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1、基于无线传感器网络的中央空调末端自动控制系统研究传感器技术正向着智能化、网络化的方向发展，无线传感器网络(WSNirelssSensr Ntwor)正是适应这种需求而出现的，它集传感器技术、微机电技术和网络通讯技术于一身，具有信息采集、处理和传输等功能1。无线传感器网络具有广泛的应用前景,在建筑物健康监测、精准农业、智能交通、环境监测等应用场合中显示出了巨大的市场前景3。 目前中央空调末端采用人工手动方式调节空调运转温度，通过手动调节空调工作温度,导致目前在室内出现了东穿夏装夏穿冬装的现象;而且这种控制方式难以保证空调运转在国家规定的空调标准温度范围内,容易导致空调运转的能耗大幅提高。本文采用
2、无线传感器自组织网络技术，运用网络节点成本低、体积小、安装布设方便等特点，研制一种基于无线传感器网络的空调末端自动控制系统，自动控制空调的运行。中央空调末端装置通过接收传感器节点采集的人员和温度数据信息确定空调是否开启，并根据人体与空调运行温度对人体健康的关系，确保空调工作在人体所需的健康温度范围内，对空调的工作状态进行控制以减少中央空调运行能耗，在保证温度适宜情形下实现空调末端运转低能耗。、系统方案2.1 系统组成系统由末端数据采集控制模块包括无线开关 (WilessSwtch， 带无线收发功能)和节点(Noe)、簇头(Cluter) 和后台监控管理系统三部分组成。系统采用无线传感器网络技术
3、,在室内安装传感器节点,采集室内温度后,将采集的数据信息发送到末端数据采集控制模块,末端数据采集控制模块经过中央处理器处理判断是否打开空调。空调的运行状态再由此模块发送到cluser再转发到(ik）节点建立网络连接，sink节点同时将接收到的信息反馈给空调后台监控管理系统4。系统结构如图所示。图1系统结构图2.2 系统功能 系统的核心功能是通过nod采集室内的数据信息,然后经过S对数据进行处理判断,根据处理后的数据自动控制空调的工作状态。 末端数据采集控制模块由node(双向通信的传感器节点)、W组成。d负责感知并采集数据信息并将信息发送到WS的无线收发模块；W主要负责处理o或clustr传来
4、的数据信息并判断是否启动空调运转，同时将空调的运转状态上传到cluster。主要功能模块组成如图2所示：图2 末端数据采集控制模块组成 luste主要接收来自W发送的数据并转发到后台系统的i或接收后台监控系统的信息并转发给末端数据采集控制模块WS同时，custr为系统实现多跳通信提供了数据链路选择路径。确保网络的覆盖范围，提高网络传输的可靠性。后台监控管理系统由sik和后台监控系统组成,sin主要负责上传cluster数据信息和下传后台监控系统控制命令；后台监控系统主要负责监控各空调的运行状况。、系统设计3. 系统硬件设计系统主要实现的核心技术是低功耗和空调温度自动控制。因此本系统选用FESC
5、LE半导体的MC13213无线系列芯片做为主控芯片。1313根据IEEE 802.1.4标准设计，采用igBe技术（具有近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输率、低成本等特点5）;支持专用点到点、简单星形以及 MS 网络，以及符合ZigBee标准的网络；具有集成收发/接收（Tx/)开关，缩小所占用的板面积,减少所需器件;采用飞思卡尔的低电压低功耗HS08核心，并带有嵌入式闪存、10位模数转换器、低压中断和键盘中断等功能;设计具有高度集成性,结合HCS8 CU和2.4z收发器,集成到一个4针脚的L封装中。3.1.1 nk、cluster、node功能模块设计ik为网络的终端节点，位置相对规定,具有
6、数据汇集功能，由电源模块、MC1213中央处理器模块、信号放大器模块三部分组成。通过RF信号放大器接收clster传输的iforation信息并将nformto传输到后台控制系统。同时将后台控制系统的命令信息通过custer上传到WS 的无线收发模块。 Cluser为网络的路由节点，为多条通信提供数据路径,具有数据融合和路由功能，由电源模块、MC13213中央处理器模块、FR信号放大器模块三部分组成。由于楼宇内障碍物多,无线通讯距离、绕障能力有限，利用cluster确保网络的覆盖范围;通过RF信号放大器提高信号发射功率，提高网络传输的可靠性。 Node为网络设备节点，位置相对固定,安装在室内具
7、有感知数据信息、数据融合、无线通信功能；No通过使用人体红外传感器感知到人体数据信息后，经过信号调整电路将数据信息调整为使能驱动信号，驱动温湿度传感器工作，温湿度传感器将采集的数据传送到M113中央处理器，MC13213对数据进行融合处理经传输informao到的无线接收模块。功能组成如图3所示：图3sink、cluter、node功能模块图.1 带无线收发功能的WS设计 如图2所示，WS为网络最重要的核心设备，具有数据融合、数据处理、无线收发、路由功能；S通过对自身感知的数据和接收来自nde节点的数据进行融合处理,判断空调是否进入工作状态。主要由传感器模块、中央处理器、RF双向通信模块、电子
8、开关模块、语音模块、数字电位控制器模块、CD显示模块其部分组成。 传感器模块： 经人体红外传感器感知人体红外信号后，驱动温湿度传感器进入工作状态，并将感知的温湿度数据发送到中央处理器； 中央处理器： 末端数据采集控制系统的核心，实现各个模块的协调处理。控制整个末端负责接收并处理双向通信模块传输的数据，然后判断空调是否应进入工作状态，如果接收到的数据未达到预先设定的数据值则继续接收感应数据的信息。数据的预先设定分两个值,一个是低数据值,当感应信息的数据值低于这个值时则空调开启为暖风状态；一个数据值为高数据值,当感应信息的数据值高于这个值时则空调开启为冷风状态;然后根据感应信息的数据进行判断室内空
9、调应开启的温度值,再通过数字电位控制器发布温控信息，启动空调工作温度，同时CD上显示空调开启温度、空调运转时间及语言提示信息。 R双向通信模块:接收各个传感器节点传来的感知数据、向后台监控管理系统传送空调运转信息及数据。电子开关模块: 接收中央处理器的控制信息,控制空调的自动关闭和启动。 语音模块:对室内工作人员进行语音提示，当空调开始运转时，对室内人员进行语音提示空调启动情况及空调当前的工作温度。 数字电位控制器模块： 接收中央处理器传输的信号，根据人体与空调运行温度对人体健康的关系，实现室内温度自动控制,在无人员手动设置空调温度前提下，空调一直工作与人体所需的健康温度范围内。 LCD显示模
10、块: 显示空调的运行状态进行空调温度值及空调运行时间。3.2 系统软件实现 由于系统本身数据转发多、传输数据量大、数据传输数率低的特点；又由于IEE802.15.4本身支持多跳和端到端的通信方式提供设备级无线连接，为保证网络通信畅通和低能量消耗，提高节点的生存能力,因此本系统采用基于IEE802.54的通信协议体系结构6。如图4所示:图4 系统通信协议体系结构在本系统应用中,PH层为snk、cluser、nde的最底层，由射频收发器及底层的控制模块组成,主要功能信道能量检测（E），信道接受数据包的链路质量检测指示（L)，空闲信道评估(CA);MC层为sik、lut、nd的第二层，采用载波监听多
11、址冲突退避(CSM-C）机制，支持网络关联和取消关联操作以及时槽保障(GS)机制，用来确保周期性和非周期性数据转发。SC（特点服务汇聚子层)提供确实的数据传输和LL（逻辑链路子层）管理数据链路通信;网络层主要针对luse为系统多跳通信提供可靠的路由通信链路;P主要针对node节点,实现数据采功能8。3.2.1通信方式 由于楼宇中房间的数量居多,各房间离后台无线收发模块较远，因此系统采用了多跳通信方式和通信应答机制，即有人员进出房间后，noe节点通过事件启动方式驱动节点采集数据信息，并将采集到数据信息发送到WS无线收发控制模块,当其接收到节点的数据信息将返回一个ACK(其中ACK分为UCCE和F
12、AL两种状态），然后对数据信息进行判断是否打开空调启动开关。空调进入工作状态后,WS无线收发控制模块将数据信息传送到custer,clustr收到数据信息后恢复ACK确认,然后将数据信息转发给sink，snk收到数据信息后也对clster恢复AK确认,通过这种多跳的通信方式和通信应答机制保证信息传输的可靠性,方便管理人员随时掌握空调的工作状态。3.22通信格式 根据系统整体设计方案和通信方式，系统采用多跳通信方式和通信应答机制,因此需对nk 、inomain、ack三种数据包进行定义： )Snk与后台监控系统的通信协议包表 Sink与后台监控系统的通信协议包2Byte2Byte2Bye50By
13、te4Bte开始符（0x00E)长度类型负载R校验 类型分为两类：Data00, ACK x000;上行数据帧和下行数据帧统称为Daa类型；当类型为Data时，负载为无线通信包中的informaion包;当类型为A时，负载为一个状态st量：SUCES（0x0001),：(x000)。 2）nfrmatin数据包结构 formon包为node节点发出，通信线路为:neWS, Wcluster，clustrsink表 Inrmion数据包结构2Bte2yeBte2Byt2Byteyte(050)*2bye目的地址源地址消息类型消息内容数据信息跳数地址链表 infation数据包结构的消息类型:表消
14、息类型类型数值功能Datax000采集到数据信息RFCK0x0001snkcusterWS/nod应答命令 inmatio数据包结构的消息内容：SUCCES:x0或FL：001；infomation数据包结构的数据信息:表 数据信息类型数值功能ma0x0房间人员信息temperaur当前采集的温度值温度信息 3）AK数据包结构表5 CK数据包结构2Bte2ByteByeByte目的地址源地址消息类型消息内容C数据包结构的消息类型：表6消息类型类型数值功能dta0x0接收到数据RF_ACKx01sink/custe/W/noe应答命令IIT0x02初始化命令ACK数据包结构的消息内容：表7消息内容消息内容数值功能r0x00进入工作状态o_wk0x01停止工作Lot2通信失败3. 后台监控系统 后台监控管理系接收cluster及W的无线收发模块的数据信息自动建立网络链
