基于ARM9平臺(tái)和Linux進(jìn)行中央空調(diào)末端控制器的設(shè)計(jì)與研究

中央空調(diào)末端控制器是中央空調(diào)系統(tǒng)中最重要的裝置之一，對(duì)于中央空調(diào)的節(jié)能有著重要意義?，F(xiàn)有的中央空調(diào)末端風(fēng)閥啟/?？刂朴惺謩?dòng)開閉控制和固定時(shí)間調(diào)度的風(fēng)量控制兩種。啟動(dòng)后的控制策略常采用PID或模糊控制方法對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行控制，現(xiàn)有按照需求實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程末端控制的方式有藍(lán)牙技術(shù)和以太網(wǎng)。以太網(wǎng)（Ethernet）指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測(cè)）技術(shù)，并以10M/S的速率運(yùn)行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)與IEEE802·3系列標(biāo)準(zhǔn)相類似。以太網(wǎng)最早由Xerox（施樂）公司創(chuàng)建，在1980年，DEC、lntel和Xerox三家公司聯(lián)合開發(fā)成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)是應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)，包括標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)（10Mbit/s）、快速以太網(wǎng)（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太網(wǎng)，采用的是CSMA/CD訪問控制法，它們都符合IEEE802.3.

藍(lán)牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，它以低成本的近距離無線連接為基礎(chǔ)，為固定與移動(dòng)設(shè)備通信環(huán)境建立一個(gè)特別連接。其程序?qū)懺谝粋€(gè)9 x 9 mm的微芯片中。 如果把藍(lán)牙技術(shù)引入到移動(dòng)電話和膝上型電腦中，就可以去掉移動(dòng)電話與膝上型電腦之間的令人討厭的連接電纜而而通過無線使其建立通信。打印機(jī)、PDA、桌上型電腦、傳真機(jī)、鍵盤、游戲操縱桿以及所有其它的數(shù)字設(shè)備都可以成為藍(lán)牙系統(tǒng)的一部分。除此之外，藍(lán)牙無線技術(shù)還為已存在的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)提供通用接口以組建一個(gè)遠(yuǎn)離固定網(wǎng)絡(luò)的個(gè)人特別連接設(shè)備群。藍(lán)牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段。藍(lán)牙的數(shù)據(jù)速率為1Mb/s。時(shí)分雙工傳輸方案被用來實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。 使用IEEE802.15協(xié)議。

本文以Samsung公司的S3C2410芯片作為處理器，以Linux2.6為嵌入式操作系統(tǒng)，基于PID控制策略，通過手機(jī)短信的方式對(duì)中央空調(diào)末端裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)溫度的設(shè)置和監(jiān)控，取得了很好的實(shí)際效果。

1 末端控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 控制器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文基于ARM9平臺(tái)，采用Linux嵌入式操作系統(tǒng)，以S3C2410處理器為核心。ARM9系列處理器是英國(guó)ARM公司設(shè)計(jì)的主流嵌入式處理器，主要包括ARM9TDMI和ARM9E-S等系列。當(dāng)指令需要的數(shù)據(jù)因?yàn)橐郧暗闹噶顩]有執(zhí)行完而沒有準(zhǔn)備好就會(huì)產(chǎn)生管道互鎖。當(dāng)管道互鎖發(fā)生時(shí)，硬件會(huì)停止這個(gè)指令的執(zhí)行，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好為止。雖然這種技術(shù)會(huì)增加代碼執(zhí)行時(shí)間，但是為初期的設(shè)計(jì)者提供了巨大的方便。編譯器以及匯編程序員可以通過重新設(shè)計(jì)代碼的順序或者其他方法來減少管道互鎖的數(shù)量。 系統(tǒng)硬件主要由以下模塊組成：

（1）GSM/GPRS射頻模塊。用來與GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的射頻模塊，本文選用Simcom公司推出的工業(yè)級(jí)GSM/GPRS雙頻Modem模塊SIM300，具有完整的Modem信號(hào)，在網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)可以作為一個(gè)Modem而存在。模塊采用串行接口通信，主要為語音傳輸、短信息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口，帶GPRS功能。

（2）16C550串行接口。16C550是一種用于將并口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)的高速UART芯片，并自帶16位FIFO緩存通道，而且波特率可選。一方面可獲得完整的Modem控制，另一方面也是為了獲得精準(zhǔn)的UART波特率，本文在SIM300射頻模塊與處理器組成的控制單元進(jìn)行串行通信時(shí)使用16C550芯片。

（3）CPU中央處理單元。采用Samsung公司生產(chǎn)的32/16位高性能基于ARM920T內(nèi)核的RISC微處理器S3C2410，具有低功耗、自帶8通道10位ADC和DAC、并支持NAND Flash和SDRAM存儲(chǔ)器等特點(diǎn)。

（4）輸入輸出單元：模擬房間內(nèi)的溫度傳感器信號(hào)輸入到處理器的A/D轉(zhuǎn)換器；處理器通過PID算法得到的輸出量由D/A轉(zhuǎn)換器輸出以控制送風(fēng)執(zhí)行閥的開度，調(diào)整房間內(nèi)的送風(fēng)量從而達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的。

圖1為系統(tǒng)硬件框圖。

1.2 控制器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

操作系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)性強(qiáng)的Linux2.6內(nèi)核，編譯器使用gcc 4.0.2版本，完成了各個(gè)功能模塊的接口函數(shù)。由于在進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核開發(fā)時(shí)，若交叉編譯工具（特別是gcc）版本較低則無法編譯高版本內(nèi)核，版本過高也不行。因此本文為配合要采用的Linux2.6.18內(nèi)核開發(fā)末端控制器，進(jìn)行定制開發(fā)交叉編譯環(huán)境。具體如下：crosstool-0.43，binutils-2.16.1.tar.bz2，gcc-4.0.2，glibc-2.3.5，glibc-linuxthreads-2.3.5，linux-libc-headers-2.6.12.0，gdb-6.5，生成交叉編譯工具為arm-9tdmi-linux-gcc。其中短消息通信線程的初始化和主循環(huán)共分為以下4個(gè)步驟：

（1）完成串口初始化。系統(tǒng)啟動(dòng)并完成初始化后，開始反復(fù)讀取16C550芯片發(fā)來的串口數(shù)據(jù)。當(dāng)GSM模塊收到新短信后，通過串口向處理器發(fā)送1個(gè)字符串。

（2）向SIM300模塊發(fā)送讀取短消息的AT指令，判斷短消息內(nèi)容。首先通過手機(jī)號(hào)來判斷短消息是否由用戶發(fā)來。如果短消息由用戶發(fā)來，則判斷用戶發(fā)送的指令，否則直接刪除。

（3）如果用戶發(fā)送的內(nèi)容是“設(shè)定溫度XX”（XX代表二位溫度值），則將“XX”通過解碼函數(shù)解碼成ASCII字符，再通過換算得到用戶期望設(shè)置的溫度發(fā)送給溫度控制模塊，最后刪除該信息。

（4）處理器繼續(xù)讀取串口數(shù)據(jù)。

短消息通信程序流程如圖2所示。

處理器通過串口與GSM模塊通信，串行通信的基本參數(shù)有：波特率、數(shù)據(jù)位、停止位及校驗(yàn)方式等。串口驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)串口的讀寫操作，給應(yīng)用程序提供發(fā)送接收數(shù)據(jù)的接口。串口正常工作之前，需要進(jìn)行初始化設(shè)置，選擇串口工作方式，設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)格式及中斷，建立數(shù)據(jù)隊(duì)列和信號(hào)量。

以串口發(fā)送一個(gè)字符串為例介紹發(fā)送程序，其中buf表示要發(fā)送的字符串，nbytes表示字符的個(gè)數(shù)：

int tty_write（char*buf，int nbytes）

{

int i；

for（i=0；i

write（tty_fd，&buf[i]，1）；

usleep（100）；

}

return tcdrain（tty_fd）；

}

短消息的接收與發(fā)送由處理器和SIM300模塊通過16C550芯片串行通信完成，處理器向SIM300模塊發(fā)送AT指令讀取或發(fā)送短消息。發(fā)送中文短信息時(shí)，發(fā)送的是漢字的UCS2編碼，所以在初始化SIM300模塊時(shí)須發(fā)送指令“AT+CMGF=0”，把模塊的短消息工作模式設(shè)置為PDU模式，以UCS2編碼方式發(fā)送短消息。同樣，SIM300模塊收到的短消息也是PDU編碼方式，要讀取出用戶發(fā)送的中文指令就必須將消息內(nèi)容解碼成ASCII字符。

發(fā)送短消息首先要向SIM300模塊發(fā)送整個(gè)短消息代碼位數(shù)的16進(jìn)制數(shù)，之后是短信頭代碼“001100D”、中國(guó)區(qū)號(hào)“＋86”的編碼“9168”和發(fā)送的目的手機(jī)號(hào)碼。此處的目的手機(jī)號(hào)碼必須是每?jī)晌换Q得來，由于手機(jī)號(hào)碼是11位，最后一位用“N”補(bǔ)齊，而短消息內(nèi)容是用UCS2碼編寫。

當(dāng)有新消息到達(dá)時(shí)，收到的數(shù)據(jù)包內(nèi)封裝了消息發(fā)送時(shí)間、來自的手機(jī)號(hào)碼和消息正文。如果來自的手機(jī)號(hào)碼與預(yù)先設(shè)置的用戶號(hào)碼不一致則直接將短消息刪除；一致則繼續(xù)判斷短消息正文。

本文全部程序代碼由C語言編寫，短消息發(fā)送部分代碼如下：

void gprs_msg（char*number，char*msgr）//短信發(fā)送函數(shù)

{

char ctl[]={26，0}；

char head[]=″0011000D9168″；//短信頭代碼及中國(guó)區(qū)號(hào)

char headmsg[]=″0008A7″；//短信編碼方式代碼

unsigned int count；

char sum[2]；

tty_writecmd（″at″，strlen（″at″））；

tty_writecmd（″at″，strlen（″at″））；

tty_write（″at+cmgs=″，strlen（″at+cmgs=″））；

count=strlen（msgr）/2+14；//計(jì)算短信長(zhǎng)度

sum[0]=（char）（count/10+48）；

sum[1]=（char）（count%10+48）；//將短信長(zhǎng)度

//解碼為16進(jìn)制

tty_writecmd（sum，2）；

tty_write（head，strlen（head））；

tty_write（number，strlen（number））；

tty_write（headmsg，strlen（headmsg））；//發(fā)送短信頭

tty_write（msgr，strlen（msgr））；//發(fā)送短信正文

tty_write（ctl，1）；

tty_write（″\r″，strlen（″\r″））；//發(fā)送短信結(jié)束代碼

usleep（300000）；//進(jìn)程休眠

printf（″Message sent.\n″）；

}

上述函數(shù)封裝了PDU模式發(fā)送短消息的頭信息和正文字符長(zhǎng)度等，參數(shù)僅為目的手機(jī)號(hào)碼的PDU編碼和短消息正文的UCS2編碼。這樣做避免了大量的重復(fù)代碼，也提高了程序的運(yùn)行效率。

1.3 增量式PID控制策略

PID是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r（t）與實(shí)際輸出y（t）構(gòu)成控制偏差：

式中：KP為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。

由于計(jì)算機(jī)處理的是數(shù)字量，控制器的驅(qū)動(dòng)對(duì)象是風(fēng)閥執(zhí)行器，所以控制系統(tǒng)中使用的控制策略是數(shù)字增量式PID。

u（k）=Ae（k）-Be（k-1）+Ce（k-2）

以下是增量式PID控制策略的實(shí)現(xiàn)函數(shù)：

double PID（double feedback）

{

double Err，pErr，dErr，dU；

Err=Command-feedback；//當(dāng)前誤差

pErr=Err-ppreErr；//比例項(xiàng)增量式誤差

dErr=Err-2*preErr+pre2Err；//微分項(xiàng)增量式誤差

dU=Proportion*pErr+pDerivative*dErr+ Integral*Err；

//控制量增量

pre2Err=preErr；

preErr=Err；

return dU；

}

2 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)對(duì)象以1.3噸的中央空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)物模型為例，該系統(tǒng)可以模擬中央空調(diào)多種運(yùn)行模式，并可以通過對(duì)執(zhí)行風(fēng)閥輸入模擬信號(hào)來調(diào)節(jié)風(fēng)閥的具體開度，以此來調(diào)整送入房間的送風(fēng)量，達(dá)到控制模擬房間制冷量的目的。本實(shí)驗(yàn)對(duì)象有2個(gè)模擬房間，其中末端裝置的驅(qū)動(dòng)閥為TANG TECH TM04～24，溫濕度傳感器為VECTOR ADS-H1T1。嵌入式控制器的D/A輸出的0～4.096 V信號(hào)經(jīng)放大至0～10 V后，直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)閥驅(qū)動(dòng)器。

系統(tǒng)提供了兩種用戶短消息內(nèi)容的識(shí)別，分別是“設(shè)定溫度XX”和“查詢狀態(tài)”。如用戶發(fā)送“查詢狀態(tài)”，而當(dāng)前室內(nèi)狀態(tài)為23℃，則系統(tǒng)自動(dòng)向用戶返回短消息“溫度：23；狀態(tài)：正?！?。如果室內(nèi)是異常溫度，則系統(tǒng)發(fā)送短消息自動(dòng)報(bào)警“溫度60；狀態(tài)警告”。如果用戶發(fā)送“設(shè)定溫度23”，則系統(tǒng)將當(dāng)前室內(nèi)設(shè)定溫度改為23℃，并回復(fù)“已設(shè)定溫度23”。

為了使用戶可以方便關(guān)閉室內(nèi)控制器，而又不需要增加其他的短消息內(nèi)容，本文設(shè)置了最高溫度限制50℃。當(dāng)用戶發(fā)送“設(shè)定溫度”大于49℃時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為用戶要求關(guān)閉控制器，繼而把溫度設(shè)定點(diǎn)改為OFF，風(fēng)閥完全關(guān)閉，同時(shí)返回短消息“已關(guān)閉”。采用這種方法，既保證了系統(tǒng)有關(guān)閉風(fēng)閥的功能，又不需要添加新的短消息命令。

短消息命令詳情見表1。

為了測(cè)試系統(tǒng)節(jié)能實(shí)際效果，在室外溫度9℃的條件下開啟2個(gè)模擬房間的末端控制器，并設(shè)置預(yù)期室內(nèi)溫度23℃。假定2個(gè)房間中，模擬房間一8：00有人，模擬房間二9：00開始有人；通過計(jì)算表明，9：00開啟模擬房間二的室內(nèi)控制器要比8：00同時(shí)開啟2個(gè)模擬房間的室內(nèi)控制器節(jié)約全天所耗能量的7%左右。

本文實(shí)現(xiàn)了GSM遠(yuǎn)程控制方法，通過手機(jī)短信方式，對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)末端裝置進(jìn)行控制及對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可以方便、靈活、快捷、按需調(diào)節(jié)房間的溫度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。