物联网技术在暖通空调中的应用

2022-03-11杨韶男

信息记录材料 2022年1期

杨韶男

（太原学院建筑与环境工程系山西太原 030032）

0 引言

人们生活水平不断提高，对环境热舒适性也提出了更高要求，空调系统运行消耗的能源在建筑运行总能耗中所占比重较大，一个优良的空调自动控制系统可实现空调系统的各项功能，并且还可以在空调系统运行时达到节能降耗的目的。随着物联网技术的快速发展，其也逐渐受到了建筑领域的重视，暖通空调系统作为建筑的一个重要组成部分，在管理设备与自动运行系统方面也开始引用物联网技术，以此来实现系统的远程访问与远程控制，从而达到节能减排的目的。因此，应充分发挥物联网技术优势，将物联网技术与暖通空调系统设计有机地结合起来，从而有效地促进暖通空调领域的发展。

1 物联网技术概述

物联网即“万物相连的互联网”，其发展与互联网密切相关，是以互联网为基础网络的延伸与扩展，它可将多种信息传感设备与互联网有效结合，形成一个巨大的网络，实现任何时间、任何空间、人、机、物的连接。其技术组成（简单版）如图1所示。物联网实际上也是一种集信息技术、计算机技术、嵌入式技术和其他科学技术于一体的综合技术，给人类的生活、工作带来更方便的体验[1]。如今，物联网技术与人工智能技术、大数据技术和云计算技术的结合创造了更多的应用场景，总的来说，物联网技术促进了网络技术、信息技术、计算机技术和嵌入式技术的发展，加速了人工智能的应用[2]。

物联网的体系主要由3个结构组成：（1）感知层：收集各种数据与信息；（2）网络层：又称传输层，主要功能为将感知层收集的数据传输到应用层；（3）应用层：利用信息技术对传输的数据进行分类、分析与处理，完成各种任务需求。物联网技术主要包括5大核心技术：（1）RFID技术：即射频识别技术，是让物“开口说话”的关键技术，是一种简单的无线系统，该系统主要包括一个阅读器与多种标签，标签中存储着规范且具有互用性的信息，通过无线数据通信网络自动收集到中央信息系统中，实现物品的识别；（2）传感器技术：是一门多学科的现代科学与工程技术，它从自然资源和过程中获取信息，并对其进行转换和识别，主要负责接收物体的“声音”内容；（3）无线网络技术：要实现人与人之间无障碍通信，必然离不开高速的无线网络，才能传输大量的数据。无线网络技术包括蓝牙与红外线技术；（4）人工智能技术：是一种通过计算机模拟某些思维过程和智能行为的技术，其在物联网主要是通过分析物体的“声音”内容来实现计算机的自动处理；（5）云计算技术：物联网终端计算能力与存储容量是有限的，云计算技术实现了大量数据的存储与计算[3-4]。

物联网可以构成许多智能应用，可应用于广泛的领域，包括几乎所有的行业。目前，物联网技术已在暖通空调中得到了广泛应用，其在暖通空调中应用框架的总体架构如图2所示，如物联网嵌入式技术可实现空调的远程操控、智能控制器可实现中央空调的分户冷量计费、AI技术可使暖通空调运行达到节能目的，根据建筑物的具体情况在不同的暖通空调系统中引入不同技术，以此来充分发挥物联网技术的优势[5]。

2 物联网技术在暖通空调中的应用优势

2.1 有利于加强对数据的管控

科学合理地将物联网技术应用于建筑领域，既可以为居民创造一个舒适的生活环境，还可在建筑设计、数据检测等方面带来很多便利。现阶段，物联网技术在暖通空调中应用最明显的优势是可以实时控制与诊断暖通空调数据，故空调制造商也在物联网一体化方向迈进，尝试开发能够实时运行的设备。操作人员应充分利用物联网技术，对暖通空调系统在运行过程中可能出现的问题进行预测管理，以防止空调系统出现故障造成停机，不仅节省了空调维修成本，且可以随时对空调运行数据进行监控和管理，保证空调系统的正常运行[6]。

2.2 实现节能降耗

暖通空调运行过程中能源消耗较高，因此居民在使用暖通空调的过程中，越来越重视节能环保的性能，而暖通空调设备中引入物联网技术能够有效实现节能降耗。例如在传统的暖通空调使用方式中，无法突破时间、地点限制，只有与空调相隔距离较近才能启动与停止空调，而物联网技术的应用可以有效改善这一缺陷，通过智能手机相关APP就可实现对空调的控制，还可以定时开启与关闭，不仅为居民生活提供了方便，而且在一定程度上实现了能耗最小化，达到了高效、节能、降耗的目的[7]。

3 物联网技术在暖通空调领域的具体应用

3.1 嵌入式技术在空调系统远程控制中的应用

人类生活水平不断提高，对传统的空调产品也提出了新要求，即是否能够实现空调开关、温度等远程操作。随着物联网技术快速发展，利用网络技术实现对暖通空调远程控制已成为可能，用户可利用一个控制器，通过电脑或手机在网络上实现对暖通空调的远程控制，包括开机、调温度、关机等。通常以嵌入式技术为基础来开发设计用于暖通空调开关的控制器，空调控制部分可由嵌入式微处理器 S3C4510B来实现，再利用S3C4510B的I／O接口外部连接继电器实现空调系统开关，最后通过climax操作系统实现网络通信与其他系统功能，以此来实现空调系统的远程控制[8-9]。

移动终端主控器软件的设计部分主要包含了uboot移植、系统移植、设备驱动程序编写、内核编译、应用程序编写等。首先启动Bootloader，通过程序对系统的硬件设备进行初始化并对应的建立起内存空间影射，使系统可以成功调用系统内核进行适当的状态。主控制器运行系统为UHomeOS，基于该系统提供的开发工作进行编译和调试，UHomeOS提供了多种开发套件，可以实现账号服务、uSDK等多种相关的基础服务能力。在UHomeOS操作系统被启动后，用户可以通过移动终端对智能暖通空调设备发送开启或关闭的相应指令，指令在路由器与WiFi的传输下被送至主控制器，在接收到指令后，会记录其开启时刻，通过GET请求，从相应服务器API获取天气数据，从而实现定期向云平台上报智能暖通空调的开启时间与天气数据，其主控器软件的流程图见下图3所示[10]。

此外，研究人员还利用嵌入式Web技术设计了Web服务器，实现了基于模糊控制算法的远程监控仿真空调控制系统，并对其进行了测试，结果表明该系统具有良好的性能，以此实现了应用Web服务器对空调进行远程监控与控制（如图4所示），且稳定性好，可靠性较高，具有良好的应用前景[11]。

3.2 智能控制器在暖通空调计费系统中的应用

合理使用与控制空调系统，是在满足舒适要求的同时减少能源消耗的最有效方法，但当前中央空调系统计费需要单独建立计费网络，从而增加了系统复杂性。若在冷量计费方面采取分户冷量计费，不仅增加了成本，且加大了冷量表的维护工作量，因此一般采用其他方法计算冷量，如采用基于时间的计算方法来计算风机盘管机组的风速设定参数与运行时间，这种方法虽然实施起来简单，但容易产生较大误差，而通过测试风机、供水、回水温差与流量等参数计算出的冷量计费方式精度较高，但涉及检测流量，成本较高且安装维护不便[12]。

因此，如果研制出一种基于物联网技术与现代网络控制技术的智能控制器及相应的终端设备，将暖通空调系统中所有终端设备集成为一体化管理与控制，根据智能控制器的特点，对暖通空调末端设备采用计算空气焓差的方式进行冷量计算，从而实现中央空调系统冷量分户计费，该方法比按时计费更经济实用。当前很多厂家都开发了基于物联网技术的空调运行管理平台，可以同时实现分户冷量计费、设备运行控制和系统管理等功能，为空调节能运行管理提供了有效技术手段[13]。

3.3 人工智能技术在暖通空调系统节能中的应用

人工智能技术（以下简称AI技术）在暖通空调中的应用主要是融合传感技术、通信技术、自动控制技术等实现暖通空调系统的智能控制，使空调在能效最佳点运行，实现智能按需供热/冷，以此来实现高效节能的AI暖通空调节能系统，见图5[14]。

AI技术可根据自然环境的变化以及用户对室内环境舒适要求的感知自动调节供热/制冷量，采用自适应与自学习策略实现能源按需供应，并且还可根据电压以与电流值数据的反馈来估测暖通设备使用寿命，分析设备运行最佳状态，选择最佳节能方案，促使暖通空调系统高效运行，降低能耗。AI技术主要是采用一种极其紧凑、多芯片、低功耗的物联网产品实现数据采集与节能控制（如图6所示），通信软件则用于对能源设备的运行情况进行采集、分析与控制，通过嵌入节能策略与自学习智能算法科学控制暖通设备的运行，故将AI技术等多项技术应用于暖通空调领域，可以使空调系统资源得到充分利用，实现节能目的[15]。