网络空调器的设计

作者：家电科技 吴兆垠

欢迎访问e展厅 展厅 3 空调/风扇/热水器展厅 空调, 风扇, 电热器, 空气净化器, 加湿器, ... 1 网络空调器的需求 在骄阳似火的夏日，当你走在上班的路上，你是否想遥控办公室的空调器开机运行，使你走进办公室时就能享受清凉舒适的环境？当你离开办公室去办事，而一时不能返回时，是否想远程关掉办公室的空调，从而节省能源？其次，在通讯工程中，有许多在高山峻岭中的通讯工作站，这些工作站内装有昂贵的通讯设备，为了让这些设备有一个合适的工作环境，一般通讯工作站内都安装了空调器，那么怎样才能远程控制这些空调器的开朵和关机，并监控其运行状态？在科学技术发展的今天，这些已不再梦想，利用网络空调器就能实现远程控制。 2 网络空调器的模式分析 网络空调是个崭新的行业，目前，从事网络空调器设计，并有产品销售的国内外家电厂家也有许多，各自的设计方案不尽相同，但归纳起来有三种模式。 ①通过公用电话拨号网控制。无论是居家，还是工程机房，电话都是可及的地方，通过电话拨号先建立链路，再输入遥控命令，达到开机、关机、调温和监控，这是很方便的，控制成本也很低，特别是对崇山峻岭中的通信站更是如此。 ②通过Internet网控制。因为Internet网，几首覆盖了大多数办公室和多数家庭，如果能过Internet网控制，范围会更广和更有效，但是成本会高一些。这种控制方案，先建一个Web服务器，服务器运行时，远程的客户可以直接登录，同时，在服务器的后台运行一个通讯子程序，这个子程序通过RS232/RS485接口，发送控制命令或接收运行数据，可见这种方案技术含量较高，但可以传输大量的数据。 ③通过无线电通讯来控制。早期是利用专用无线电台数传来控制，但近期直接利用无线移动通讯（手机卡）来控制，成本更低。因为从控制室到远程工作站，几乎被移动蜂窝所覆盖，而且占用一路移动通讯资源，对通讯公司来说是微不足道的，控制机房和远程通讯站都采用移动通讯，链路可靠，数据传输快，成本低。对于更远距离，利用卫星作数据链路，也是一个可选的方案，先由卫星收发器将遥控命令上行发到商用卫星，再由卫星下行传到远处的接收站，接收站解码后送给空调器。然后，空调器按获得的参数运行。或者，将现有的运行参数通过卫星链路上传控制室。这种方案需租用商用卫星，成本可能贵了一点。 从理论上讲，以上三种方案都是可行的，但本文只讨论第一种设计方案。 3 公用电话网远程控制方案设计 对于利用公用电话拨号网来远程控制的网络空调器的设计，主要按五个模块设计的，这五个模块都是至关重要的。 3.1 拨号网络链路 这里有两种设计方案 第一种方案，直接电话拨号控制。这种方法特别适合于移动性强的人员，对家用空调和办公室空调的直接控制。例如，在上班的路上，可以拨一个电话，将办公室空调打开，并设置温度26℃，5~10分钟全，你到了办公室，正好可以享受舒适的环境。这里，先拨目的机号，在自动摘机并得到语音提示后，再拨开机命令，现在，一般电话拨号都是按DTMF（双音多频）制式，从电话机送出单音频信号，该信号经过程控电话交换机，送到远程目的地，在目的地有一个电话拨号网关（gateway），该网关能解析出拨号的字符——实际上就是拨号命令，该命令控制着空调器的运行。在网关中含有一个音频解码芯片，一个单片机控制系统和RS232/RS485接口电路，通过解码电路解出单个数码，再经过单片机系统分析产生完整的命令，最后通过RS232接口，送到本地空调器，由本地空调器执行。这种方案是粗略控制，运行参数不需要返回。 第二种设计方案，由计算机（PC）控制远程网络空调。许多通讯工作站，安装了许多昂贵的发射机，工作站的温度、湿度等参数需要返回到控制中心监视。另外假如运行的空调器出现故障，备份空调机要立即切换，避免由于空调器故障，使温度上升，进而引发其它通讯设备故障，所以，用普通电话拨号，就难以实现。只有通过计算机（PC）才能实现复杂控制。这种方案需要两台拨号网关（dial-gateway），首先，计算机（PC）通过RS232/RS485接口与网关相联，网关再与公用拨号电话网相联，从拨号网到远程机链路与第一种方案完合相同，下达控制命令时，先由计算机（PC）拨目的地号，目的地网关会摘机响应（无提示音），在两个网关之间成功地建立起链路之后， 即进入透明通讯，计算机（PC）命令经过第一个网关转成DTMF单音信号，该信号经守程控电话交换机，送到目的地网关，再由目的的地网关将DTMF单音转成数据流，数据流由网关解析成命令，并送本地空调器，本地空调器按命令运行；如果是空调器的运行状态及参数返回，则是一个逆向过程。 本文介绍的设计方案，是从全局考虑，采用通用化设计，能很好地将第一种方案和第二种方案结合起来，使家用网络空调和工程用网络空调的设计溶为一体，即一种风关适用于多种方式使用。如图1所示。 3.2 拨号网关设计 拨号网关是一个关键的模块设计，它要完成以下四个功能； ①能提取DTMF拨号字符0~9；*；#；（A,B,C,D）； ②提取的字符通过RS232/RS485接口，与计算机（PC）串口相连； ③在连续振铃五次后自动摘机，如果是普通人工拨号控制，控制成功后，给出一个语音提示，但如果是计算机（PC）拨号控制，则无语音提示； ④上行和下行数据传输过程中，都是自适应的。 用MC145436芯片，作网关的核心解码芯片，它完成由DTMF单音到四位二进制数的解码，如图2志示，Ain（P7）为单音输放端，当解码成功后，DV端变高，单片机判断为高电平时，读走D1~D4的数据，并由串口送出；K1-2为常团点，接振铃电路，K1-1为常开点，接解码电路。有检测振铃电路，当电话振铃时，桥堆输出高电平，光电藕合器却反相输出低电闰，这个低电平送到单片机P3.2（INTO）引脚，引起外部事件中断，中断程序再从P2.0引脚上输出高电平，使继电器吸合，断开振铃电路，接通正常的解码电路，从而自动摘机，进入透明的链路通讯。 本网关设计中，使用AT89C2051嵌入式单片机作网关的控制器，AT89C2051是Atmel公司生产的与MCS-51系列兼容的单片机。含有2K字节的EEPROM、128字节RAM，15根I/O引线，2个16位定时/计数器，1个五向量两级中断，1个全双工串行接口，选用该芯片是因为成本低，性能和容量够用。如图2示。 如果是普通的拨号，传输所有的字符都是电话机上的合法字符，但如果是计算机（PC）控制，则可以扩展一些字符。如表1所示 3.3 协议规范设计 系统是否能协调地工作，主要靠通讯协议支持。发送命令和解释命令，都要遵循协议规范，这里分普通拨号远程控制和计算机（PC）拨号远程控制，也就是说网关包含了两种协议，这两种协议都是同时解释的。 ①普通拨号控制协议，指令长度尽可能短，而且长度固定，格式如下： 总长度为5个字符，每个字符8位，*为命令的起始字符，#为命令结束字符，A区为命令类型，B区和C区为数值，通常为00，只有在调温命令时才是实际温度值，如表2所示。 ②计算机（PC）拨号远程控制协议 在工程现场中，通常存在着各种干扰，如发射机信号干扰，以及电源电磁场干扰等，为了防止误操作，在命令帧的格式上，可以加入一些特殊字符，因为计算机（PC）可以发送一些特殊字符，并加上校验和，故格式如下： 对格式的说明： ①“55AA”为二字节十六进制数，为一帧命令的帧头，“55”与“AA”是相关的两个数，是为了干扰而选的，当然，也可以取别的数，最好相关性较大的数。 ②本帧命令长度值，它是一个字节的十六制数，所以最多可表示255个字节，便它已经足够了。为什么帧头之后是长度字节呢？这样安排是为了方便接收端，因为一旦接收端捕获到帧头，接着是长度字节，将长度数据压入计数器，以后每接收一个字节，计数器减一，直到计数器值为零一，一帧命令接收结束，然后，把这帧数据从缓冲区取出进行分析。可见是比较方便的。 ③上行和下行字段：字符“U”表示流氓命令是上行命令，如运行状态参数返回，字符“D”表示该命令是下行命令，如开机、关机等。 ④设备类型段：该段是一个字节的十六进制烽，表示被控制的设备类型，如31表示空调，32表示冰箱，33表示电饭煲等。 ⑤命令类型段：该段表示执行的具体命令，如01表示开机，它与普通拨号控制协议中，A区定议是相同的，但扩展了若干条命令，09表示对温度的增量——对应数据区有+1和-1（用补码表示），表示只在原来的温度上增加或减少1℃；10表示定时，对应数据区有三个字节数，第一字节表示动作，如31表示定时开机，32表示定时关机等，后两个字节表示具体时间值，最长为1440分钟。 ⑥最后一个字节是奇偶校验值。还可以根据实际增加一条应答如命令，这里从略。 3.4 对原空调器的改造 市场上销售的空调器，有些是机械温控的，有些是电子温控的，还有一些是单片机控制的，只有含有单片机的温控器，才能作为网络空调器，而且需要对原来的接口电路和软件作修改，其中软件的改动较大。如图3所示 对硬件的修改，主要是增加RS232/RS485接口，为了抗干扰，还需要增加光电隔离电路。 3.5 上位机软件设计 上位机软件也就是系统软件，它是人机控制界面接口，可以用高级语言VC++，Delphi或VB等编程，与网关的通讯模块可以用底层C语言通讯函数，也可以用封装好的通讯模块。VC++语言使用比较复杂，在界面编程中并没有优势，而Delphi具有和VB一样的简易操作，同时，Delphi可以开双线程，使在通讯过程中可以全双工，同时收发不丢失数据。所以，相比之下，用Delphi加封装的通讯控件设计比较方便，界面设计友好，操作极期方便。主流程如图4所示 系统总容量设计可同时控制255台远程空调器。装机时，可以一次性设置好各远程网关的电话号码，当然，也可以在运行时重新设置。开机时，首先主程序通过各拨号网关，呼叫远程网关，并与之建立一一对应的链路关系，当链路建立后，即进入透明通讯，如果连续呼叫五次都不成功，则放弃此次呼叫，转下一个呼叫，直到所有的通讯站都被呼叫过。上位机所有的操作命令，都会通过透明链路下达到目的端工程机，工程机的运行参数也会即时上传到控制中心，并实时显示在上位机显示屏上。显示屏上会循环地显示各目的端的工作状态，如链路通断，空调器的运行状态和室温等，但手工操作也可以中断原来的显示顺序。 4 网络空调工程现场经验 上述的网络空调，分别在广东、河北、江西等地的电信和铁路部门，经过严格的长时间的现场运行考验，用户反应效果良好，性能稳定，通讯可靠，数据准确。 现在，随着市场需求量的扩大，国内外许多著名的家电厂商，也纷纷投入一定的资金来做网络空调的市场开发；同时，随着信息家电和智能家居的兴起，许多新技术会引入到网络家电领域来，反过来将会加速网络家电的发展。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/1/2004)