基于RS-485现场总线的网络空调系统

1、引言

    20世纪90年代以来，随着信息技术的迅速发展，特别是互连网络技术的长足进步，信息越来越普遍贯穿于我们日常的生活中，它正悄悄的改变我们的生活方式，信息家电也由此应运而生。作为传统家电的空调器向智能化、数字化、网络化的方向进化，实现全面的数字化，正是大势所趋。借助互连网络、电话网络和工业局域网，运用先进的通讯技术，可以将某一地域内的空调器组成网络，实行本地或异地集中控制和监测、进行数据采集、故障诊断、故障排除、售后维护等功能。本文将介绍广州华凌空调设备有限公司开发的基于RS-485现场总线的网络空调系统。

2、网络空调的优点

2.1 具有单机工作模式空调机的所有制冷、制热、除湿、除霜等功能，能进行本地操作。

2.2 实现远程开关机操作和工作模式设定。

2.3 在一些设备机房实现全天候多机自动互补轮流工作。

2.4 实现远程实时工作状态查询和监测。

2.5 可以自动将故障信息反馈至监控中心（维修中心），并且进行快速远地故障诊断和故障排除。

3、空调网络总线

    数据信号的可靠准确传输在网络中是至关重要的，本空调网络的总线采用采

用RS-485总线作为数据传输链路，实现半双工异步通信。这是由于一方面，RS-485标准作为一种多点、差分数据传输的电气规范现已成为业界应用最为广泛的标准通信接口之一。这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点、双向通信，每一个终端只需通过接口挂在总线上，可以实现真正的多点总线结构。它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性是其他标准无法比拟的。另一方面，RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。以下是RS-485接口的主要特点：

l          平衡传输

l          多点通信

l          驱动器输出电压（带载）：≥|1.5V|

l          接收器输入门限：±200mV

l          -7V至+12V总线共模范围

l          最大输入电流：1.0mA/-0.8mA（12Vin/-7Vin）

l          最大总线负载：32个单位负载（UL）

l          最大传输速率：10Mbps

l          最大电缆长度：4000英尺

4、网络配置

    RS-485总线不支持环形或星型网络，如果采用如图1中a、b、c的不正确连接方式，尽管在某些情况下（如距离短、速率低、干扰小等）仍然可以正常工作，但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，甚至发生通信故障，主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，造成信号质量下降。

    为此，最好采用终端匹配的总线型结构拓扑结构，用一条单一、连续的信号通道总线将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。如图1中d、e、f的连接方式。

    另外，RS-485标准并没有规定有关总线上允许连接的收发器数量，但规定了最大总线负载为32个单位负载（UL）。每单位负载的最大输入电流为1.0mA/-0.8mA，相当于约12kΩ。为了扩展总线节点数，方案中选用输入电阻达到48kΩ以上（1/4UL）的MAX487器件，节点数就可增加至128个。

    MAX487 的典型应用如图2所示。

5、网络空调系统的组成

5.1 网络系统应用框图

    图3是网络空调系统应用框图。整个系统由硬件、软件和传输协议三大部分组成。

5.2 硬件设备组成及作用

5.2.1 空调机控制板（包括MAX487芯片）：用于实现空调的自动化、智能化、节能化控制，并且通过MAX487接收网络上的信号和发送信号到网络上，每个设备都具有独立唯一的地址编码。

5.2.2 网络电缆和接插件：提供网络信号进行传输的物理链路。

5.2.3 集散控制器：集散控制器是网络的核心部件，是空调网络的接入设备，其作用相当于一台网关，它可以对各台空调器进行访问，进行运行控制和状态监测；集散控制器可以通过RS-232总线和本地监控电脑组成局域网络，还可运用调制解调技术通过电话线呼唤远地主控个人电脑（PC）实现远距离数据交换，实时响应从个人电脑发来的指令。集散控制器本身另有地址编码，用于网络的级联拓展。

5.2.4 个人电脑(PC)：个人电脑主动设备，负责对空调运行的状态进行数据采集、分析、存储、制表和打印，同时根据用户的设定实时或定时进行空调地址编码的识别和控制。

5.2.5 调制解调器(MODEM)：用于远程监测场合，实现远地监控计算机拨号上网，和集散控制器进行联络。

5.3 软件组成及设计方法

5.3.1 空调控制软件及通信软件：空调控制MCU采用内置UART口的芯片，以提高异步通信速率。软件设计流程见图4。

5.3.2 集散控制器软件：采用内置UART口的MCU，通过MAX487和空调网络进行联网，同时采用调制解调技术，通过调制解调芯片和电话网络（互连网络）联网。软件设计流程见图5。

5.3.3 本地（远地）PC电脑监控软件：本地（远地）PC电脑的网络空调监控软件是用VC6.0开发的，在Windows95/98 或Windows-NT平台上的交互式视窗应用程序。这是因为用VC6.0开发的软件运行速度快、数据处理能力强和操作界面友好的原因。软件设计流程见图6。

5.4 传输协议

5.4.1 数据格式

    采用异步串行通信，格式为：1个起始位、8个数据位、1个停止位，如图7。波特率可选，默认为9600。

5.4.2 通信协议

5.4.2.1  由于485总线是异步半双工的通信总线，在某一个时刻，总线只可能呈现一种状态，所以系统采用主从应答的方式，平时空调机处于待命状态，由PC 电脑统一协调总线的分时共用。

5.4.2.2  系统采用的是数据包通信方式，通信数据是成帧成包发送的，每包数据都有引导码、长度码、地址码、命令码、内容、校验码等部分组成。其中引导码是用于同步每一包数据的引导头；长度码是这一包数据的总长度；命令码是主机对空调（或空调应答主机）的控制命令；地址码是空调的本机地址号；“内容”是这一包数据里的各种信息；校验码是这一包数据的校验标志，可以采用奇偶校验、和校验等不同的方式。

5.4.2.3  在487芯片的通信中，尤其要注意对487控制端DE的软件编程。为了可靠的工作，在485总线状态切换时需要做适当延时，再进行数据的收发。具体的做法是在数据发送状态下，先将控制端置“1”，延时0.3ms左右的时间，再发送有效的数据，一包数据发送结束后再延时0.3ms后，将控制端置“0”。这样的处理会使总线在状态切换时，有一个稳定的工作过程。

6、结束语

    在家电市场竞争日趋激烈的今天，由于频繁出现的价格战，家电企业盈利的能力大幅下降，一些企业出现了亏损。市场经验证明，没有融合高新技术的新产品，相对饱和的家电市场是很难得到激活的。因此，家电网络化是时代的必然 呼唤。

    本网络方案经过在广州华凌空调设备有限公司厂区和一些外单位的实际运行，证明运行良好、安全可靠、能实现全天候实时本地或远程监控，具有良好的应用前景。