基于物聯(lián)網(wǎng)技術的空調(diào)智能控制系統(tǒng)設計

周 蓓，沈 健，龔 旻

（常熟理工學院 計算機科學與工程學院，江蘇 常熟 215500）

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的空調(diào)智能控制系統(tǒng)設計

周 蓓，沈 健，龔 旻

（常熟理工學院 計算機科學與工程學院，江蘇 常熟 215500）

提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的空調(diào)智能控制解決方案，設計了以Arduino單片機為核心的智能控制器，實現(xiàn)了基于web和手機APP的節(jié)能管理和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng). 設計方案無需更改空調(diào)電路設計，實現(xiàn)成本低，具有較強的實用價值.

物聯(lián)網(wǎng)技術；空調(diào)智能控制；Arduino單片機

在學校、企事業(yè)單位的工作環(huán)境中，空調(diào)的開關和溫度設置主要依靠手動控制，特別是單體空調(diào)，分散在各處，可能由于疏忽而忘記關掉，空調(diào)的能耗往往無法控制，造成不必要的能源浪費. 如何對分布于不同房間的空調(diào)設備進行集中智能控制，從而控制用電成本是一個急需解決的問題. 針對以上情況，研究人員和技術人員提出了多種方案實現(xiàn)空調(diào)的聯(lián)網(wǎng)集中控制. 文獻［1］提出了使用計算機對空調(diào)進行集中控制，通過網(wǎng)絡向集中控制器發(fā)送信號，集中控制器通過RS232或RS485接口連接空調(diào)控制下位機的方法，但方案中只能單向傳輸控制信號，無法采集狀態(tài)信息，且存在布線和通信距離限制的問題. 文獻［2］提出了使用短信模塊TC35和單片機通過紅外線控制空調(diào)的方法，但難以適應大規(guī)模應用場景. 文獻［3］使用ZigBee技術對空調(diào)進行控制，具有組網(wǎng)方便的特點，但在狀態(tài)檢測和控制功能上不能滿足要求，且存在通信距離較短的問題. 文獻［4］提出了使用GSM通信和互聯(lián)網(wǎng)技術對空調(diào)進行遠程控制的方法，可對單個空調(diào)所在環(huán)境進行溫濕度、人體感應檢測，但尚未完全達到智能控制的目的.

本文在現(xiàn)有研究基礎上，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的空調(diào)智能控制方案. 可根據(jù)空調(diào)預設參數(shù)、季節(jié)以及當前溫度、濕度等運行參數(shù)對各個空調(diào)設備進行實時智能控制和報警，用戶可通過瀏覽器或移動設備隨時隨地對空調(diào)運行狀態(tài)進行查看和控制，達到節(jié)能低碳的目的.

1 系統(tǒng)總體設計

空調(diào)智能控制系統(tǒng)由智能無線控制器、遠程管理與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和手機APP組成. 智能無線控制器內(nèi)含無線通信模塊，通過傳感器獲取空調(diào)狀態(tài)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)經(jīng)企業(yè)內(nèi)部無線網(wǎng)絡傳輸?shù)竭h程管理與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)［5-7］. 系統(tǒng)可以通過預設的溫濕度等空調(diào)狀態(tài)參數(shù)對空調(diào)進行自動控制，用戶也可以通過手機APP或瀏覽器遠程查看并控制. 管理系統(tǒng)發(fā)送控制指令到智能控制器，控制器接收指令后，發(fā)射紅外編碼信號執(zhí)行控制指令，實現(xiàn)對空調(diào)的控制. 系統(tǒng)物理部署如圖1所示.

圖1 空調(diào)智能控制系統(tǒng)物理部署

圖2 空調(diào)智能控制器結構圖

2 硬件設計

作為系統(tǒng)控制核心模塊的空調(diào)智能控制器以Arduino單片機為核心，由傳感器模塊（溫濕度、熱釋紅外人體感應器、光敏電阻等）、執(zhí)行結構（紅外發(fā)射管）、WIFI通信模塊等組成. 控制器結構如圖2所示.

2.1 系統(tǒng)控制主板

系統(tǒng)采用具有USB接口的Arduino Mega2560單 片 機 開 發(fā)板，同時具有54路數(shù)字輸入/輸出口（其中16路可作為PWM輸出），16路模擬輸入，4路UART接口，一個16 MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕. 該主板使用方便，可以滿足空調(diào)控制系統(tǒng)的要求，同時具有較穩(wěn)定的性能.

2.2 傳感器模塊

系統(tǒng)傳感器模塊包括溫濕度傳感器、HC-SR501人體傳感器及光敏電阻. 其中，兩個溫度傳感器分別安裝在空調(diào)出風口和空調(diào)側(cè)面，通過采集到的溫度數(shù)據(jù)的差值，來判斷空調(diào)的開關狀態(tài)及制冷制熱狀態(tài). HC-SR50人體感應傳感器是基于紅外線技術的自動控制模塊，采用德國原裝進口LHI778探頭設計，靈敏度高，可靠性強. 通過HC-SR50可以感知室內(nèi)人員的流動情況，由此判斷空調(diào)是否處于無人空開狀態(tài).

2.3 執(zhí)行控制結構

系統(tǒng)采用紅外發(fā)射管負責執(zhí)行指令，根據(jù)遠程管理系統(tǒng)發(fā)回的紅外編碼對空調(diào)實施控制. 由于每個廠家空調(diào)的紅外協(xié)議不盡相同，因此實驗過程中采集遙控器的紅外信號之后使用邏輯分析儀進行分析. 分析得到的紅外信號協(xié)議、紅外原始編碼、空調(diào)品牌型號等可存入數(shù)據(jù)庫中，這樣系統(tǒng)可適應不同品牌型號的空調(diào)，具有很強的擴展性.

2.4 無線通信模塊

如圖3所示，系統(tǒng)采用ESP8266串口WIFI芯片，該芯片專門針對無線連接的需求而開發(fā)，是一個完整且自成系統(tǒng)的WiFi網(wǎng)絡解決方案. ESP8266可以配置成station、AP、station+AP 3種模式，在本文系統(tǒng)設計中將ESP8266配置成station模式，MCU將采集到的傳感器信號通過串口發(fā)送給串口WIFI模塊后經(jīng)無線網(wǎng)絡向Web服務器發(fā)出HTTP請求，同時獲取Web服務器的返回字符串以執(zhí)行相應指令.

圖3 系統(tǒng)框架圖

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

圖3給出了系統(tǒng)的總體架構，無線通信模塊和遠程管理與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)（下稱服務器）之間通過HTTP協(xié)議通信. 遠程管理與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)實際為一個Web服務器，提供了RESTful API供控制器和手機APP進行調(diào)用. 空調(diào)智能控制器通過傳感器感知的各種狀態(tài)信息定時通過RESTful API提交給服務器，由服務器負責數(shù)據(jù)處理和分析，并根據(jù)需要發(fā)送控制信息給空調(diào)智能控制器對設備進行控制，當發(fā)現(xiàn)設備異常（如長時間空運轉(zhuǎn)而無法控制）及時發(fā)送報警信息給用戶. 用戶可通過瀏覽器或手機APP登錄系統(tǒng)，查看設備運行狀態(tài)和實現(xiàn)管理控制. 服務器負責數(shù)據(jù)處理和返回控制信號協(xié)議和紅外編碼，空調(diào)智能控制器負責感知和控制而無需紅外編碼生成邏輯，整個系統(tǒng)適應性強.

3.1 控制工作流程

空調(diào)智能控制器通過無線網(wǎng)絡和服務器進行通信，控制器的通信模塊工作在TCP-Client模式，主動向服務器提交告知的設備狀態(tài)信息. 由于系統(tǒng)可同時控制多個設備，因此每個空調(diào)智能控制器均需設置惟一識別碼，記錄其管理的空調(diào)品牌、型號及房間位置等信息.

控制工作流程如圖4所示. 空調(diào)設備供電后，控制器通過無線網(wǎng)絡連接遠程服務器，定時向服務器發(fā)送設備惟一識別碼和狀態(tài)信息. 服務器接收到信息后，進行數(shù)據(jù)分析處理，并查詢該設備對應的紅外編碼指令，若有，則發(fā)回指令給控制器，控制器接收到指令，通過紅外發(fā)射管，完成對空調(diào)設備的控制.

3.2 遠程管理與數(shù)據(jù)分析

遠程管理與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)功能如圖5所示，流程如圖6所示.

設備數(shù)據(jù)分析功能負責將接收到的各個空調(diào)設備狀態(tài)數(shù)據(jù)進行存儲和分析，根據(jù)預設的空調(diào)狀態(tài)參數(shù)進行比較，從而判斷是否需要更改空調(diào)狀態(tài)，比如長時間空開需要關閉、空調(diào)溫度設置過高或者過低等，根據(jù)需要生成紅外指令、生成報警信息并發(fā)送回控制器，或發(fā)送報警信息給管理員. 另外，根據(jù)記錄的設備狀態(tài)信息，可統(tǒng)計空調(diào)開啟時長等信息，從而了解系統(tǒng)在節(jié)能控制方面帶來的效益.

設備數(shù)據(jù)查詢功能負責各個設備運行狀態(tài)的查詢和處理情況查詢.

紅外指令生成功能負責生成指定設備的紅外編碼控制指令.

報警信息生成功能負責根據(jù)設備狀態(tài)的調(diào)整控制情況，實時生成報警信息，可通過多種形式發(fā)送給設備管理員. 管理員通過瀏覽器或手機AP可及時收到相關設備的控制報警信息.

3.3 手機APP設計

手機APP實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢和管理，用戶可以通過手機查詢設備的狀態(tài)信息，由于不需要與服務器建立長連接，手機APP采用HTTP協(xié)議，數(shù)據(jù)表示采用JSON存儲結構，用戶通過手機客戶端實施設備控制，實際是將控制信息發(fā)送到服務器，由服務器生成紅外指令，再發(fā)送到空調(diào)智能控制器.

圖4 控制工作流程

圖5 服務器管理功能

圖6 遠程管理與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)流程圖

4 系統(tǒng)測試

在系統(tǒng)測試時，選擇了格力柜式空調(diào)作為測試對象，首先通過程序獲取空調(diào)遙控器紅外碼進行分析，其組成按解碼順序排列：起始碼（S）+35位數(shù)據(jù)碼+連接碼（C）+32位數(shù)據(jù)碼，數(shù)據(jù)碼由“0”“1”組成（見表1~表5）.

校驗碼的形成：校驗碼=［（模式-1）+（溫度-16）+5+左右掃風+換氣+節(jié)能］，取二進制后4位，再逆序；由此通過程序進行編碼，即可控制空調(diào)的各個運行狀態(tài).

分別對測試房間的空調(diào)進行了冷暖空調(diào)開啟狀態(tài)實驗，表6為系統(tǒng)測試運行存儲在數(shù)據(jù)庫中的部分狀態(tài)數(shù)據(jù). 其中進口溫度表示進風口溫度，出口溫度表示出風口溫度，人員狀態(tài)表示人體感應器返回數(shù)據(jù)，0表示無人，返回1表示有人；狀態(tài)表示空調(diào)的運行狀態(tài)，H表示制熱狀態(tài)，C表示制冷狀態(tài)；時間表示無人狀態(tài)下空調(diào)已運行時長（單位：分鐘）. 當運行時長超過10 min（預定參數(shù)），則發(fā)出報警信息，并自動發(fā)出關閉控制指令.

實驗結果表明，正常環(huán)境下空調(diào)控制器數(shù)據(jù)測量較穩(wěn)定，服務器可以正常接收到傳送的狀態(tài)信息，系統(tǒng)可以正常發(fā)出報警信息，用戶通過系統(tǒng)控制發(fā)出的紅外編碼可以實現(xiàn)對空調(diào)的控制，控制成功率在90%以上.

表1 前35位數(shù)據(jù)碼

表2 后32位數(shù)據(jù)碼

表3 模式編碼

表4 風速編碼

表5 溫度編碼

5 結論

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術和軟件技術相結合，依托現(xiàn)有的企業(yè)無線網(wǎng)絡，可以在不改變空調(diào)硬件電路的情況下實現(xiàn)對大量已存在的單體空調(diào)進行智能集中化控制. 達到了節(jié)能減排，降低行政辦公成本的目的. 設計的單片機控制器成本低，安裝方便，對分散的空調(diào)設備管理方便. 具有較好的實際應用價值.

表6 系統(tǒng)測試運行數(shù)據(jù)

［1］鄧旭. RS-232及RS-485總線在網(wǎng)絡空調(diào)控制系統(tǒng)中的應用［J］. 電力電子，2008（5）：50-52，31.

［2］帥晨，王長坤，胡慧，等. 基于TC35的智能遠程空調(diào)控制系統(tǒng)［J］. 測控技術，2015（2）：69-72.

［3］吳光榮，全劍敏，章劍雄. 基于ZigBee技術的空調(diào)控制系統(tǒng)［J］. 機電工程，2009（7）：11-13.

［4］趙亭. 基于GSM的智能空調(diào)控制系統(tǒng)設計［J］. 計算機測量與控制，2015（7）：2427-2428，2437.

［5］賓俊. 基于Arduino和Python搭建的實時在線pH測量平臺［J］. 計算機與應用化學，2013（3）：48-52.

［6］劉澤良.物聯(lián)網(wǎng)技術下基于Arduino的智能公交系統(tǒng)模型設計［J］.實驗技術與管理，2014（31）：140-143.

［7］宋錦遠. 基于CC3200的智能家電紅外控制系統(tǒng)設計［J］. 電子測量技術，2017（2）：117-120.

Abstract:The paper gives a solution to intelligent air conditioning based on IOT, the design of intelligent controller based on Arduino microcontroller. The data analysis and management control system are realized by means of a web browser and mobile app. It does not need to change the air conditioning circuit design and it has a good practical value.

Key words:the Internet of things; air conditioning intelligent control; Arduio microcontroller

The Design of Air Condition Intelligent Control System Based on the Internet of Things

ZHOU Bei，SHEN Jian，GONG Min
(School of Computer Science and Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China)

TP277；TP393

A

1008-2794（2017）04-0067-04

2017-05-21

周蓓，講師，碩士，研究方向：計算機應用技術，E-mail：327136379@qq.com.