CN109028448A - 农业设施空气源热泵机组变风量控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种农业设施空气源热泵机组变风量控制装置及控制方法。所述农业设施空气源热泵机组变风量控制装置包括模块化空气源热泵机组、送风总管、变风量控制节点、n个风阀驱动节点、n个风阀、n个大棚；其中，所述模块化空气源热泵机组由热泵模块控制器控制，其中，n正整数；所述模块化空气源热泵机组连通所述送风总管，所述送风总管分别连通n个所述风阀，每一所述风阀连通一个所述大棚，从而向所述大棚实现送风；所述变风量控制节点分别无线连接n个所述风阀驱动节点，每一所述风阀驱动节点用于控制一个所述风阀的风量。本发明还提供一种基于农业设施空气源热泵机组变风量控制装置的控制方法。

Description

农业设施空气源热泵机组变风量控制装置及控制方法

技术领域

本发明属于农业设施空气源热泵机组技术领域，具体地涉及一种农业设施空气源热泵机组变风量控制装置及控制方法。

背景技术

同一个农业园区的设施大棚有大有小、数量有多有少、地理位置有集中有分散，在使用热泵空气源时一般有两种解决方法：一是针对每个设施大棚大小单独安装并配置相应功率的空气源热泵机组及控制器，对电源容量要求也高；二是使用模块化空气源热泵机组(压缩机间隔轮流启动)，对所有设施大棚统一控制及送风，不考虑设施大棚大小，导致每个设施大棚效果有块有慢，造成资源浪费，振动噪声太大.

随着物联网技术的发展，无线收发射频技术得到迅速推广应用，目前主要应用在数据采集上，例如TI收发芯片CC1101空旷传输已经能稳定在300-500米内，且具有无线唤醒低功耗睡眠状态的功能，电流功耗低，对供电要求不高；但到目前，无线输出控制设备还比较少，尤其是农业设施大棚领域，可节约使用成本，组网联网管理方便。

针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷或问题，提供一种农业设施空气源热泵机组变风量控制装置及控制方法。

本发明的技术方案如下：一种农业设施空气源热泵机组变风量控制装置包括模块化空气源热泵机组、送风总管、变风量控制节点、n个风阀驱动节点、n个风阀、n个大棚；其中，所述模块化空气源热泵机组由热泵模块控制器控制，其中，n正整数；所述模块化空气源热泵机组连通所述送风总管，所述送风总管分别连通n个所述风阀，每一所述风阀连通一个所述大棚，从而向所述大棚实现送风；所述变风量控制节点分别无线连接n个所述风阀驱动节点，每一所述风阀驱动节点用于控制一个所述风阀的风量。

优选地，所述变风量控制节点基于CC1101的无线收发自定义协议，且所述变风量控制节点包括控制器Atmega88、无线收发模块CC1101、UNIX嵌入式操作***、控制算法及串口，所述控制器Atmega88与无线收发模块CC1101通过SPI总线链接，所述控制器Atmega88是基于UNIX嵌入式操作***下工作的，所述串口与所述模块化空气源热泵机组的热泵模块控制器串口相连。

一种基于如上所述的一种农业设施空气源热泵机组变风量控制装置的控制方法，包括如下步骤：

根据设施大棚数量及大小选择合适功率的模块热泵机组，并选取相应的模块化热泵控制器；

在风阀变量控制节点的EEPROM中为每一大棚分配1个管理数组，且将各个设施大棚的面积S1、S2、......、Sn保存在风阀调度模块EEPROM中，然后根据各自面积分配权值大小i、j为正整数；

初始工作时，各个大棚的风阀角度根据自身面积大小来分配：α_j＝90ω_j，并保存在EEPROM中；

通过无线发送模块CC1101，采用依次发送的方式向各个大棚的风阀驱动节点发送命令帧，其中：无线变风量控制节点的CC1101始终处于工作状态，各个大棚风阀驱动节点的CC1101平时处于休眠状态；

当某个大棚的送风温度达不到设定值时，根据设定的步进值调节风阀角度增大或者减小1个步进值，直到风阀完全打开或者完全关闭，且将风阀角度值反馈给无线变风量控制节点；当风阀完全打开后，向无线变风量控制节点请求热泵机组加载能量；当风阀完全关闭后，向无线变风量控制节点请求热泵机组卸载能量；

当无线变风量控制节点接受到某个风阀驱动节点请求后，为其更新EEPROM数据，并且反馈请求给模块化热泵机组控制器。

优选地，所述变风量控制节点基于CC1101的无线收发自定义协议，且所述无线收发自定义协议的规则如下：

无线变风量控制节点为主机，无线风阀驱动节点为从机；无线变风量控制节点的CC1101始终处于工作状态，无线风阀驱动节点的CC1101平时处于休眠状态，只有被唤醒时才工作；

当无线变风量控制节点向风阀驱动节点下传控制指令时发出,包括：起始帧、命令字、目标地址字、风阀角度数据和crc16校验字；

当风阀驱动节点收到无线变风量控制节点下传的控制指令后，向无线变风量控制节点返回一个应答帧ACK，告知指令执行情况；

当风阀驱动节点数据发生改变后，必须向无线变风量控制节点反馈信息，更新EEPROM数据；

当风阀驱动节点向无线变风量控制节点上传反馈信息后，风阀驱动节点需要向无线变风量控制节点返回一个风阀驱动节点应答帧，告知已经收到反馈信息。

优选地，所述风阀驱动节点包括控制器Atmega128、驱动模块A3977、步进电机及编码器、无线收发模块CC1101、UNIX嵌入式操作***、风阀角度自适应PI调节算法，所述控制器Atmega128与无线收发模块CC1101通过SPI总线相连，所述Atmega128还与驱动模块A3977相连，所述Atmega128是基于UNIX嵌入式操作***下工作的。

优选地，所述风阀驱动节点采用如下自适应PI算法，并包括如下步骤：

采用数字增量式PI控制算法调节，通过驱动模块A3977产生步进电机驱动脉冲，来调节风阀的角度；

根据卡尔曼滤波最佳的目标，智能优化PI的2个k_p、k_I参数，并采用混合蛙跳全局优化算法；

整个控制模块采用的是闭环控制，根据风阀角度调节命令来调节风阀转角的大小，角度调节算法采用PI算法。

本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

本发明提出的农业设施空气源热泵机组变风量控制装置和控制方法是基于物联网的农业设施空气源热泵机组变风量控制装置的使用，可以提高空气源热泵机组在农业设施大棚应用的优化能力。

附图说明

图1是本发明实施例提供的农业设施空气源热泵机组变风量控制装置的物联网拓扑图；

图2是图1所示的农业设施空气源热泵机组变风量控制装置的控制原理图；

图3是PI自适应算法流程图；

图4是变风量控制原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。

如图1和图2所示，本发明实施例提供一种农业设施空气源热泵机组变风量控制装置包括模块化空气源热泵机组、送风总管、变风量控制节点、n个风阀驱动节点、n个风阀、n个大棚；其中，所述空调热泵机组由热泵模块控制器控制。

所述模块化空气源热泵机组连通所述送风总管，所述送风总管分别连通n个所述风阀，每一所述风阀连通一个所述大棚，从而向所述大棚实现送风；

所述变风量控制节点分别无线连接n个所述风阀驱动节点，每一所述风阀驱动节点用于控制一个所述风阀的风量。

需要说明的是，所述变风量控制节点基于CC1101的无线收发自定义协议，且所述变风量控制节点包括控制器Atmega88、无线收发模块CC1101、UNIX嵌入式操作***、控制算法及串口，所述控制器Atmega88与无线收发模块CC1101通过SPI总线链接，所述控制器Atmega88是基于UNIX嵌入式操作***下工作的，所述串口与所述模块化空气源热泵机组的热泵模块控制器串口相连。

如图3和图4所示，一种基于图1和图2所示的农业设施空气源热泵机组变风量控制装置的控制方法包括如下步骤：

根据设施大棚数量及大小选择合适功率的模块热泵机组，并选取相应的模块化热泵控制器；

在风阀变量控制节点的EEPROM中为每一大棚分配1个管理数组，且将各个设施大棚的面积S1、S2、......、Sn保存在风阀调度模块EEPROM中，然后根据各自面积分配权值大小

初始工作时，各个大棚的风阀角度根据自身面积大小来分配：α_j＝90ω_j并保存在EEPROM中；

通过无线发送模块CC1101，采用依次发送的方式向各个大棚的风阀驱动节点发送命令帧，其中：无线变风量控制节点的CC1101始终处于工作状态，各个大棚风阀驱动节点的CC1101平时处于休眠状态；

当某个大棚的送风温度达不到设定值时，根据设定的步进值调节风阀角度增大或者减小1个步进值，直到风阀完全打开或者完全关闭，且将风阀角度值反馈给无线变风量控制节点；当风阀完全打开后，向无线变风量控制节点请求热泵机组加载能量；当风阀完全关闭后，向无线变风量控制节点请求热泵机组卸载能量；

当无线变风量控制节点接受到某个风阀驱动节点请求后，为其更新EEPROM数据，并且反馈请求给模块化热泵机组控制器。

而且，所述变风量控制节点基于CC1101的无线收发自定义协议，且所述无线收发自定义协议的规则如下：

无线变风量控制节点为主机，无线风阀驱动节点为从机；无线变风量控制节点的CC1101始终处于工作状态，无线风阀驱动节点的CC1101平时处于休眠状态，只有被唤醒时才工作；

当无线变风量控制节点向风阀驱动节点下传控制指令时发出,包括：起始帧、命令字、目标地址字、风阀角度数据和crc16校验字；

当风阀驱动节点收到无线变风量控制节点下传的控制指令后，向无线变风量控制节点返回一个应答帧ACK，告知指令执行情况；

当风阀驱动节点数据发生改变后，必须向无线变风量控制节点反馈信息，更新EEPROM数据；

当风阀驱动节点向无线变风量控制节点上传反馈信息后，风阀驱动节点需要向无线变风量控制节点返回一个风阀驱动节点应答帧，告知已经收到反馈信息。

对所述风阀驱动节点而言，所述风阀驱动节点包括控制器Atmega128、驱动模块A3977、步进电机及编码器、无线收发模块CC1101、UNIX嵌入式操作***、风阀角度自适应PI调节算法，所述控制器Atmega128与无线收发模块CC1101通过SPI总线相连，所述Atmega128还与驱动模块A3977相连，所述Atmega128是基于UNIX嵌入式操作***下工作的。

则，所述风阀驱动节点采用如下自适应PI算法，并包括如下步骤：

采用数字增量式PI控制算法调节，通过驱动模块A3977产生步进电机驱动脉冲，来调节风阀的角度；

根据卡尔曼滤波最佳的目标，智能优化PI的2个k_p、k_I参数，并采用混合蛙跳全局优化算法，其中，优化算法如图3所示；

如图4所示，整个控制模块采用的是闭环控制，根据风阀角度调节命令来调节风阀转角的大小，角度调节算法采用PI算法。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种农业设施空气源热泵机组变风量控制装置，其特征在于：包括模块化空气源热泵机组、送风总管、变风量控制节点、n个风阀驱动节点、n个风阀、n个大棚；其中，所述模块化空气源热泵机组由热泵模块控制器控制，其中，n正整数；

所述模块化空气源热泵机组连通所述送风总管，所述送风总管分别连通n个所述风阀，每一所述风阀连通一个所述大棚，从而向所述大棚实现送风；

所述变风量控制节点分别无线连接n个所述风阀驱动节点，每一所述风阀驱动节点用于控制一个所述风阀的风量。

2.根据权利要求1所述的一种农业设施空气源热泵机组变风量控制装置，其特征在于，所述变风量控制节点基于CC1101的无线收发自定义协议，且所述变风量控制节点包括控制器Atmega88、无线收发模块CC1101、UNIX嵌入式操作***、控制算法及串口，所述控制器Atmega88与无线收发模块CC1101通过SPI总线链接，所述控制器Atmega88是基于UNIX嵌入式操作***下工作的，所述串口与所述模块化空气源热泵机组的热泵模块控制器串口相连。

3.一种基于权利要求1或2所述的一种农业设施空气源热泵机组变风量控制装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据设施大棚数量及大小选择合适功率的模块热泵机组，并选取相应的模块化热泵控制器；

在风阀变量控制节点的EEPROM中为每一大棚分配1个管理数组，且将各个设施大棚的面积S1、S2、......、Sn保存在风阀调度模块EEPROM中，然后根据各自面积分配权值大小i、j为正整数；

初始工作时，各个大棚的风阀角度根据自身面积大小来分配：α_j＝90ω_j，并保存在EEPROM中；

通过无线发送模块CC1101，采用依次发送的方式向各个大棚的风阀驱动节点发送命令帧，其中：无线变风量控制节点的CC1101始终处于工作状态，各个大棚风阀驱动节点的CC1101平时处于休眠状态；

当某个大棚的送风温度达不到设定值时，根据设定的步进值调节风阀角度增大或者减小1个步进值，直到风阀完全打开或者完全关闭，且将风阀角度值反馈给无线变风量控制节点；当风阀完全打开后，向无线变风量控制节点请求热泵机组加载能量；当风阀完全关闭后，向无线变风量控制节点请求热泵机组卸载能量；

当无线变风量控制节点接受到某个风阀驱动节点请求后，为其更新EEPROM数据，并且反馈请求给模块化热泵机组控制器。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述变风量控制节点基于CC1101的无线收发自定义协议，且所述无线收发自定义协议的规则如下：

无线变风量控制节点为主机，无线风阀驱动节点为从机；无线变风量控制节点的CC1101始终处于工作状态，无线风阀驱动节点的CC1101平时处于休眠状态，只有被唤醒时才工作；

当无线变风量控制节点向风阀驱动节点下传控制指令时发出,包括：起始帧、命令字、目标地址字、风阀角度数据和crc16校验字；

当风阀驱动节点收到无线变风量控制节点下传的控制指令后，向无线变风量控制节点返回一个应答帧ACK，告知指令执行情况；

当风阀驱动节点数据发生改变后，必须向无线变风量控制节点反馈信息，更新EEPROM数据；

当风阀驱动节点向无线变风量控制节点上传反馈信息后，风阀驱动节点需要向无线变风量控制节点返回一个风阀驱动节点应答帧，告知已经收到反馈信息。

5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述风阀驱动节点包括控制器Atmega128、驱动模块A3977、步进电机及编码器、无线收发模块CC1101、UNIX嵌入式操作***、风阀角度自适应PI调节算法，所述控制器Atmega128与无线收发模块CC1101通过SPI总线相连，所述Atmega128还与驱动模块A3977相连，所述Atmega128是基于UNIX嵌入式操作***下工作的。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述风阀驱动节点采用如下自适应PI算法，并包括如下步骤：

采用数字增量式PI控制算法调节，通过驱动模块A3977产生步进电机驱动脉冲，来调节风阀的角度；

根据卡尔曼滤波最佳的目标，智能优化PI的2个k_p、k_I参数，并采用混合蛙跳全局优化算法；

整个控制模块采用的是闭环控制，根据风阀角度调节命令来调节风阀转角的大小，角度调节算法采用PI算法。