智能型節(jié)能云溫控器的應(yīng)用與研究

陳芳

摘要：智能型節(jié)能云溫控器是智能家居的一種，其工作是基于云服務(wù)端，將采集到的酒店、旅館、公司、家庭的實(shí)時(shí)房間的溫度、濕度等數(shù)據(jù)上傳，然后通過固定的軟件、hpp、網(wǎng)頁(yè)連接云端，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反映在電腦、手機(jī)端，并可以通過電腦、手機(jī)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程操作、監(jiān)視或關(guān)閉中央空調(diào)、地?zé)?、加濕器等類型電器。?dāng)溫度、濕度達(dá)到設(shè)定范圍會(huì)自動(dòng)關(guān)閉或調(diào)整工作模式，減少能耗，達(dá)到自動(dòng)節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：智能；云溫控器；節(jié)能

中圖分類號(hào)：TP2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)2095-6363（2017）04-0082-01

1.智能型節(jié)能云溫控器的概念

智能型云溫控器是一種基于電腦終端或手機(jī)終端通過實(shí)時(shí)訪問云服務(wù)器端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制中央空調(diào)和其他電器的一種智能型產(chǎn)品。

在電腦或者手機(jī)端通過打開固定的程序或App或網(wǎng)頁(yè)，遠(yuǎn)程隨時(shí)監(jiān)控固定房間的實(shí)時(shí)溫度、濕度、空調(diào)、電熱電器（如地暖）的工作狀態(tài)，并控制中央或家用空調(diào)、加濕器、換氣扇、地?zé)岬入娖麟S時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制房間溫度、濕度。不管你是在旅行、出差途中、下班回家途中、白天還是黑夜，輕輕松松為自己或家人預(yù)備好舒適的房間溫度、濕度。對(duì)酒店、旅館等房間隨時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度、濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控或客人暫時(shí)離開自動(dòng)關(guān)閉空調(diào)等電器，冷暖隨心，節(jié)約用電。

智能云溫控器的溫限設(shè)置和節(jié)能功能，通過控制中央或家用空調(diào)，在夏天設(shè)置一個(gè)固定的最低溫度，冬天設(shè)置一個(gè)固定的最高溫度，當(dāng)氣溫達(dá)到該溫度后則空調(diào)停止運(yùn)行。在酒店、旅館等房間內(nèi)，夏天很多人喜歡把空調(diào)調(diào)到很低的溫度，冬天調(diào)至很高的溫度，空調(diào)一直處于制冷或制熱狀態(tài)，當(dāng)入睡后非常容易忘記調(diào)回來，夏天空調(diào)溫度調(diào)太低，室內(nèi)空氣會(huì)變干燥，人體對(duì)著空調(diào)吹也容易著涼，對(duì)身體造成不良影響，并且費(fèi)電，浪費(fèi)能源，粗測(cè)在夏天空調(diào)每調(diào)高一度可以節(jié)約電能10%左右。房間空間越大節(jié)約電能越明顯。冬天每調(diào)低2度可節(jié)約電能10%左右。從健康角度來看，夏天室內(nèi)室外溫差如果過大，當(dāng)從房間出來人體體溫調(diào)節(jié)中樞容易失衡，皮膚散熱功能下降，在陽光下容易中暑；人體舒適溫度為24℃～28℃，所以正常的室溫設(shè)置一般調(diào)至24℃～28℃為佳。調(diào)節(jié)合適的室溫，空調(diào)用電小了對(duì)電網(wǎng)沖擊也小了，用戶電費(fèi)也降低了。特別說明節(jié)能是針對(duì)空調(diào)等電器的使用中節(jié)約電能，溫控器本身也需要用電，耗電功率小于3w。

2.智能型節(jié)能云溫控器市場(chǎng)與應(yīng)用場(chǎng)所

隨著人們生活水平的提高，智能家居發(fā)展非常迅速，谷歌的NEST（智能溫控器），亞馬遜語音助手Alexa和智能音箱Echo正在智能家居扮演重要角色，在不久前的美國(guó)國(guó)際消費(fèi)電子CES展上，亞馬遜的Alexa更是無處不在，根據(jù)《2012-2020年中國(guó)智能家居市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)及投資機(jī)會(huì)分析報(bào)告》的預(yù)測(cè)，到2020年我國(guó)智能家居市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到3294億，年均增速保持在50%左右，具備充足的向上延伸空間。

智能型節(jié)能云溫控器作為智能家居的一員，面對(duì)家庭，酒店，旅館、公司等場(chǎng)所具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。2013年末，中科院大氣物理研究所研究員張仁健課題組與同行合作，對(duì)北京地區(qū)PM2.5化學(xué)組成及來源進(jìn)行分析。研究顯示，北京PM2.5有6個(gè)重要來源，分別是土壤塵、燃煤、生物質(zhì)燃燒、汽車尾氣與垃圾焚燒、工業(yè)污染和二次無機(jī)氣溶膠，其中燃煤占比約18%。燃煤污染，對(duì)霧霾天氣的形成產(chǎn)生了巨大的影響。為了減少冬季燃煤污染，改善空氣質(zhì)量，我國(guó)北方許多城市開始推廣“煤改電”“煤改氣”。“煤改電”即指居民供暖由煤熱式改為電熱式。隨著“煤改電”的深入，有必要保證供暖的同時(shí)又能節(jié)約用電（節(jié)約用電的意義很多，減輕國(guó)家電力負(fù)擔(dān)，家庭、企業(yè)減少電費(fèi)支出等）智能型節(jié)能云溫控器完全能滿足該功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫控又能節(jié)能。

在酒店、旅館、公司等場(chǎng)所，中央空調(diào)的電費(fèi)開支是一個(gè)比較大的項(xiàng)目，在客人休息睡覺后，往往忘記將室溫調(diào)至一個(gè)合適的范圍，空調(diào)一直強(qiáng)制工作在制冷或制熱狀態(tài)，這對(duì)身體并無好處，人睡著后人體各種功能會(huì)下降，免疫力會(huì)降低易，室溫太低或太高，容易誘發(fā)腸胃病、感冒、心臟病等疾病，智能型云溫控器能夠通過WiFi連接云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制室溫，在客人休息或離開后調(diào)節(jié)一個(gè)適合的室溫（24℃～28℃）或者暫時(shí)關(guān)閉空調(diào)，即達(dá)到節(jié)能又能保證客人有一個(gè)舒適的室溫。

3.智能型節(jié)能云溫控器的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)溫控器的遠(yuǎn)程操控，那么先要了解下溫控器工作過程。進(jìn)行遠(yuǎn)程控制時(shí)Pc機(jī)、手機(jī)聯(lián)網(wǎng)后，打開專用網(wǎng)頁(yè)或軟件進(jìn)行手動(dòng)或者一鍵快捷設(shè)置好各個(gè)數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)與命令上傳至云端。溫控器通過WiFi自動(dòng)從云端下載溫度、濕度等數(shù)據(jù)與控制命令并存儲(chǔ)起來，與實(shí)時(shí)采集到的房間溫度、濕度數(shù)據(jù)比較，操控相應(yīng)電器工作。無遠(yuǎn)程控制時(shí)，可通過手動(dòng)設(shè)置溫、濕度等數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)與設(shè)置好的數(shù)據(jù)對(duì)比，用來控制空調(diào)、地?zé)?、加濕器等電器工作，?shí)現(xiàn)溫、濕度控制。在兩種控制方式中，采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)都上傳云端，Pc機(jī)或手機(jī)可讀取該數(shù)據(jù)后顯示當(dāng)前房間溫度、濕度，電器工作狀態(tài)。

按照工作過程以穩(wěn)定可靠性、價(jià)格、開發(fā)周期為優(yōu)先，部分功能采用模塊，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)：硬件電路功能與模塊選?。弘娫矗盒枰峁乜仄鞴ぷ魉桦娫?，安全可靠、簡(jiǎn)單、高效率，功率小于3W。BUCK BOOST隔離型電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠，成本較低，電路成熟，市場(chǎng)上有很多家公司生產(chǎn)此類電源芯片。可選取帶MOS管的芯片，比如美國(guó)PI公司的TOPswitch系列芯片，電路簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，自動(dòng)保護(hù)功能齊全，集成度高。TOP221加上一些簡(jiǎn)單的外圍電路與變壓器就能搭建一個(gè)可靠的高效率反激開關(guān)電源。通過PI公司的PI EXPERT軟件可自動(dòng)生成圍繞TOP221的電源方案，交互式電路原理圖，物料清單，電路板布局建議以及詳細(xì)的電器參數(shù)表，完整的變壓器設(shè)計(jì)，磁芯尺寸、線圈匝數(shù)、線材規(guī)格、并饒線數(shù)等。

微控制器：嵌入是系統(tǒng)應(yīng)用的核心，需要有提供足夠多的端口。溫控器功能相對(duì)來說比較少，操作比較簡(jiǎn)單，價(jià)格與技術(shù)支持和難易程度角度出發(fā)，選用ARM內(nèi)核優(yōu)先。STM32F103RCT6（Cotex M3）基于ARM核心的CPU，提供最多達(dá)51個(gè)的控制接收端口，具有USB2.0，CAN，7個(gè)定時(shí)器，2個(gè)ADC，9個(gè)通訊接口，芯片有96位的唯一代碼，價(jià)格較低，48K*8的RAM、256K*8FLASH足夠滿足溫控器的應(yīng)用。

外設(shè)：溫、濕度傳感器，采集室內(nèi)空氣溫度與濕度存入CPU或EEPROM，選用DHT11溫濕度模塊，其濕度測(cè)量20%～95%（0～50℃）溫度0～50℃價(jià)格低廉、可靠，房間溫度與濕度均在此范圍內(nèi)。WiFi，連接云服務(wù)端，上傳采集到的各種數(shù)據(jù)并從云端下載實(shí)時(shí)控制命令或遠(yuǎn)程更新，需要簡(jiǎn)單可靠低功耗物美價(jià)廉，ESP12F為工業(yè)級(jí)無線透?jìng)髂K性能穩(wěn)定，技術(shù)支持全面滿足溫控器應(yīng)用。藍(lán)牙，與帶藍(lán)牙功能的電器，如加濕器、換氣扇等連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，HC-06是主從一體化藍(lán)牙串口模塊，采用CSR主流藍(lán)牙芯片支持藍(lán)牙V2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，體積小巧，功耗低傳輸距離8m左右，價(jià)格低廉，在溫控器中采用主機(jī)模式可搜索帶藍(lán)牙功能的加濕器等電器。紅外感應(yīng)器，判斷房間是否有人，此功能為可選，預(yù)留HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊接口與RD624電路。紅外遙控接收發(fā)射，學(xué)習(xí)家用空調(diào)遙控器或帶紅外控制的其他電器的遙控，如電視機(jī)等，此功能可選，安裝有方向與距離要求，預(yù)留紅外發(fā)射與接收電路。高、中、低三檔自動(dòng)檔位切換控制電路，連接中央空調(diào)、地?zé)岬葞в袡n位連接線的電器，需要有足夠的帶負(fù)載功率，從可靠性與價(jià)格出發(fā)優(yōu)先采用繼電器切換檔位其次用雙向可控硅。LCD或TFT顯示屏，人機(jī)對(duì)話窗口，顯示房間溫濕度、時(shí)間、溫控器狀態(tài)等，為減輕CPU開銷，可采用串口、SPI口顯示屏。按鍵，手動(dòng)調(diào)節(jié)，切換，和顯示屏聯(lián)動(dòng)，按要求功能4～5個(gè)輕觸按健或采用光電發(fā)射開關(guān)。

外殼尺寸控制在86、120、118系列墻上插座大小以內(nèi)方便安裝。

軟件功能分類與需求：下位機(jī)端（嵌入式系統(tǒng)）按任務(wù)劃分大概有：采集溫濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，暫存在RAM，比對(duì)設(shè)置在EEPRO？vl中的數(shù)據(jù)是否正常；藍(lán)牙以主機(jī)模式搜索并根據(jù)對(duì)比結(jié)果控制相應(yīng)的藍(lán)牙型電器；WiFi實(shí)時(shí)在線，斷線重連，保證數(shù)據(jù)交換通暢；紅外人體感應(yīng)，受遠(yuǎn)程與面板設(shè)置執(zhí)行開啟或關(guān)閉；紅外編碼學(xué)習(xí)，受面板控制進(jìn)入學(xué)習(xí)模式或遙控模式，遙控模式可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；中央空調(diào)、地?zé)岬入娖鏖_啟、檔位切換與關(guān)閉，受面板與遠(yuǎn)程控制；顯示驅(qū)動(dòng)，顯示溫濕度WiFi時(shí)間等相關(guān)信息；按鍵判斷；實(shí)時(shí)時(shí)鐘，含時(shí)鐘校對(duì)?；跁r(shí)間片、中斷或采用嵌入式操作系統(tǒng)如UCOS來管理。

上位機(jī)端（電腦或手機(jī)）開發(fā)Pc機(jī)軟件、手機(jī)App，瀏覽器，連接固定云服務(wù)器端，實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)、發(fā)送相關(guān)指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。