智能空調(diào)無線監(jiān)控系統(tǒng)的設計

陳志棟　翁正國

摘 要：隨著智能家居的不斷發(fā)展，各種基于無線網(wǎng)絡的家電也被廣泛應用，文中設計了一種以CC1101無線傳感網(wǎng)絡為基礎，引入WiFi和GSM網(wǎng)絡的智能空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)，從而使得監(jiān)控方式更加多樣化，用戶可以在家或在外實時監(jiān)控空調(diào)情況。相比于單純的WiFi網(wǎng)絡，該設計保留了傳統(tǒng)的遙控器功能，具有更低的成本和多種控制方式。文章同時對其工作原理和工作方式進行了分析，給出了系統(tǒng)的軟硬件設計方法。

關(guān)鍵詞：CC1101；智能空調(diào)；WiFi；GSM

中圖分類號：TP301.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）03-00-02

0 引 言

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的不斷成熟，使得其在數(shù)字電視、家庭網(wǎng)關(guān)、智能電冰箱等家電信息領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色。WiFi網(wǎng)絡已經(jīng)成為家庭、公共場所等必備設備，針對WiFi無需布線，具有通用性、靈活性等優(yōu)勢，WiFi產(chǎn)品日漸豐富，采用智能手機作為控制終端對家電進行無線控制也進入了現(xiàn)實可行的階段。

本文設計了一個基于CC1101無線傳感網(wǎng)絡和WiFi網(wǎng)絡的智能空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)，并引入GSM網(wǎng)絡，用戶可以在家或在外實時監(jiān)控空調(diào)情況。終端模塊負責對空調(diào)進行數(shù)據(jù)采集和控制，并利用CC1101無線網(wǎng)絡反饋空調(diào)設備狀態(tài)；主機模塊負責連接WiFi網(wǎng)絡和GSM網(wǎng)絡。

1 系統(tǒng)簡介

系統(tǒng)中，終端網(wǎng)絡為CC1101模塊組建的無線傳感網(wǎng)絡負責控制空調(diào)設備；主機模塊通過WiFi網(wǎng)絡實現(xiàn)用戶設備與主控設備的信息交互，并通過GSM網(wǎng)絡進行短信監(jiān)控。系統(tǒng)工作過程分為信號采集與家居控制兩部分。

1.1 信號采集

終端控制模塊通過傳感器采集空調(diào)信息，初步處理以后通過CC1101將空調(diào)狀態(tài)傳遞給主機模塊。主機模塊接收到CC1101的數(shù)據(jù)后，通過WiFi網(wǎng)絡傳遞到用戶手機，若信號異常，則通過GSM網(wǎng)絡自動報警。

1.2 家居控制

用戶可以通過遙控器直接控制，也可以通過手機App進行控制。主機模塊收到指令后，進行解碼識別，將其發(fā)送到相應終端模塊，終端模塊再實現(xiàn)相應操作。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主機模塊設計

主機模塊通過WiFi網(wǎng)絡實現(xiàn)用戶設備與主控設備的信息交互，并通過GSM網(wǎng)絡進行短信監(jiān)控。其硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要包括GSM模塊TC35i、無線傳感器模塊CC1101和ESP8266 WiFi模塊。

無線傳感模塊是基于TI/Chipcon公司生產(chǎn)的低成本高性能極低功耗的RF應用通信芯片CC1101，能工作在315 MHz、433 MHz、868 MHz 和 915 MHz的ISM（工業(yè)，科學和醫(yī)學）和 SRD（短距離設備）頻率波段，也可以通過設置改變其工作頻率。TC35i是德國西門子推出的GSM專用調(diào)制解調(diào)器，其數(shù)據(jù)接口通過AT指令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，支持Text和PDU兩種格式的短信，模塊通過串口與單片機相連，單片機可以通過AT指令實現(xiàn)對模塊的控制。HLK-RM04串口轉(zhuǎn)WiFi模塊是主機模塊是與手機連接的橋梁，模塊通過串口與單片機相連，并通過AT指令進行控制。液晶和按鍵是人機信息交互的窗口，便于用戶輸入信息和被控電話。

2.2 終端模塊設計

終端模塊主要完成以下兩個功能：

（1）對空調(diào)狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果預處理后傳遞給主機模塊。

（2）接受來自主機模塊和遙控器的控制命令，并根據(jù)指令控制空調(diào)的運行或反饋本模塊信息。其終端模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

溫濕度傳感器SHT10是一款數(shù)字復合傳感器，具有響應快、抗干擾強和性價比高等優(yōu)點，采用雙線串行接口與單片機通信?？諝赓|(zhì)量傳感器采用日本Figaro公司的TGS2600系列空氣質(zhì)量傳感器，對氣態(tài)的空氣質(zhì)量檢測有很高的靈敏度。

單片機16F1829接收來自溫度傳感器SHT10的溫度值，并與無線收到的溫度值相比較，通過PID改變電機功率來調(diào)節(jié)。采集空氣質(zhì)量傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)空氣質(zhì)量的好壞來改變風機轉(zhuǎn)速，完成空氣質(zhì)量的調(diào)節(jié)。

單片機接收來自CC1101無線傳感器的數(shù)據(jù)，解析收到的控制命令，實現(xiàn)啟動/關(guān)閉繼電器、工作模式轉(zhuǎn)換、設定溫度改變等操作。

3 軟件架構(gòu)設計

系統(tǒng)軟件設計包括對主機的WiFi模塊進行靜態(tài)IP地址和端口號配置、發(fā)送控制命令和接收數(shù)據(jù)信息，GSM模塊的入網(wǎng)，信息發(fā)送和接受及主機與終端CC1101無線傳感網(wǎng)絡的連接。

3.1 主機模塊軟件設計

主機模塊主要實現(xiàn)WiFi模塊進行靜態(tài)IP地址和端口號配置、發(fā)送控制命令和接收數(shù)據(jù)信息、GSM模塊的入網(wǎng)、信息發(fā)送和接收及CC1101無線傳感網(wǎng)絡的信息交互。主機模塊程序流程圖如圖4所示。

初始化后，系統(tǒng)提示用戶設置手機號碼、溫濕度報警上下限等，并將相應信息存儲到單片機Flash中，以后可以直接從Flash讀取用戶數(shù)據(jù)；完成用戶信息配置后，主機模塊對WiFi模塊進行靜態(tài)IP地址和端口號配置，使之連接到家庭無線路由器。若手機和WiFi處于同一個無線局域網(wǎng)，智能手機就能與之通信，發(fā)送控制命令和接收數(shù)據(jù)信息；向GSM模塊芯片TC35i發(fā)送握手命令，GSM聯(lián)網(wǎng)成功后，通過CC1101向各個終端發(fā)送握手指令，若各個終端模塊工作正常，則回復應答信號表示成功。系統(tǒng)正常啟動后，主機模塊開始監(jiān)聽來自WiFi和GSM網(wǎng)絡的用戶信息命令。當用戶向系統(tǒng)發(fā)送信息時，WiFi和TC35i通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控芯片，主控芯片提取并識別消息內(nèi)容，將其轉(zhuǎn)發(fā)給相應控制終端；同時，從各終端接收到溫濕度、空氣質(zhì)量信息后，通過CC1101發(fā)送到主機進行顯示，并通過WiFi網(wǎng)絡發(fā)送到手機進行顯示；若超過上下限值，則進行短信報警。endprint