專利名稱：環(huán)境區(qū)域控制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明環(huán)境區(qū)域控制器，通過采集得到的室內(nèi)環(huán)境中各種信號，控制信號發(fā)送給空調(diào)風機、窗簾、燈光和新風閥等執(zhí)行機構，以維持用戶設定的環(huán)境參數(shù)?？筛鶕?jù)不同的區(qū) 域情況啟用一部分功能，如光環(huán)境中的燈光和窗簾控制系統(tǒng)、新風量控制系統(tǒng)、溫度控制系 統(tǒng)等子系統(tǒng)。
背景技術：
目前已知的環(huán)境控制器具有如下特點1. RS485通訊方式；2.具有三條RS485總 線，每條RS485總線至少可掛24個門禁控制器/ 一體機；3.通過三條RS485總線，可極大 的擴展系統(tǒng)可容納控制節(jié)點數(shù)；4.區(qū)域控制器實時采集下層控制器/ 一體機的監(jiān)控數(shù)據(jù)可 滯留數(shù)據(jù)，使得下層數(shù)據(jù)容量得到了緩沖，有利于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與實時性。規(guī)格為輸入 電壓DC12V、靜態(tài)電流50mA、額定電流320mA、記錄緩沖數(shù)10000張、通訊端口 RS485端 口 3個，TCP/IP端口 1個、環(huán)境濕度_25 70、溫度10% 90%。但是，RS-232接口標準出現(xiàn)較早，目前仍然有不少設備使用該接口標準。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種環(huán)境區(qū)域控制器，可實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)以控制信號發(fā)送 給空調(diào)風機、窗簾、燈光和新風閥等執(zhí)行機構。本發(fā)明通過下述技術方案實現(xiàn)一種環(huán)境區(qū)域控制器，通過軟件系統(tǒng)與硬件的 緊密結合，通過環(huán)境傳感器，實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)以控制信號發(fā)送給空調(diào)風機、窗簾、燈光和 新風閥等執(zhí)行機構，其中，硬件系統(tǒng)同時擁有數(shù)字量和模擬量的輸入、輸出(I/O)接口，和 RJ45網(wǎng)絡接口，與上位機進行數(shù)據(jù)交互，由于硬件系統(tǒng)本身具有一定的存儲能力，可對其進 行C語言的二次開發(fā)，同時還擁有RS232和RS485接口，可據(jù)此進行軟件調(diào)試設置。該控制 器體積緊湊，端子采用可插拔方式設計。軟件系統(tǒng)采用C語言編程，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和控制的綜合程序，利用硬件擁有數(shù) 字和模擬量I/O接口，對其進行編程，通過數(shù)字量和模擬量的輸入端口對某一區(qū)域中的環(huán) 境傳感器進行信號采集，至少包括溫度控制、光環(huán)境和空氣質(zhì)量信息。程序依據(jù)采集得到的 各種信號，控制信號發(fā)送給空調(diào)風機、窗簾、燈光和新風閥等執(zhí)行機構，以維持用戶設定的 環(huán)境參數(shù)。軟件系統(tǒng)采用模塊化設計，可根據(jù)不同的區(qū)域情況啟用一部分功能，如光環(huán)境中 的燈光和窗簾控制系統(tǒng)、新風量控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)可對季節(jié)進行 自動判斷，也可手動輸入，該算法把一年劃分為夏季，冬季和過度季三種工況，針對不同季 節(jié)分別進行最優(yōu)化調(diào)節(jié)，以達到光環(huán)境、熱濕環(huán)境、空氣質(zhì)量和能源消耗的統(tǒng)一，保證在最 小能耗的情況下空調(diào)、日光燈、百葉窗等控制終端的合理輸出，既滿足環(huán)境參數(shù)要求，又達 到節(jié)能優(yōu)化的目的。


附圖1硬件的外形結構主視圖附圖2硬件的外形結構后視圖附圖3硬件的外形結構俯視圖附圖4數(shù)字量輸入結構框圖附圖5數(shù)字量輸出結構框圖附圖6模擬量輸入結構框圖附圖7模擬量輸出結構框圖附圖8本發(fā)明的軟件流程圖附圖9本發(fā)明的軟件智能算法部分的主體結構圖附圖10百葉窗控制單元全年工況分區(qū)示意圖附圖11對百葉旋轉角度進行最優(yōu)化調(diào)節(jié)控制流程圖附圖12光控制模塊控制流程圖附圖13溫度控制模塊控制流程圖附圖14空氣質(zhì)量控制模塊控制流程圖附圖15區(qū)域控制器電路原理簡圖
具體實施例方式硬件系統(tǒng)擁有128k的永久存貯空間，擁有以太網(wǎng)接口，可以和外界進行網(wǎng)絡通 信，具備數(shù)字量輸入16路，數(shù)字量輸出8路，模擬量輸入8路和模擬量輸出3路，都具有光 電隔離。擁有RS-232和RS-485接口，內(nèi)部具有時鐘，其操作溫度為_40°C +70°C。因為同時擁有數(shù)字量和模擬量的輸入和輸出I/O接口，因此對于終端的環(huán)境傳感 器和控制模塊能夠進行快速方便的控制，硬件的外形如附圖1硬件的外形結構主視圖、附 圖2硬件的外形結構后視圖和附圖3硬件的外形結構俯視圖所示。圖1中，AOO A02是模 擬量輸出端子，5M是公共端，AIO AI7是模擬量輸入端子，IO 115是數(shù)字量輸入端子， 4M是公共端。圖2中，Vl表示控制器的電源24VDC+，M表示公共端，TB, RB與TC，RC是RTD 鉬電阻輸入端子，00 07是數(shù)字量輸出端子。如附圖4數(shù)字量輸入結構框圖和附圖5數(shù)字量輸出結構框圖所示，數(shù)字量輸入 (左)和輸出(右)結構框圖DIXX表示數(shù)字量輸入端子端號，即圖1中的IO 115 ；DOXX 表示數(shù)字量輸出端子端號，即圖2中的00 07，VCC表示數(shù)字量輸入端內(nèi)部電源正，GPIO 表示芯片的I/O輸入管腳，GND表示外部數(shù)字量輸入的公共地。KO+表示外部數(shù)字量輸出的 外接電源，PORT表示內(nèi)部的數(shù)字量輸出端，DOxx表示外部數(shù)字量輸出端口，GND表示外部數(shù) 字量輸出的公共地。通過數(shù)字量的輸入端口對某一區(qū)域中的環(huán)境傳感器進行信號采集，至少包括熱濕環(huán)境，光環(huán)境和空氣質(zhì)量信息。程序依據(jù)采集得到的各種信號，控制信號發(fā)送給空調(diào)風機、 窗簾、燈光和新風閥等執(zhí)行機構，以維持用戶設定的環(huán)境參數(shù)。如附圖6模擬量輸入結構框圖，附圖7模擬量輸出結構框圖所示，圖6中，ADREF 表示內(nèi)部的模擬量輸入的基準，AIxx表示外部模擬量輸入端口，AVCC表示內(nèi)部模擬量輸入 部分的電源正，PORT表示內(nèi)部模擬量輸入端，AGND表示內(nèi)部模擬量輸入部分的電源地。圖7中，DAREF表示內(nèi)部模擬量輸出的基準，AOxx表示外部模擬量輸出端口，AVCC表示內(nèi)部模 擬量輸出部分的電源正，PORT表示內(nèi)部模擬量輸出端，AGND表示內(nèi)部模擬量輸出部分的電 源地。請參閱附圖8本發(fā)明的軟件流程圖通過對室內(nèi)CO2濃度、室內(nèi)照度、室外照度、室 內(nèi)有害氣體濃度及其他進行采集，由主循環(huán)函數(shù)控制數(shù)據(jù)，通過運算并與設定函數(shù)進行比 較，對空調(diào)、燈光、百葉窗和其他的一些執(zhí)行機構進行控制。如圖8本發(fā)明的軟件流程圖所示，采集函數(shù)，主循環(huán)函數(shù)，智能算 法部分和控制函 數(shù)均放置在硬件上，通過對模擬量和數(shù)字量輸入端的控制，通過采集函數(shù)對CO2、室內(nèi)照度、 室外照度、室內(nèi)有害氣體等一系列環(huán)境參數(shù)進行采集后，進入主循環(huán)函數(shù)控制整體邏輯，把 由采集函數(shù)采集的數(shù)據(jù)進行匯總，進而發(fā)送到C智能算法部分，對這些采集到的結果進行 智能算法和綜合分析，推導出控制結論，最后通過控制函數(shù)對硬件的模擬量和數(shù)字量的輸 出口對空調(diào)、百葉窗、燈光等終端執(zhí)行機構發(fā)送控制信號命令，進而達到控制目的。本發(fā)明硬件部分支持C語言的二次開發(fā)，因此軟件由C編寫，加載到硬件模塊上， 對其進行控制，本發(fā)明軟件實現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境綜合集成控制算法通過研究空氣質(zhì)量、熱舒適 和節(jié)能、自然通風和空調(diào)(混合通風)、遮陽和照度、人工照明和晝間采光等之間的制約關 系，實現(xiàn)其最優(yōu)控制方式，在滿足環(huán)境舒適性的前提下，實現(xiàn)能耗最小需求。其中，軟件部分核心在于智能算法部分，C的智能算法部分詳細描述如圖9本發(fā) 明的軟件智能算法部分的主體結構圖所示，智能算法部分的主體結構圖為對舒適性條件、 能源消耗和用戶設定值進行節(jié)能化優(yōu)化，包括節(jié)能優(yōu)化模塊、室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)采集、光控制模 塊、溫度控制模塊、空氣質(zhì)量控制模塊，通過室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳輸給節(jié)能優(yōu)化模塊，將控 制指令分別傳給光控制模塊、溫度控制模塊、空氣質(zhì)量控制模塊，光控制模塊控制調(diào)光燈控 制單元和百葉窗控制單元，溫度控制模塊控制空調(diào)總風控制單元和冷熱水量控制單元，空 氣質(zhì)量控制模塊控制空調(diào)新風控制單元。其中，節(jié)能算法部分綜合了各種控制模塊，進行統(tǒng)一計算，以滿足室內(nèi)環(huán)境最大舒 適度為前提，根據(jù)最小能耗，得出各控制模塊最優(yōu)控制。以下對節(jié)能算法模塊實現(xiàn)的詳細描述因為空氣質(zhì)量是室內(nèi)舒適度和良好環(huán)境的基礎，故最優(yōu)先保證室內(nèi)空氣質(zhì)量，下 面主要討論照明和空調(diào)的綜合算法，以達到節(jié)能目的。根據(jù)室內(nèi)外空氣焓差，SP Ah = h室外_h室內(nèi)，將工作單元的百葉工況分為3個區(qū)夏 季工況區(qū)、過度季工況區(qū)和冬季工況區(qū)。如圖10百葉窗控制單元全年工況分區(qū)示意圖所 示當焓差Ah = hm~hm> 0時，系統(tǒng)運行在夏季工況區(qū)。此時太陽能增益Qstjl對 溫度Ti具有很強的影響，Qstjl越大，Ti越高。因此，我們應在滿足工作面照度的情況下，盡 可能減少百葉的旋轉角度以減少太陽輻射對工作單元的影響。當焓差AhZhM-hMCO 時，系統(tǒng)運行在冬季工況區(qū)。此時，應盡可能大的打開百葉，以最大限度的引入天然光和太 陽能，以增加工作面照度且減少空調(diào)負荷。當室內(nèi)外空氣焓差值相差不多時，則系統(tǒng)處于過 渡季工況，在滿足正常工作照度情況下，用戶可以按需對百葉系統(tǒng)進行手動調(diào)節(jié)。以下例子針對夏季工況，如附圖11對百葉旋轉角度進行最優(yōu)化調(diào)節(jié)控制流程圖 所示，在保證夏季舒適度性能指標的情況下，對百葉旋轉角度進行最優(yōu)化調(diào)節(jié)控制，以達到光熱環(huán)境的統(tǒng)一，最終實現(xiàn)節(jié)能的目的。窗戶日射得熱形成的冷負荷以及照明負荷都可以計算得到。設定室內(nèi)照度為300LUX?？梢酝ㄟ^設定的照度值算出每小時所需照明耗電量E300(不采自然光的情況下電燈照明需要的耗電量)，日射得熱逐時值Q可以通過查閱相關系數(shù)后計算得到。某時刻計算出日射得熱逐時值的兩個極限，Qmin 百葉窗全部合上的日射得熱； ，百葉窗全部開啟的日射得熱。有以下幾種情況情況1 :E300 < Qmin，窗簾關閉，優(yōu)先考慮減少空調(diào)負荷；情況2 :E300 > Qmin，窗簾開啟，優(yōu)先采自然光；情況3 =Qfflin < E300 < Qmax，控制流程如下圖所示增加百葉最大角至小于最大眩光角，照明耗電量大于E300時調(diào)節(jié)室內(nèi)照度為 300，當E300 ^ Q300/CP0時保持百葉窗狀態(tài)，否則，關閉百葉窗改為人工照明；若非照明 耗電量大于E300時，保持百葉最大角，打開部分照明，使室內(nèi)照度為300，室內(nèi)太陽得熱為 Qmax，此時E300彡Qmx/C0P時，保持百葉窗狀態(tài)，否則百時窗關閉改為人工照明。光控制模塊如圖12光控制模塊控制流程圖所示，光控制模塊采用模糊算法，對自然采光進行 約束，通過室外照度、窗戶參數(shù)、太陽高度角、太陽方位角等參數(shù)，通過模糊算法計算百葉最 大角，進而對窗簾角度進行調(diào)節(jié)，并且百葉窗和燈的控制均采用自適應的模糊控制算法，在 不產(chǎn)生眩光，保持室內(nèi)最小能耗的情況下，達到室內(nèi)照度的設定值。溫度控制模塊如圖13溫度控制模塊控制流程圖所示，溫度控制模塊是根據(jù)室內(nèi)溫度設定值對 空調(diào)總風量或冷熱水量進行控制，采用了自適應的模糊控制算法，控制對象可為總風變頻 器或冷熱水閥門，以便達到室內(nèi)溫度設定標準。空氣質(zhì)量控制模塊如圖14空氣質(zhì)量控制模塊控制流程圖所示，空氣質(zhì)量控制模塊是通過對采集到 的室內(nèi)CO2氣體濃度和總揮發(fā)性有機物TVOC濃度進行檢測，超過室內(nèi)允許的設定值或稱為 臨界值，則進行空調(diào)新風變頻器或新風閥的控制，其控制部分也是采用自適應的模糊控制 算法，通過配置標準和給定的CO2濃度和TVOC濃度，進行模糊控制，以便能讓室內(nèi)空氣質(zhì)量 與給定設定值非常接近的程度，達到室內(nèi)空氣質(zhì)量設定標準。針對上述各控制模塊，給出如圖15區(qū)域控制器電路原理簡圖。
權利要求
一種環(huán)境區(qū)域控制器，通過環(huán)境傳感器，實時采集室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)以控制信號發(fā)送給包括空調(diào)風機、窗簾、燈光和新風閥執(zhí)行機構，其特征在于控制器同時擁有數(shù)字量和模擬量的輸入、輸出接口、RS232、RS485接口、以及與上位機進行數(shù)據(jù)交互的RJ45網(wǎng)絡接口；控制軟件加載到硬件模塊上，通過數(shù)字量和模擬量的輸入端口對環(huán)境區(qū)域中的環(huán)境傳感器進行信號采集，至少包括溫度控制模塊、光控制模塊和空氣質(zhì)量控制模塊，依據(jù)采集得到的各種信號，通過溫度控制模塊、光控制模塊和空氣質(zhì)量控制模塊，控制信號發(fā)送給空調(diào)風機、窗簾、燈光和新風執(zhí)行機構，以維持用戶設定的環(huán)境參數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的環(huán)境區(qū)域控制器，其特征在于，所述控制器有128k的永久存 貯空間，數(shù)字量輸入16路，數(shù)字量輸出8路，模擬量輸入8路和模擬量輸出3路，各接口都 具有光電隔離，其操作溫度為-40°C +70°C。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的環(huán)境區(qū)域控制器，其特征在于，所述的接口為插拔結構。
4.根據(jù)權利要求1所述的環(huán)境區(qū)域控制器，其特征在于，所述的窗簾為百葉窗，通過環(huán) 境傳感器對室內(nèi)CO2濃度、室內(nèi)照度、室外照度、室內(nèi)有害氣體濃度及其他進行采集，由主 循環(huán)函數(shù)控制數(shù)據(jù)，通過運算并與設定函數(shù)進行比較，對空調(diào)、燈光、百葉窗和其他執(zhí)行機 構進行控制，其中，采集函數(shù)，主循環(huán)函數(shù)，智能算法部分和控制函數(shù)均放置在硬件上，對模 擬量和數(shù)字量輸入端控制，通過采集函數(shù)對CO2、室內(nèi)照度、室外照度、室內(nèi)有害氣體進行采 集，主循環(huán)函數(shù)通過控制整體邏輯，把由采集函數(shù)采集的數(shù)據(jù)進行匯總，進而發(fā)送到C智能 算法部分，對這些采集到的結果進行智能算法和綜合分析，推導出控制結論，最后通過控制 函數(shù)到硬件的模擬量和數(shù)字量的輸出口對空調(diào)，百葉窗，燈光終端執(zhí)行機構發(fā)送控制信號 命令，完成室內(nèi)環(huán)境控制。
5.根據(jù)權利要求4所述的環(huán)境區(qū)域控制器，其特征在于，所述智能算法部分的主體結 構為對舒適性條件、能源消耗和用戶設定值進行節(jié)能優(yōu)化，包括節(jié)能優(yōu)化模塊、室內(nèi)環(huán)境 數(shù)據(jù)采集、光控制模塊、溫度控制模塊、空氣質(zhì)量控制模塊，通過室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳輸給 節(jié)能優(yōu)化模塊，將控制指令分別傳給光控制模塊、溫度控制模塊、空氣質(zhì)量控制模塊，光控 制模塊控制調(diào)光燈控制單元和百葉窗控制單元，溫度控制模塊控制空調(diào)總風控制單元和冷 熱水量控制單元，空氣質(zhì)量控制模塊控制空調(diào)新風控制單元。
6.根據(jù)權利要求4所述的環(huán)境區(qū)域控制器，其特征在于，在最優(yōu)先保證室內(nèi)空氣質(zhì)量 前題條件下，所述智能算法部分中包括節(jié)能算法模塊。
7.根據(jù)權利要求6所述的環(huán)境區(qū)域控制器，其特征在于，根據(jù)室內(nèi)外空氣焓差，S卩Ah zh^-ha^，將百葉窗控制單元分為3個工況區(qū)夏季工況區(qū)、過度季工況區(qū)和冬季工況 區(qū)，以實現(xiàn)照明和空調(diào)控制，其中，當焓差Ah = hm-hM^> 0時，系統(tǒng)運行在夏季工況區(qū)，此時太陽能增益Qstjl對溫度Ti 具有很強的影響，Qstjl越大，Ti越高，在滿足工作面照度的情況下，減少百葉的旋轉角度以減 少太陽輻射對工作單元的影響；當焓差Ah = h^-hm< 0時，系統(tǒng)運行在冬季工況區(qū)，此時大開百葉窗，以最大限度 的引入天然光和太陽能，以增加工作面照度且減少空調(diào)負荷；當室內(nèi)外空氣焓差值相差不多時，則系統(tǒng)處于過渡季工況。
8.針對權利要求7所述的環(huán)境區(qū)域控制器中百葉窗的控制方法，在夏季工況情況下，對百葉旋轉角度進行最優(yōu)化調(diào)節(jié)控制，其中，窗戶日射得熱形成的冷負荷以及照明負荷都通過手冊查詢或計算得到，其特征在于，設定室內(nèi)照度為300LUX，通過設定的室內(nèi)照度算出 不采自然光的情況下每小時所需照明耗電量E300，日射得熱逐時值Q通過查閱相關系數(shù)后 計算得到，某時刻計算出日射得熱逐時值的兩個極限，Qmin為百葉窗全部合上的日射得熱；Qmax 為百葉窗全部開啟的日射得熱，有以下幾種情況情況1 :E300 < Qmin，窗簾關閉，優(yōu)先考慮減少空調(diào)負荷； 情況2 :E300 > Qmin，窗簾開啟，優(yōu)先采自然光；情況3 =Qfflin < E300 < Qmax，增加百葉最大角至小于最大眩光角，照明耗電量大于E300 時調(diào)節(jié)室內(nèi)照度為300，當E300≥Q300/CP0時保持百葉窗狀態(tài)，否則，關閉百葉窗改為人工 照明；若非照明耗電量大于E300時，保持百葉最大角，打開部分照明，使室內(nèi)照度為300，室 內(nèi)太陽得熱為Qmax，此時E300≥Qmx/COP時，保持百葉窗狀態(tài)，否則百時窗關閉改為人工照明。
全文摘要
本發(fā)明環(huán)境區(qū)域控制器，通過采集到的室內(nèi)環(huán)境中各種信號，控制信號發(fā)送給空調(diào)風機、窗簾、燈光和新風閥等執(zhí)行機構，以維持用戶設定的環(huán)境參數(shù)，控制器同時擁有數(shù)字量和模擬量的輸入、輸出接口、RS232、RS485接口、以及與上位機進行數(shù)據(jù)交互的RJ45網(wǎng)絡接口；控制軟件加載到硬件模塊上，通過數(shù)字量和模擬量的輸入端口對環(huán)境區(qū)域中的環(huán)境傳感器進行信號采集，至少包括溫度控制模塊、光控制模塊和空氣質(zhì)量控制模塊，依據(jù)采集得到的各種信號，通過溫度控制模塊、光控制模塊和空氣質(zhì)量控制模塊，控制信號發(fā)送給空調(diào)風機、窗簾、燈光和新風執(zhí)行機構，以維持用戶設定的環(huán)境參數(shù)?？筛鶕?jù)不同的區(qū)域情況啟用一部分功能，如新風量控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)。
文檔編號G05B19/418GK101819435SQ20101014915
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月16日 優(yōu)先權日2010年4月16日
發(fā)明者夏洪軍, 李愛國, 羅堃, 郭明哲, 陳勤平 申請人:上海市建筑科學研究院(集團)有限公司;上海建科建筑節(jié)能技術有限公司