關鍵詞： GSM；SIM300；嵌入式系統(tǒng)；遠程控制
中央空調末端控制器是中央空調系統(tǒng)中最重要的裝置之一，對于中央空調的節(jié)能有著重要意義。現(xiàn)有的中央空調末端風閥啟/停控制有手動開閉控制和固定時間調度的風量控制兩種。啟動后的控制策略常采用PID或模糊控制方法對室內溫度進行控制[1，2]。這種由中央空調控制系統(tǒng)集中的固定調度算法，雖然控制系統(tǒng)容易實現(xiàn)，但它只適用于負荷和作息時間固定的用戶，如何根據(jù)用戶的實際需求來調整末端送風裝置調度時間，是節(jié)能和保持舒適度的關鍵。現(xiàn)有按照需求實現(xiàn)遠程末端控制的方式有藍牙技術和以太網(wǎng)。而藍牙的有效傳輸距離短，以太網(wǎng)又布線復雜，受地域、環(huán)境、經(jīng)濟條件等影響的限制[3]。
為了解決以上問題，本文設計實現(xiàn)了一種基于手機SIM卡GSM網(wǎng)絡的中央空調末端風閥異地控制模塊。GSM除語音業(yè)務外，另有短消息數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務[4-8]。該模塊不但可以完成室內溫度信息通過GSM網(wǎng)絡以短信息的形式報告用戶，同時也可以由用戶通過該模塊發(fā)送期望設定室內溫度給末端控制器，完成遠程控制。
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，通過手機短信的方式對中央空調末端裝置進行遠程控制，實現(xiàn)了對室內溫度的設置和監(jiān)控，取得了很好的實際效果。
1 末端控制器系統(tǒng)設計
1.1 控制器系統(tǒng)硬件設計
本文基于ARM9平臺，采用Linux嵌入式操作系統(tǒng)，以S3C2410處理器為核心。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)絡進行通信的射頻模塊，本文選用Simcom公司推出的工業(yè)級GSM/GPRS雙頻Modem模塊SIM300，具有完整的Modem信號，在網(wǎng)絡通信時可以作為一個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)務提供無線接口，帶GPRS功能[9]。SIM300芯片的外圍電路采用了芯片的典型連接，利用阻容充電和施密特觸發(fā)器整形獲得上電后大約1.5 s低電平延時來啟動。
(2)16C550串行接口。16C550是一種用于將并口數(shù)據(jù)轉換成串口數(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行串行通信時使用16C550芯片。16C550芯片的虛擬地址為0xdb000000，工作在帶中斷的FIFO方式；其波特率設置為115200，傳輸無校驗，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，忽略輸入BREAK、幀錯誤和奇偶校驗錯，使用標準模式傳輸。
(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存儲器等特點。該單元包括S3C2410微控制器的最小系統(tǒng)、時鐘電路、復位電路等部分。
(4)輸入輸出單元：模擬房間內的溫度傳感器信號輸入到處理器的A/D轉換器；處理器通過PID算法得到的輸出量由D/A轉換器輸出以控制送風執(zhí)行閥的開度，調整房間內的送風量從而達到調節(jié)室內溫度的目的。
圖1為系統(tǒng)硬件框圖。
1.2 控制器系統(tǒng)軟件設計
操作系統(tǒng)采用實時性強的Linux2.6內核，編譯器使用gcc 4.0.2版本，完成了各個功能模塊的接口函數(shù)。由于在進行嵌入式系統(tǒng)內核開發(fā)時，若交叉編譯工具(特別是gcc)版本較低則無法編譯高版本內核，版本過高也不行。因此本文為配合要采用的Linux2.6.18內核開發(fā)末端控制器，進行定制開發(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個步驟：
(1)完成串口初始化。系統(tǒng)啟動并完成初始化后，開始反復讀取16C550芯片發(fā)來的串口數(shù)據(jù)。當GSM模塊收到新短信后，通過串口向處理器發(fā)送1個字符串。該字符串格式、長度及內容都是固定的，以+CMTI開頭，以此為依據(jù)判斷是否新短信到來。
(2)向SIM300模塊發(fā)送讀取短消息的AT指令，判斷短消息內容。首先通過手機號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)送的內容是“設定溫度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置的溫度發(fā)送給溫度控制模塊，最后刪除該信息。如果用戶發(fā)送的內容是“查詢狀態(tài)”，則將當前溫度值和室內狀態(tài)以短消息的形式發(fā)送給用戶手機，最后同樣刪除該信息。
(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、停止位及校驗方式等。串口驅動程序實現(xiàn)了對串口的讀寫操作，給應用程序提供發(fā)送接收數(shù)據(jù)的接口。串口正常工作之前，需要進行初始化設置，選擇串口工作方式，設置波特率、數(shù)據(jù)格式及中斷，建立數(shù)據(jù)隊列和信號量。應用程序只要調用相應的函數(shù)，就可以實現(xiàn)相應的功能。
以串口發(fā)送一個字符串為例介紹發(fā)送程序，其中buf表示要發(fā)送的字符串，nbytes表示字符的個數(shù)：
int tty_write(char*buf，int nbytes)
{
int i；
for(i=0；i<nbytes；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，發(fā)送的是漢字的UCS2編碼，所以在初始化SIM300模塊時須發(fā)送指令“AT+CMGF=0”，把模塊的短消息工作模式設置為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容解碼成ASCII字符。根據(jù)實際應用情況（發(fā)送漢字信息較少且固定），從節(jié)約系統(tǒng)資源的角度考慮，直接查找漢字的UCS2編碼表，查出要發(fā)送漢字的UCS2碼并發(fā)送。
發(fā)送短消息首先要向SIM300模塊發(fā)送整個短消息代碼位數(shù)的16進制數(shù)，之后是短信頭代碼“001100D”、中國區(qū)號“＋86”的編碼“9168”和發(fā)送的目的手機號碼。此處的目的手機號碼必須是每兩位互換得來，由于手機號碼是11位，最后一位用“N”補齊，而短消息內容是用UCS2碼編寫，所以繼續(xù)發(fā)送編碼方式代碼“0008A7”，最后才是短消息正文的UCS2碼。
當有新消息到達時，收到的數(shù)據(jù)包內封裝了消息發(fā)送時間、來自的手機號碼和消息正文。如果來自的手機號碼與預先設置的用戶號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。由于接收到的短消息也是由UCS2編碼處理過的中文，所以把消息正文內容與預先約定好的“設定溫度”和“當前狀態(tài)”兩種UCS2編碼相比較后分別轉到相應的處理函數(shù)，若與約定的兩種編碼都不一致，則視為錯誤消息刪除。
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″；//短信頭代碼及中國區(qū)號
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；//計算短信長度
sum[0]=(char)(count/10+48)；
sum[1]=(char)(count%10+48)；//將短信長度
//解碼為16進制
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)送短信結束代碼
usleep(300000)；//進程休眠
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度等，參數(shù)僅為目的手機號碼的PDU編碼和短消息正文的UCS2編碼。這樣做避免了大量的重復代碼，也提高了程序的運行效率。
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)與實際輸出y(t)構成控制偏差：
式中：KP為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。
由于計算機處理的是數(shù)字量，控制器的驅動對象是風閥執(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控制策略的實現(xiàn)函數(shù)：
double PID(double feedback)
{
double Err，pErr，dErr，dU；
Err=Command-feedback；//當前誤差
pErr=Err-ppreErr；//比例項增量式誤差
dErr=Err-2*preErr+pre2Err；//微分項增量式誤差
dU=Proportion*pErr+pDerivative*dErr+ Integral*Err；
//控制量增量
pre2Err=preErr；
preErr=Err；
return dU；
}
2 實驗
本實驗對象以1.3噸的中央空調系統(tǒng)的實物模型為例，該系統(tǒng)可以模擬中央空調多種運行模式，并可以通過對執(zhí)行風閥輸入模擬信號來調節(jié)風閥的具體開度，以此來調整送入房間的送風量，達到控制模擬房間制冷量的目的。本實驗對象有2個模擬房間，其中末端裝置的驅動閥為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信號經(jīng)放大至0～10 V后，直接驅動風閥驅動器。模擬房間的的溫濕度傳感器輸出范圍為1～5 V，直接輸入處理器內部A/D的AIN[0]腳。
系統(tǒng)提供了兩種用戶短消息內容的識別，分別是“設定溫度XX”和“查詢狀態(tài)”。如用戶發(fā)送“查詢狀態(tài)”，而當前室內狀態(tài)為23℃，則系統(tǒng)自動向用戶返回短消息“溫度：23；狀態(tài)：正常”。如果室內是異常溫度，則系統(tǒng)發(fā)送短消息自動報警“溫度60；狀態(tài)警告”。如果用戶發(fā)送“設定溫度23”，則系統(tǒng)將當前室內設定溫度改為23℃，并回復“已設定溫度23”。此時本地的控制器以PID進行溫度控制。
為了使用戶可以方便關閉室內控制器，而又不需要增加其他的短消息內容，本文設置了最高溫度限制50℃。當用戶發(fā)送“設定溫度”大于49℃時，系統(tǒng)認為用戶要求關閉控制器，繼而把溫度設定點改為OFF，風閥完全關閉，同時返回短消息“已關閉”。采用這種方法，既保證了系統(tǒng)有關閉風閥的功能，又不需要添加新的短消息命令。控制器關閉后，如果用戶再次發(fā)送短消息設置室內溫度為正常范圍內的溫度，則控制器重新開啟。
短消息命令詳情見表1。
為了測試系統(tǒng)節(jié)能實際效果，在室外溫度9℃的條件下開啟2個模擬房間的末端控制器，并設置預期室內溫度23℃。假定2個房間中，模擬房間一8：00有人，模擬房間二9：00開始有人；通過計算表明，9：00開啟模擬房間二的室內控制器要比8：00同時開啟2個模擬房間的室內控制器節(jié)約全天所耗能量的7%左右。
本文實現(xiàn)了GSM遠程控制方法，通過手機短信方式，對中央空調系統(tǒng)末端裝置進行控制及對室內溫度進行實時監(jiān)控和管理。實驗結果表明，系統(tǒng)可以方便、靈活、快捷、按需調節(jié)房間的溫度，實現(xiàn)節(jié)能。并且，系統(tǒng)可擴充性強，在軟件升級后還可實現(xiàn)如末端能量計量等更多功能。
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