时释放活动句柄，大大节省了内存使用。
3 空调执行器设计
3.1 硬件方案
    空调执行器使用的主控芯片为意法半导体公司的基于Cortex-M3平台的STM32芯片。Cortex-M3的优势在于低功耗、低成本、高性能[6]。而相较于Cortex-M0，Cortex-M3具有更高的性能指标，能够处理更多更复杂的程序及事务，且工作频率可达72 MHz。执行器硬件模块如图4所示。

    控制器模块对于空调的控制主要采用了光耦隔离、交流可控硅控制主冻水管阀门电路及风机电路[7]。如图5所示，C_DO1脚置高电平时，光耦联通带动交流可控硅导通使风机或阀门电路工作。
    本系统使用的网卡芯片为快速以太网MAC控制器DM9000C，该芯片集成了10/100 M自适应收发器，并且支持介质无关接口，简化了开发难度。开关量输入电路负责采集门开检测信息，出现长时间门开窗开的情况时，系统自动关闭空调并对用户进行界面提示，减少电能的浪费。
3.2 软件方案
    在网络数据包传输中，本系统使用了UIP嵌入式网络协议栈。由于UIP协议的整体设计非常精简，代码量较小，很适合运用于低成本的嵌入式产品[8]。UIP运行于代码的主程序段，通过轮询方式判断数据收发。本系统网络通信的接收操作流程如图6所示。此外，本系统在UDP协议的基础上设计了一套应用层协议，囊括了状态上报、事件上传、定时控制、数据透传等功能。协议采用一包多串数据的形式，并且自带数据校验。通过该协议，执行器可接收多条事件及状态消息，并可一次发布多条不同的控制命令。该协议保证了PC端能够及时收集每个房间的空调信息，并能实时地对前端空调进行单独或批量设置。

4 实现效果
    本系统在中国人民解放军第180医院眼科楼的实际安装中，每个病房安装控制面板及空调执行器一套，共238套，并且在楼栋服务器中配置了WEB服务器。每个护士站都能通过网页配置楼层房间的空调运行，使得眼科楼内空调在运行时能够定时控制开关、智能切换模式、自动控制温度，实现了中央空调的集中控制。系统自2013年3月安装至今工作稳定可靠。
    本文综合运用了嵌入式技术和通信技术，设计并实现了一套智能化的中央空调集中控制系统。通过实际安装使用证明，智能化、网络化的控制方式极大地方便了大中型建筑中中央空调的管理，节省了大量人力，同时避免了能源浪费。此外，本系统在保证性能的基础上精简了设备，降低了整个系统的实现成本，具有很高的经济和实用价值。下一步的工作重点是利用前端上传的温控数据进行节能减排性能的分析。
参考文献
[1] 朱峰.嵌入式技术在中央空调集中控制系统中的应用研究[D].长沙：中南大学，2007.
[2] 霍小平.中央空调自控系统设计[M].北京：中国电力出版 社，2004.
[3] 林勇.CAN总线在中央空调控制系统中的应用[J].电子技术应用，2001，27(7)：33-34.
[4] Corporation N T.ISD Cortex-M0 ChipCorder ISD9160 Design Guide[A].2011.
[5] 詹瑾瑜，熊光泽，孙明.一种嵌入式GUI软件结构实现方案[J].电子科技大学学报，2003，32(1)：89-93.
[6] Corporation S M.RM0008 Reference manual[A].2011.
[7] 俞炳丰.中央空调新技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2005.
[8] DUNKELS A，ALONSO J，VOIGT T，et al.Connecting wireless sensornets with TCP/IP networks[M].Wired/Wireless  Internet Communications，Springer，2004.