基于无线传感器网络的空调节能系统

摘要

本发明公开了一种基于无线传感器网络的空调节能系统，包括监控中心(1)、无线空调节能控制器(2)、无线室外温湿度检测端机(3)、无线室内温湿度检测端机(4)。本发明可根据室内外温湿度的差异，及时地调节每个空调的运行参数，并且能够实现对室内外温湿度信息和空调运行信息的统计、分析和预警功能，方便用户对空调使用情况进行统一比对，以便及时调整各个空调的运行参数，从而达到节能的目的，也能够延长空调的使用寿命。

权利要求

1.基于无线传感器网络的空调节能系统，其特征在于该系统为自组织的多跳的无线传感器网络系统，它由监控中心(1)和大量无线室外温湿度检测端机(3)、无线室内温湿度检测端机(4)、无线空调节能控制器(2)组成；无线室外温湿度检测端机(3)负责采集室外的温湿度信息，无线室内温湿度检测端机(4)负责采集室内的温湿度信息，这两种无线检测端机按照指定的时间间隔周期性的进行检测，通过自组织形成的多跳无线路由将检测结果上报给无线空调节能控制器(2)；无线空调节能控制器(2)安装于空调中，负责连接到由监控中心(1)所组织的无线网络中，并组织一个无线检测网络，允许接纳周围的室外温湿度检测端机(3)、无线室内温湿度检测端机(4)和其他未加入的无线空调节能控制器(2)通过自身加入到网络中，并负责中继转发来自由其接纳加入网络的无线空调节能控制器(2)的需要上报至监控中心(1)的数据，负责无线室内外温湿度检测端机信息的收集、存储、分析和转发，同时根据检测端机的信息计算出合适的空调控制参数，并对空调进行控制，还同时转发检测端机的信息到监控中心(1)并接收来自监控中心(1)的控制信息；监控中心(1)负责所有信息的汇总、统计、分析和处理，实时显示空调的运行情况和室内外温湿度情况，并接收来自用户的强制控制信息，然后下发到无线空调节能控制器(2)，实现对整个无线网络的控制和空调的节能控制。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的空调节能系统，其特征在于系统采用由监控中心(1)、无线空调节能控制器(2)、室外温湿度检测端机(3)和无线室内温湿度检测端机(4)自组织建立的多跳无线传感器网络；

监控中心(1)在上电初试化以后，建立一个以自己为管理中心的无线网络，并开始接纳无线空调节能控制器(2)加入网络；监控中心(1)按照指定时间周期性的维护网络，去除失效路由信息，添加新增路由信息，监控中心(1)接收所有自身网络内的无线空调节能控制器(2)上报的数据，并进行数据的统计、分析和处理，同时接收用户的控制命令，将控制信息下发给无线空调节能控制器(2)；监控中心(1)最多可接纳254个无线空调节能控制器(2)；

无线空调节能控制器(2)在上电初试化以后，尝试与监控中心(1)或是其周围的已经加入网络的无线空调节能控制器(2)通信，通过它们加入到网络中，当存在一个以上网络可以加入时，则通过判断周围网络的连接性能进行选择性加入；无线空调节能控制器(2)在成功加入网络后，允许接纳周围的室外温湿度检测端机(3)、无线室内温湿度检测端机(4)和其他未加入的无线空调节能控制器(2)通过自身加入到网络中，并负责中继转发来自由其接纳加入网络的无线空调节能控制器(2)的需要上报至监控中心(1)的数据；

室外温湿度检测端机(3)和无线室内温湿度检测端机(4)在上电初始化后，尝试与已经加入网络的无线空调节能控制器(2)通信，通过它们加入到网络中，当存在一个以上网络可以加入时，则通过判断周围网络的连接性能进行选择性加入；室外温湿度检测端机(3)和无线室内温湿度检测端机(4)在加入网络以后，负责按照指定的时间参数对温湿度信息进行采集，并传输给所加入到的无线空调节能控制器(2)上；

上述监控中心(1)、无线空调节能控制器(2)、室外温湿度检测端机(3)和无线室内温湿度检测端机(4)在上电启动后的一切工作，无需人工配置，网络自组织形成；

室外温湿度检测端机(3)和无线室内温湿度检测端机(4)上报的数据只能先发送到无线空调节能控制器(2)上，再由无线空调节能控制器(2)发送到监控中心(1)；无线空调节能控制器(2)所上发的数据直接到监控中心(1)，或者经过其他的无线空调节能控制器(2)中转到监控中心(1)，所以无线网络是多跳的。

3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的空调节能系统，其特征在于监控中心(1)动态维护网络拓扑，使网络系统具有很强的鲁棒性、抗毁性；在网络中的某个无线空调节能控制器(2)失效时，原来需要经过该无线空调节能控制器(2)中继转发数据的其他无线空调节能控制器(2)，可以自动选择其它无线空调节能控制器(2)为其中继转发数据；除了失效的无线空调节能控制器(2)外的其它所有无线空调节能控制器(2)均能继续正常工作，网络传输不会因为一个无线空调节能控制器(2)的失效而瘫痪。

4.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的空调节能系统，其特征在于室外温湿度检测端机(3)、无线室内温湿度检测端机(4)与无线空调节能控制器(2)之间，无线空调节能控制器(2)与无线空调节能控制器(2)之间，无线空调节能控制器(2)与监控中心(1)之间的无线传输采用数据确认机制；数据的发送方在发送数据帧后，需要等待接收方返回的确认帧，以确认接收方收到该数据帧；如果在规定时间内，发送方没有收到接收方返回的确认帧，发送方将重发该数据帧，直至收到接收方返回的关于该数据帧的确认帧。

5.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的空调节能系统，其特征在于室外温湿度检测端机(3)、无线室内温湿度检测端机(4)与无线空调节能控制器(2)之间，无线空调节能控制器(2)与无线空调节能控制器(2)之间，无线空调节能控制器(2)与监控中心(1)之间的无线传输采用带冲突避免的信道侦听机制来有效避免由于共用无线信道产生的碰撞冲突；在发送端发送数据前，发送端先侦听信道忙闲，如果信道空闲，则立即发送；如果信道为忙，则随机延迟一段时间之后再侦听信道忙闲，如果信道空闲，则立即发送；如果信道仍然为忙，则再随机延迟一段时间之后侦听信道忙闲，直至侦听到信道空闲时进行发送。

说明书

技术领域：

本发明涉及空调节能领域，具体地说是基于无线传感器网络的空调节能系统。 

背景技术

目前，建筑能耗占国家总能耗的第一位。我国的建筑能耗约占总能耗的25％，在一些发达国家可高达30％～40％，其中建筑能耗的30％来自空调，因此空调节能具有非同一般的意义。 
现有的空调节能系统存在低成高、功耗高、安装和维护麻烦的特点。 

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无线传感器网络的空调节能系统。 
本发明要解决的是空调节能问题，具体是利用无线传感器网络技术设计一种低成本、低功耗、安装和维护方便、操作简单的空调节能系统。 
本发明的技术方案是：本发明是利用无线传感器网络技术建立起来的空调节能系统，该系统为自组织的多跳的无线传感器网络系统，它由监控中心(1)和大量无线室外温湿度检测端机(3)、无线室内温湿度检测端机(4)、无线空调节能控制器(2)组成；无线室外温湿度检测端机(3)负责采集室外的温湿度信息，无线室内温湿度检测端机(4)负责采集室内的温湿度信息，这两种无线检测端机按照指定的时间间隔周期性的进行检测，通过自组织形成的多跳无线路由将检测结果上报给无线空调节能控制器(2)；无线空调节能控制器(2)安装于空调中，负责连接到由监控中心(1)所组织的无线网络中，并组织一个无线检测网络，允许接纳周围的室外温湿度检测端机(3)、无线室内温湿度检测端机(4) 和其他未加入的无线空调节能控制器(2)通过自身加入到网络中，并负责中继转发来自由其接纳加入网络的无线空调节能控制器(2)的需要上报至监控中心(1)的数据，负责无线室内外温湿度检测端机信息的收集、存储、分析和转发，同时根据检测端机的信息计算出合适的空调控制参数，并对空调进行控制，还同时转发检测端机的信息到监控中心(1)并接收来自监控中心(1)的控制信息；监控中心(1)负责所有信息的汇总、统计、分析和处理，实时显示空调的运行情况和室内外温湿度情况，并接收来自用户的强制控制信息，然后下发到无线空调节能控制器(2)，实现对整个无线网络的控制和空调的节能控制。 
本发明的基于无线传感器网络的空调节能系统可以实时准确对各个空调进行节能控制的同时，还可以报告室内外温湿度信息和空调的运行信息，使用户能够随时查看现场空调设备的运行情况，并根据统计信息和分析数据进行更优化的控制和能源供应，从而提高能源管理水平、减少能源损耗、节约能源成本。 

附图说明

图1为本发明的系统结构框图； 
图2为本发明的网络工作流程图； 
图3为本发明中的监控中心工作流程图； 
图4为本发明的无线空调节能控制器工作流程图； 
图5为本发明的无线室内外温湿度端机工作流程图； 
图6为本发明的数据传输过程说明图。 

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。 
如图所示，本发明由监控中心(1)和大量无线室外温湿度检测端机(3)、无线室内温湿度检测端机(4)、无线空调节能控制器(2)组成(见图1)。无线室外温湿度检测端机(3)负责采集室外的温湿度信息，无线室内温湿度检测端机(4)负责采集室内的温湿度信息。这两种无线检测端机利用电池供电，按照指定的时间间隔周期性的进行检测，通过自组织形成的多跳无线路由将检测结果上报给无线空调节能控制器(2)；无线空调节能控制器(2)是利用市场上的空调节能控制器进行改造，使其具有无线通信、控制和存储能力，安装于空调当中，负责连接到由监控中心(1)所组织的无线网络中，并组织一个无线检测网络供无线室内外温湿度检测端机连接，负责无线室内外温湿度检测端机信息的收集、存储、分析和转发，同时根据检测端机的信息计算出合适的空调控制参数，并对空调进行控制，还同时转发检测端机的信息到监控中心(1)并接收来自监控中心(1)的控制信息；监控中心(1)负责所有信息的汇总、统计、分析和处理，实时显示空调的运行情况和室内外温湿度情况，并接收来自用户的强制控制信息，然后下发到无线空调节能控制器(2)，实现对整个无线网络的控制和空调的节能控制。 
上述系统组成的自组织的多跳无线传感器网络分为网络建立、网络维护和数据传输三个部分；在网络建立以后，系统周期性的进行网络维护，并在空闲时间进行数据传输(见图2)。 
监控中心(1)在上电初试化以后，建立一个以自己为管理中心的无线网络，并开始接纳无线空调节能控制器(2)加入网络。监控中心(1)按照指定时间周期性的维护网络，去除失效路由信息，添加新增路由信息，监控中心(1)接收所有自身网络内的无线空调节能控制器(2)上报的数据，并进行数据的统计、分析和处理，同时接收用户的控制命令，将控制信息下发给无线空调节能控制 器(2)。监控中心(1)最多可接纳254个无线空调节能控制器(2)。(见图3) 
无线空调节能控制器(2)在上电初试化以后，尝试与监控中心(1)或是其周围的已经加入网络的无线空调节能控制器(2)通信，通过它们加入到网络中，当存在一个以上网络可以加入时，则通过判断周围网络的连接性能进行选择性加入。无线空调节能控制器(2)在成功加入网络后，允许接纳周围的室外温湿度检测端机(3)、无线室内温湿度检测端机(4)和其他未加入的无线空调节能控制器(2)通过自身加入到网络中，并负责中继转发来自由其接纳加入网络的无线空调节能控制器(2)的需要上报至监控中心(1)的数据。(见图4) 
室外温湿度检测端机(3)和无线室内温湿度检测端机(4)在上电初始化后，尝试与已经加入网络的无线空调节能控制器(2)通信，通过它们加入到网络中，当存在一个以上网络可以加入时，则通过判断周围网络的连接性能进行选择性加入。室外温湿度检测端机(3)和无线室内温湿度检测端机(4)在加入网络以后，负责按照指定的时间参数对温湿度信息进行采集，并传输给所加入到的无线空调节能控制器(2)上。(见图5) 
室外温湿度检测端机(3)、无线室内温湿度检测端机(4)和无线空调节能控制器(2)的布设数量为每个空调各一个，其中检测端机布设在能够相对测量出室内外温湿度的地方，无线空调节能控制器(2)布设在空调内部。 
监控中心(1)动态维护网络拓扑，网络系统具有很强的鲁棒性、抗毁性。当网络中的某个无线空调节能控制器(2)失效时，原来需要经过该无线空调节能控制器(2)中继转发数据的无线空调节能控制器(2)，可以自动选择其它无线空调节能控制器(2)为其中继转发数据；除了失效无线空调节能控制器(2)外的其它所有无线空调节能控制器(2)均能继续正常工作，网络传输不会因为一个无线空调节能控制器(2)的失效而瘫痪。 
室外温湿度检测端机(3)、无线室内温湿度检测端机(4)与无线空调节能控制器(2)之间，无线空调节能控制器(2)与无线空调节能控制器(2)之间，无线空调节能控制器(2)与监控中心(1)之间的无线传输采用数据确认机制。数据的发送方在发送数据帧后，需要等待接收方返回的确认帧，以确认接收方收到该数据帧。如果在规定时间内，发送方没有收到接收方返回的确认帧，发送方将重发该数据帧，直至收到接收方返回的关于该数据帧的确认帧。(见图6) 
室外温湿度检测端机(3)、无线室内温湿度检测端机(4)与无线空调节能控制器(2)之间，无线空调节能控制器(2)与无线空调节能控制器(2)之间，无线空调节能控制器(2)与监控中心(1)之间的无线传输采用带冲突避免的信道侦听机制来有效避免由于共用无线信道产生的碰撞冲突。在发送端发送数据前，发送端先侦听信道忙闲，如果信道空闲，则立即发送；如果信道为忙，则随机延迟一段时间之后再侦听信道忙闲，如果信道空闲，则立即发送；如果信道仍然为忙，则再随机延迟一段时间之后侦听信道忙闲，直至侦听到信道空闲时进行发送。(见图4、5、6) 
系统采用了先进的功耗控制方法，最大程度地提高了系统的续航能力。在硬件方面，系统采用低功耗处理芯片，电路板的设计也充分考虑了低功耗要求；在软件方面，除了采用休眠机制以外，还采用了先进的基于能量的路由转发策略，各无线检测端机能够根据本地的电池能量特性来工作，在增加了单个无线检测端机使用时间的同时，也延长了整个网络的连续工作时间。 
上述系统中的设备所选用的射频模块工作频率为433MHz，带宽为64MHz，数据传输速率及功率可调，最大传输速率500kbps，最大传输功率10dBm，布设在通视时的无线传输距离最大可到300m。