低消費電力無線センサネットワークを用いたシングルゾーン空調システムのマルチゾーン制御システムへの低コスト化

Low-Cost Conversion of Single-Zone HVAC Systems to Multi-Zone Control Systems Using Low-Power Wireless Sensor Networks.

• Julio Antonio Jornet-Monteverde
• Juan José Galiana-Merino

抄録

本稿では、Wi-Fi技術を利用して、従来のハウスエアコンの設置を、ハウス内の各ゾーンの温度を個別に制御する、より効率的なシステムに変換するための斬新なアプローチを紹介する。各ゾーンは、検出された温度に応じて風量を調節し、省エネと機械性能の向上を実現する。そのため、まず、エアコンの通信バスを調べ、異なる信号コードを取得する必要がありました。このようにして、通信バス上の要求を制御して管理するための代替コントローラモジュール（Bus-Wi-Fiゲートウェイ）が設計され、開発された。特定の回路は、コントローラのシリアルポートの信号を通信バスに適応させるように設計されています。各ゾーンの温湿度データを取得するために、ノードモジュールを開発し、SSL/TLS（Secure Sockets Layer / Transport Layer Security）証明書付きのMQTT（Message Queuing Telemetry Transport）プロトコルを使用して、Wi-Fiインターフェースを介してコントローラと通信します。ヒューマン・マシン・インターフェースとしてLCDタッチスクリーンを搭載しています。コントローラとノードモジュールは、Texas Instruments社の超低消費電力CC3200マイクロコントローラで開発され、コードはTI-RTOSリアルタイムオペレーティングシステムで実装されています。Raspberry Piコンピュータをベースにした追加モジュールは、Wi-Fiネットワークを作成し、必要なネットワーク機能を実装するように設計されています。開発したシステムは、各ゾーンの温度を希望の温度に保つだけでなく、室内機のファン速度やベントレジスターの開口面積を制御することで、システムの効率を大幅に向上させています。実験では、シングルゾーンシステムと比較して、ゾーンの1つだけを選択した場合には75%から94%、家全体を空調した場合には44%の省エネ効果が得られ、さらにユーザーの快適性も大幅に向上しています。

This paper presents a novel approach to convert a conventional house air conditioning installation into a more efficient system that individually controls the temperature of each zone of the house through Wi-Fi technology. Each zone regulates the air flow depending on the detected temperature, providing energy savings and increasing the machine performance. Therefore, the first step was to examine the communication bus of the air conditioner and obtain the different signal codes. Thus, an alternative Controller module has been designed and developed to control and manage the requests on the communication bus (Bus-Wi-Fi gateway). A specific circuit has been designed to adapt the signal of the serial port of the Controller with the communication bus. For the acquisition of the temperature and humidity data in each zone, a Node module has been developed, which communicates with the Controller through the Wi-Fi interface using the Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) protocol with Secure Sockets Layer / Transport Layer Security (SSL/TLS) certificates. It has been equipped with an LCD touch screen as a human-machine interface. The Controller and the Node modules have been developed with the ultra-low power consumption CC3200 microController of Texas Instruments and the code has been implemented under the TI-RTOS real-time operating system. An additional module based on the Raspberry Pi computer has been designed to create the Wi-Fi network and implement the required network functionalities. The developed system not only ensures that the temperature in each zone is the desired one, but also controls the fan velocity of the indoor unit and the opening area of the vent registers, which considerably improves the efficiency of the system. Compared with the single-zone system, the experiments carried out show energy savings between 75% and 94% when only one of the zones is selected, and 44% when the whole house is air-conditioned, in addition to considerably improving user comfort.