摘要：随着城市节能改造与绿色建筑的实施，实现建筑节能减排已成为当务之急，而空调作为公共建筑能耗的主要设备，是建筑节能减排的重要研究对象之一。针对空调使用场景中存在人走不断电、空调温度过高或过低、长时间高负荷运行等问题，设计了一种空调集中管理与控制的方案。首先，利用CS5463采集空调电流、电压以及功率，DS18B20采集空调温度和环境温度。然后，通过单片机对采集到的数据进行处理，并通过以太网将处理完成的数据传输至服务器。其中，采用RS485、RS232和红外传输3种方式来兼容多种型号与品牌的空调所对应的接口，最终实现对空调的电能检测与集中管理。在测试实验中，经过管控的空调电流范围为3～20 A、电压为186～220 V、功率范围为700～5 000 W。结果表明，该方案可有效调节空调使用的能耗峰值，减少电能损耗，对空调的集中管理与能源监控有着较高的应用价值。

　　关键词：空调；控制系统；能源检测；集中管理

　　0引言

　　随着城市节能改造与绿色建筑的实施，实现建筑节能减排已成为当务之急，而空调作为公共建筑能耗的主要设备，是建筑节能减排的重要研究对象之一[1-3]。以美国为例，美国的一次能源总消耗量从1980年的78.3 quads（约24.25亿t标准煤）增加到了2008年的100 quads（约34.8亿t标准煤）以上，其中建筑业约占40%，而建筑行业产生了近40%的温室气体排放和70%的电力消耗，建筑物的总能耗中约有50%与空间供暖、空调和通风直接相关，超过了灯光、电器等的总能耗[4-5]。

　　大规模集群设备资源损耗的主要原因为缺乏统一管理，针对该问题一些厂商采用的技术之一是通过IPv6技术实现集群空调设备的远程监控技术和空调系统的智能管控[6-7]。通过服务端对整个数据库的信息就能够进行及时有效的调动，远程空调网络的集中管控与管理能有效节约人工成本的投入[8-9]，而且在整个控制和管理的过程中，效率也能得到有效提高。智能化的空调节能控制系统能够克服一般性建筑智能控制系统在运行管理过程存在的诸多缺陷，实现真正意义上的智能化管理，同时又具有较高的性价比[10-13]。

　　电量检测作为空调智能管控的重要环节大致可分为3种[14-15]：一种是采用外置式电能检测芯片（IntegratedCircuit，IC）模块，直接采集系统的各项数据，并通过自带电能检测IC模块计算出各项电能参数；另一种是采用电流互感器，通过互感线圈中产生的微弱电流来计算出系统电流；第三种是在系统中串联一个较小阻值的无感电阻，采用电阻分流的方式计算出电流。文献[16]的电压检测部分采用了变压整流的方式，这种方式能够将高压交流电变换为易于安全测量的低压电。文献[17]中的电流检测设备采用了开合式悬挂安装、非接触式的霍尔开合电流传感器，该电流传感器通过测量磁通量的方式确定被测对象的电流，并以模拟电压输出的形式表征被测电流的大小。

　　虽然利用电路能够实现对电能的检测，但采用芯片进行设计能够更高效，更简洁、也更稳定地实现电能检测，以智能家居用电能耗管控系统研究与设计为例，该方案采用了Cirrus Logic公司的CS5460A芯片，并分别对每一个插孔上的用电器进行电量采集[18]。由于CS5460A芯片虽然可以采集交流电流和交流电压信号，但其采样信号亦有其采样范围，因此需要相应的采样负载，所以该方案在进行系统设计时，为其设计了相应的采样电路[19]。另一种解决方案是在系统中串联较小阻值的无感电阻，采用电阻分流的方式计算出电流。但这易受主板电路器件特性及主板干扰的影响，对芯片的采样速率、运算能力及硬件设计要求非常高，容易产生很大误差[20]。因此，本文设计了一种基于ESP32的空调管控系统，在保证了测量保证精度、安全性以及稳定性的同时，还兼顾了数据的远距离传输和良好的通信能力。

　　1系统硬件设计

　　1.1硬件结构

　　根据系统所需的测温、电量监测等功能需求，本方案的硬件系统结构框图如图1所示。图中CS5463电路为电能检测电路，利用电流互感器和电压互感器进行等比例缩小，从而实现对空调的电流、电压进行测量。DS18B20为温度检测电路，该电路中有3个温度传感器，可以分别对室温、空调温度以及工作温度进行测量，同时也能检测主控板的工作状态，防止主控板工作温度过高而导致损坏。RS485电路、RS232电路与红外发射与接收电路都是用于与空调进行通信的电路，不同型号或品牌的空调，其接口往往也会有所区别。通过这3种通信方式，就能够实现MCU与本系统管控的所有空调进行通信。

　　1.2主控芯片

　　本方案采用ESP32-S3作为本系统的主控芯片，ESP32-S3增强了安全性，支持多种加密算法，并具有可靠的加密机制，更适合AIoT市场。ESP32-S3支持更大的Octal SPI flash和片外RAM，并拥有45个可编程GPIO管脚和丰富的通信接口。本方案所用到的ESP32-S3及其IO口配置，如图2所示。

　　1.3 PCB设计

　　PCB的设计直接关系到电路板的性能、可靠性和生产制造的可行性。一个好的PCB布局可以提高电路的可靠性、抗干扰能力以及散热效果。本系统的PCB布局时，首先要考虑强电与弱电之间的安全距离，因为本系统采用的电源既有220 V的强电，又有5 V和3.3 V的弱电，强电对弱电的干扰是本系统稳定性的重要影响因素之一。

　　本系统的PCB布线如图3所示，在布线设计过程中考虑了以下几点。（1）布线时从单板上连接关系最复杂的CS5463电能检测电路开始，其次为RS485电路与电源电路等，以此确保PCB整体布局的均衡性和有序性。（2）在为关键信号布线时，如时钟信号、高频信号、敏感信号等关键信号，使用线宽为1 mm的信号线进行走线，并为这些关键信号线提供专门的布线层，尽量避免与其他信号线交叉走线。（3）在电源模块的布线时，电源线应尽量短且走直线，并采用了线宽为1 mm线进行布线。地线设计时，在CS5463电路中要对数字地与模拟地进行分离，并对接地线进行加粗处理和闭环路设计。（4）在布高速信号线时，采用0.25 mm进行布线，且信号线应尽量避免弯曲。

　　2系统软件设计

　　2.1主程序设计

　　本方案是针对ESP32开发板进行编程的，使用了PlatformIO中的Arduino嵌入式平台，其中有两个特殊的函数，Setup（）和loop（）函数。

　　数据接收程序和CS5463数据采集与处理程序的初始部分程序相同，在程序开始后，对各芯片进行初始化。初始化完成后，两部分程序同时开始运行。在数据接收程序中，RS485完成初始化，并设置RS485_RE为低电平，进入接收状态，此时RS485只能接收数据，不能发送数据。下一步开始对RS485进行判断是否接收到数据，若没有则结束程序；若有则进一步判断数据的格式，若数据格式符合以太网的通信协议，则这段数据是由服务器传输到单片机的，所以下一步就将该数据写入EE‐PROM并执行；若数据的格式不符合协议，则这段数据是由空调传输到单片机的，下一步则是将该数据读出，并将RS485_RE设置为高电平，RS485只能发送数据，将读出的数据发送出去，并清除掉内存中的该数据。最后程序结束。该程序的流程如图4（a）所示。

　　Loop函数在程序中会被不断重复运行，与while（0）的功能相同，所以在该程序中的CS5463数据采集与处理程序也会被不断重复运行，在完成初始化后，CS5463电路开始采集数据，并将采集到的数据读出，这时采集到的电流、电压、功率因数的数据都为瞬时值，对这些数据进行求平均处理，得出这些参数的有效值，在得出各项参数的有效值后，对这些数据的格式进行处理，最后发送出去。这时程序运行完毕，并返回开始部分，重新进行定义，清除原有数据。该程序的流程如图4（b）所示。

　　2.2电能检测程序设计

　　CS5463电路测量空调电流与电压以及对这些数据进行处理的程序流程如图5所示。当程序启动后，程序开始对CS5463的串口进行初始化，启动芯片，电路开始测量流经空调的电流与电压，并写入寄存器中。当对电流电压的测量完成后，CS5463开始对测出的电流与电压值进行计算，算出对应的功率及其功率因数。最终将测量出的电流与电压与计算得出的功率及其功率因数读出，清除数据内存，并开始下一轮的测量。在本系统中，启动一次测量程序，需要进行多次数据的测量与计算，得出多组瞬时数据，在测量完成后，该部分程序结束，而后在主程序中，开始对测出的多组瞬时数据进行求平均数，从而得出这些数据的有效值。

　　2.3温度检测设计

　　在本系统中，一共使用了3个DS18B20温度传感器，分别用于测量系统的工作温度、室温和空调的工作温度。根据测量出的温度的结果，做出对应的处理。程序启动后，先对DS18B20进行复位，重置DS18B 20的状态，检测3个DS18B20是否有芯片存在。然后对温度进行读取并写入数据，完成读取写入后，对DS18B20的IO口初始化，并对读取到的温度数据进行转换，区分出正负温度数据。该程序的流程如图6所示。

　　3测试实验与分析

　　测试实验中，通过不断增加负载并联进电路的数量来进行变量的控制，从而得出空调的电流、功率与功率因数的测量数据。测试结果如表1所示。由测试结果可得，空调电压保持在233 V左右，电流与功率随着负载的增多而增加，电流的增加量大致为1.4 A左右，而使用万用表测量得出的电流与采集得到的电流对比发现，测量电流总会比采集电流大，且差值呈增大趋势，功率的增加量大致为300 W左右，而功率因数的变化率很小，大致呈下降趋势。

　　为确定该主控板工作的精度与稳定性，通过对空调温度的控制，以温度为变量，测量室温、空调工作温度和主控板自身的工作温度，测试结果如表2所示。由测试结果可得，当空调进行制冷时，测量的室温温度往往会高于空调温度，主要影响原因来源于空气流动。而测量出的空调工作温度与控制变量的空调温度误差不大，推测误差产生原因是空调内部环境温度因素的影响。主控板的工作温度应当保持不变，大致为43℃左右，推测其产生误差的原因是空调制冷与制热产生的环境温度因素的影响。由此可见，针对空调自身运行时的显示的温度与测量出的空调的工作温度，两者的误差很小。

　　4结束语

　　在保证建筑体内电气化设备正常运行、使用的前提下，降低能源消耗是实现建筑节能减排的重要途径。空调作为公共建筑能耗的主要设备，是建筑节能减排的重要研究对象之一。本文设计出了一种基于ESP32的空调管控系统。首先，利用CS5463采集空调电流、电压以及功率，DS18B20采集空调温度和环境温度。然后，通过单片机对采集到的数据进行处理，并通过以太网将处理完成的数据传输至服务器。通过该方案对管控的空调系统进行电能检测和温度检测实验，结果表明，该方案可有效调节空调使用的能耗峰值，减少电能损耗，对空调的集中管理与能源监控有着较高的应用价值。

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