無線傳感器網(wǎng)絡中央空調(diào)末端自動控制系統(tǒng)研究報告

1、基于無線傳感器網(wǎng)絡的中央空調(diào)末端自動控制系統(tǒng)研究傳感器技術正向著智能化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡（WSN一WirelessSensorNetwork正是適應這種需求而出現(xiàn)的，它集傳感器技術、微機電技術和網(wǎng)絡通訊技術于一身，具有信息采集、處理和傳輸?shù)裙δ?20無線傳感器網(wǎng)絡具有廣泛的應用前景，在建筑物健康監(jiān)測、精準農(nóng)業(yè)、智能交通、環(huán)境監(jiān)測等應用場合中顯示出了巨大的市場前景3。目前中央空調(diào)末端采用人工手動方式調(diào)節(jié)空調(diào)運轉溫度，通過手動調(diào)節(jié)空調(diào)工作溫度，導致目前在室內(nèi)出現(xiàn)了東穿夏裝夏穿冬裝的現(xiàn)象；而且這種控制方式難以保證空調(diào)運轉在國家規(guī)定的空調(diào)標準溫度范圍內(nèi)，容易導致空調(diào)運轉的能耗大幅提高。

2、本文采用無線傳感器自組織網(wǎng)絡技術，運用網(wǎng)絡節(jié)點成本低、體積小、安裝布設方便等特點，研制一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的空調(diào)末端自動控制系統(tǒng)，自動控制空調(diào)的運行。中央空調(diào)末端裝置通過接收傳感器節(jié)點采集的人員和溫度數(shù)據(jù)信息確定空調(diào)是否開啟，并根據(jù)人體與空調(diào)運行溫度對人體健康的關系，確?？照{(diào)工作在人體所需的健康溫度范圍內(nèi)，對空調(diào)的工作狀態(tài)進行控制以減少中央空調(diào)運行能耗，在保證溫度適宜情形下實現(xiàn)空調(diào)末端運轉低能耗。2、系統(tǒng)方案2.1 系統(tǒng)組成系統(tǒng)由末端數(shù)據(jù)采集控制模塊包括無線開關（WS-WirlessSwitch,帶無線收發(fā)功能和節(jié)點Node）、簇頭（Cluster和后臺監(jiān)控管理系統(tǒng)三部分組成。系統(tǒng)采用無線傳

3、感器網(wǎng)絡技術，在室內(nèi)安裝傳感器節(jié)點，采集室內(nèi)溫度后，將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到末端數(shù)據(jù)采集控制模塊，末端數(shù)據(jù)采集控制模塊經(jīng)過中央處理器處理判斷是否打開空調(diào)?？照{(diào)的運行狀態(tài)再由此模塊發(fā)送到cluster再轉發(fā)到Sink）節(jié)點建立網(wǎng)絡連接，sink節(jié)點同時將接收到的信息反饋給空調(diào)后臺監(jiān)控管理系統(tǒng)40系統(tǒng)結構如圖1所示。圖1系統(tǒng)結構圖2.2 系統(tǒng)功能系統(tǒng)的核心功能是通過node采集室內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，然后經(jīng)過WS對數(shù)據(jù)進行處理判斷，根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)自動控制空調(diào)的工作狀態(tài)。末端數(shù)據(jù)采集控制模塊由node（雙向通信的傳感器節(jié)點、WS組成。node負責感知并采集數(shù)據(jù)信息并將信息發(fā)送到WS的無線收發(fā)模塊；WS主要負

4、責處理node或cluster傳來的數(shù)據(jù)信息并判斷是否啟動空調(diào)運轉，同時將空調(diào)的運轉狀態(tài)上傳到cluster0主要功能模塊組成如圖2所示：/2圖2末端數(shù)據(jù)采集控制模塊組成cluster主要接收來自WS發(fā)送的數(shù)據(jù)并轉發(fā)到后臺系統(tǒng)的sink或接收后臺監(jiān)控系統(tǒng)的信息并轉發(fā)給末端數(shù)據(jù)采集控制模塊WS同時，cluster為系統(tǒng)實現(xiàn)多跳通信提供了數(shù)據(jù)鏈路選擇路徑。確保網(wǎng)絡的覆蓋范圍，提高網(wǎng)絡傳輸?shù)目煽啃?。后臺監(jiān)控管理系統(tǒng)由sink和后臺監(jiān)控系統(tǒng)組成，sink主要負責上傳cluster數(shù)據(jù)信息和下傳后臺監(jiān)控系統(tǒng)控制命令；后臺監(jiān)控系統(tǒng)主要負責監(jiān)控各空調(diào)的運行狀況。3、系統(tǒng)設計3.1系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)主要實現(xiàn)的核

5、心技術是低功耗和空調(diào)溫度自動控制。因此本系統(tǒng)選用FREESCALE半導體的MC13213無線系列芯片做為主控芯片。MC13213根據(jù)IEEE802.15.4標準設計，采用ZigBee技術具有近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率、低成本等特點5);支持專用點到點、簡單星形以及MUSH網(wǎng)絡，以及符合ZigBee標準的網(wǎng)絡；具有集成收發(fā)/接收Tx/Rx)開關，縮小所占用的板面積，減少所需器件；采用飛思卡爾的低電壓低功耗HCS08核心，并帶有嵌入式閃存、10位模數(shù)轉換器、低壓中斷和鍵盤中斷等功能；設計具有高度集成性，結合HCS08MCU和2.4GHz收發(fā)器，集成到一個64針腳的LGA封裝中。sink

6、、cluster、node功能模塊設計Sink為網(wǎng)絡的終端節(jié)點，位置相對規(guī)定，具有數(shù)據(jù)匯集功能，由電源模塊、MC13213中央處理器模塊、FR信號放大器模塊三部分組成。通過RF信號放大器接收cluster傳輸?shù)膇nformation信息并將information傳輸?shù)胶笈_控制系統(tǒng)。同時將后臺控制系統(tǒng)的命令信息通過cluster上傳到WS的無線收發(fā)模塊。Cluster為網(wǎng)絡的路由節(jié)點，為多條通信提供數(shù)據(jù)路徑，具有數(shù)據(jù)融合和路由功能，由電源模塊、MC13213中央處理器模塊、FR信號放大器模塊三部分組成。由于樓宇內(nèi)障礙物多，無線通訊距離、繞障能力有限，利用cluster確保網(wǎng)絡的覆蓋范圍；通過RF

7、信號放大器提高信號發(fā)射功率，提高網(wǎng)絡傳輸?shù)目煽啃浴ode為網(wǎng)絡設備節(jié)點，位置相對固定，安裝在室內(nèi)具有感知數(shù)據(jù)信息、數(shù)據(jù)融合、無線通信功能；Node通過使用人體紅外傳感器感知到人體數(shù)據(jù)信息后，經(jīng)過信號調(diào)整電路將數(shù)據(jù)信息調(diào)整為使能驅動信號，驅動溫濕度傳感器工作，溫濕度傳感器將采集的數(shù)據(jù)傳送到MC13213中央處理器，MC13213對數(shù)據(jù)進行融合處理經(jīng)FR傳輸information到WS的無線接收模塊。功能組成如圖3所示：圖3sink、cluster>node功能模塊圖帶無線收發(fā)功能的WS設計如圖2所示，WS為網(wǎng)絡最重要的核心設備，具有數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)處理、無線收發(fā)、路由功能；WS通過對自身感

8、知的數(shù)據(jù)和接收來自node節(jié)點的數(shù)據(jù)進行融合處理，判斷空調(diào)是否進入工作狀態(tài)。主要由傳感器模塊、中央處理器、RF雙向通信模塊、電子開關模塊、語音模塊、數(shù)字電位控制器模塊、LCD顯示模塊其部分組成。傳感器模塊：經(jīng)人體紅外傳感器感知人體紅外信號后，驅動溫濕度傳感器進入工作狀態(tài)，并將感知的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到中央處理器；中央處理器：末端數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)各個模塊的協(xié)調(diào)處理。控制整個末端負責接收并處理雙向通信模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后判斷空調(diào)是否應進入工作狀態(tài)，如果接收到的數(shù)據(jù)未達到預先設定的數(shù)據(jù)值則繼續(xù)接收感應數(shù)據(jù)的信息。數(shù)據(jù)的預先設定分兩個值，一個是低數(shù)據(jù)值，當感應信息的數(shù)據(jù)值低于這個值時則空調(diào)開啟

9、為暖風狀態(tài)；一個數(shù)據(jù)值為高數(shù)據(jù)值，當感應信息的數(shù)據(jù)值高于這個值時則空調(diào)開啟為冷風狀態(tài)；然后根據(jù)感應信息的數(shù)據(jù)進行判斷室內(nèi)空調(diào)應開啟的溫度值，再通過數(shù)字電位控制器發(fā)布溫控信息，啟動空調(diào)工作溫度，同時LCD上顯示空調(diào)開啟溫度、空調(diào)運轉時間及語言提示信息。RF雙向通信模塊：接收各個傳感器節(jié)點傳來的感知數(shù)據(jù)、向后臺監(jiān)控管理系統(tǒng)傳送空調(diào)運轉信息及數(shù)據(jù)。電子開關模塊：接收中央處理器的控制信息，控制空調(diào)的自動關閉和啟動。語音模塊：對室內(nèi)工作人員進行語音提示，當空調(diào)開始運轉時，對室內(nèi)人員進行語音提示空調(diào)啟動情況及空調(diào)當前的工作溫度。數(shù)字電位控制器模塊：接收中央處理器傳輸?shù)男盘枺鶕?jù)人體與空調(diào)運行溫度對人體健康

10、的關系，實現(xiàn)室內(nèi)溫度自動控制，在無人員手動設置空調(diào)溫度前提下，空調(diào)一直工作與人體所需的健康溫度范圍內(nèi)。LCD顯示模塊：顯示空調(diào)的運行狀態(tài)進行空調(diào)溫度值及空調(diào)運行時間。3.2系統(tǒng)軟件實現(xiàn)由于系統(tǒng)本身數(shù)據(jù)轉發(fā)多、傳輸數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率低的特點；又由于IEEE802.15.4本身支持多跳和端到端的通信方式提供設備級無線連接，為保證網(wǎng)絡通信暢通和低能量消耗，提高節(jié)點的生存能力，因此本系統(tǒng)采用基于IEEE802.15.4的通信協(xié)議體系結構67。如圖4所示：圖4系統(tǒng)通信協(xié)議體系結構在本系統(tǒng)應用中，PHY層為sink、clusternode的最底層，由射頻收發(fā)器及底層的控制模塊組成，主要功能信道能量檢測

11、ED）,信道接受數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量檢測指示LQI）,空閑信道評估CCA）;MAC層為sink、clusternode的第二層，采用載波監(jiān)聽多址沖突退避CSMA-CA）機制，支持網(wǎng)絡關聯(lián)和取消關聯(lián)操作以及時槽保障GTS）機制，用來確保周期性和非周期性數(shù)據(jù)轉發(fā)。SSCS特點服務匯聚子層）提供確實的數(shù)據(jù)傳輸和LLC邏輯鏈路子層）管理數(shù)據(jù)鏈路通信；網(wǎng)絡層主要針對cluster為系統(tǒng)多跳通信提供可靠的路由通信鏈路；APP主要針對node節(jié)點，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采功能8。通信方式由于樓宇中房間的數(shù)量居多，各房間離后臺無線收發(fā)模塊較遠，因此系統(tǒng)采用了多跳通信方式和通信應答機制，即有人員進出房間后，node節(jié)點通過事件啟

12、動方式驅動節(jié)點采集數(shù)據(jù)信息，并將采集到數(shù)據(jù)信息發(fā)送到WS無線收發(fā)控制模塊，當其接收到節(jié)點的數(shù)據(jù)信息將返回一個ACK（其中ACK分為SUCCES和FAIL兩種狀態(tài),，然后對數(shù)據(jù)信息進行判斷是否打開空調(diào)啟動開關。空調(diào)進入工作狀態(tài)后，WS無線收發(fā)控制模塊將數(shù)據(jù)信息傳送到cluster,cluster收到數(shù)據(jù)信息后恢復ACK確認，然后將數(shù)據(jù)信息轉發(fā)給sink,sink收到數(shù)據(jù)信息后也對cluster恢復ACK確認，通過這種多跳的通信方式和通信應答機制保證信息傳輸?shù)目煽啃裕奖愎芾砣藛T隨時掌握空調(diào)的工作狀態(tài)。通信格式根據(jù)系統(tǒng)整體設計方案和通信方式，系統(tǒng)采用多跳通信方式和通信應答機制，因此需對sink&g

13、t;information>ack三種數(shù)據(jù)包進行定義：Sink與后臺監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議包表1Sink與后臺監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議包2Byte2Byte2Byte1150Byte4Byte開始符<0x000E)長度類型負載CRC校驗類型分為兩類：Data0x0000,ACK0x0001;上行數(shù)據(jù)幀和下行數(shù)據(jù)幀統(tǒng)稱為Data類型；當類型為Data時，負載為無線通信包中的information包；當類型為ACK時，負載為一個狀態(tài)state量：SUCCESS<0x0001),FAIL:<0x0000)。information數(shù)據(jù)包結構Information包為node節(jié)點發(fā)出，通信

14、線路為：node>WS,WS>cluster,clusterfsink2Byte1Byte數(shù)據(jù)信息跳數(shù)<050>*2byte地址鏈表表2Information數(shù)據(jù)包結構2Byte2Byte2Byte2Byte目的地址源地址消息類型消息內(nèi)容information數(shù)據(jù)包結構的消息類型:表3消息類型r類型數(shù)值功能Data0x0000采集到數(shù)據(jù)信息RFACK0x0001sink/cluster/WS/node應答命令information數(shù)據(jù)包結構的消息內(nèi)容：SUCCESS:0x00或FAIL：0x01；information數(shù)據(jù)包結構的數(shù)據(jù)信息：表4數(shù)據(jù)信息類型數(shù)值功能man0x00房間人員信息一|temperature當前采集的溫度值溫度信息3)ACK數(shù)據(jù)包結構表5ACK數(shù)據(jù)包結構2Byte目的地址2Byte源地址1Byte消息類型1Byte消息內(nèi)容ACK數(shù)據(jù)包結構的消息類型:表6消息類型類型數(shù)值功能data0x00接收到數(shù)據(jù)RF_ACK0x01sink/cluster/WS/node應答命令INIT0x02初始化命令ACK數(shù)據(jù)包結構的消息內(nèi)容:表7消息內(nèi)容消息內(nèi)容數(shù)值功能work0x00進入工作狀態(tài)No_work0x01停止工作|Lost0x02通信失敗3.3后臺監(jiān)控系統(tǒng)后臺監(jiān)控管理系接收cluster及WS的無線收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)信息自動