基于Arduino和巴法云平臺的遠(yuǎn)程空調(diào)控制系統(tǒng)

夏亮

五邑大學(xué) 廣東 江門 529020

引言

全球氣候變暖，夏季越發(fā)炎熱，隨著城市化的加快和中國人生活水平的持續(xù)提高，人們從追求溫飽到追求生活品質(zhì)[1]，空調(diào)成為避暑的不二之選。特別是對于多汗人群，只要一離開空調(diào)就汗流浹背，而一直開著空調(diào)可以把室內(nèi)控制在一個恒定的溫度，讓人感覺更舒適。傳統(tǒng)的空調(diào)控制通過遙控器短距離控制，當(dāng)超出有效距離即無法控制，且只有手動開啟空調(diào)才能維持室內(nèi)溫度。恰逢智能家居興起，聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制成為人們大力追捧的方向，傳統(tǒng)的家居物聯(lián)網(wǎng)需要自行搭建服務(wù)器，無疑開發(fā)難度大、花費(fèi)成本高。面對這些不足，本文采用易開發(fā)維護(hù)的Arduino，同時利用家中現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境輔以模塊化的傳感器及WIFI模塊，將數(shù)據(jù)儲存在開放的云平臺上，使用者可以隨時隨地控制空調(diào)及監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境信息，且無須手動開啟空調(diào)維持舒適溫度，從而有效地降低成本、節(jié)約資源。

1 系統(tǒng)整體方案

本遠(yuǎn)程空調(diào)控制系統(tǒng)的主要功能是能夠根據(jù)室內(nèi)外溫度變化遠(yuǎn)程智能控制空調(diào)，若用戶開啟溫控模式，空調(diào)會智能控制室內(nèi)溫度維持恒定。整個系統(tǒng)分為控制端、云端及用戶端三部分?？刂贫擞葾rduinoUNO為主控，搭配DHT11實現(xiàn)對環(huán)境溫濕度的捕獲[2]；HC-SR501檢測環(huán)境是否有人，若環(huán)境有人且室溫超過預(yù)設(shè)閥值則自動開啟空調(diào)；VS1838B和3mm紅外發(fā)射管遙控空調(diào)；ESP8266聯(lián)網(wǎng)建立與路由器的通信，并通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至云平臺以供用戶實時查看并控制。云端使用巴法云在用戶端和控制端之間建立通信，并儲存數(shù)據(jù)以供用戶端調(diào)用查詢。用戶端則基于微信小程序?qū)崿F(xiàn)交互功能，具備遙控，查詢等實用功能。該系統(tǒng)適合居家使用以及需要溫控的場景。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控模塊

主控模塊使用以Atmega328p為處理器，串口芯片為CH340的創(chuàng)客Arduino主板，主板所有的IO口用2.54排針引出，無須再添拓展板。其編程語言類似C/C++，具有模塊化、跨平臺、簡單、清晰、開放性等優(yōu)勢，利于后期維護(hù)以及模塊化設(shè)計,近年來廣受電子愛好者的追捧[3]。

2.2 傳感器檢測模塊

2.2.1 溫度采集模塊采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。量程濕度為5%到95%RH，溫度-20℃到+60℃，此溫濕度量程可適用于多場景。傳感器含有溫濕度復(fù)合傳感器，輸出已校準(zhǔn)數(shù)字信號。它采用專用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)來保證測溫準(zhǔn)確，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。它包括一個電阻式濕敏元件和一個NTC熱敏元件，且搭配一個高性能8位單片機(jī)。因而具有快響應(yīng)、強(qiáng)抗干擾能力、高性價比等優(yōu)勢[4]。

2.2.2 人體傳感模塊采用HC-SR501被動紅外探測器。HCSR501有3個輸出引腳分別是輸出，VCC和接地，它內(nèi)包含穩(wěn)壓器，因此可以通過4.5-20V的任何DC電壓（通常使用5V）供電。當(dāng)工作時自動感應(yīng)，有無人進(jìn)入感應(yīng)范圍所得出的電平不一致，可通過電位變化區(qū)分，若有人則高電平，反之則低電平。它的低功耗，低成本，耐用可靠，具有寬廣的鏡頭范圍，易于連接并且在電子愛好者中非常受歡迎。

2.2.3 紅外遙控模塊采用VS1838B和3mm紅外發(fā)射管組合。VS1838B內(nèi)含高速高靈敏度PIN發(fā)光二極管和低功耗、高增益前置放大IC，同時采用環(huán)氧樹脂封裝外加外屏蔽抗干擾設(shè)計，在紅外遙控模塊中充當(dāng)接收器使用，可在2.7-5.5V下工作，具有低功耗、寬工作電壓，強(qiáng)抗干擾能力等優(yōu)勢，適用于控制多種家電產(chǎn)品。其電路如圖2所示

圖2 VS1838B電路圖

2.3 傳輸模塊

傳輸模塊采用ESP8266物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi芯片。它可以獨(dú)立作為一個核心控制板控制傳感器，或作為一個傳感器實現(xiàn)Wi-Fi功能，當(dāng)它在自己搭載應(yīng)用并作為系統(tǒng)唯一的核心控制板時，能夠直接啟動于外界閃存，內(nèi)置的高速緩沖儲存器有效降低了系統(tǒng)的內(nèi)存需求，提高了系統(tǒng)的性能。當(dāng)他作為傳感器實現(xiàn)Wi-Fi功能時，可以搭配任意核心控制板，連接簡單可靠性高，只要從SPI/SDIO接口或AHB中央處理器橋接口連接即可[5]。ESP8266的高集成度決定了其僅需要少量的外部電路，極大地減少了占用的PCB空間，可使得整體系統(tǒng)的空間利用率提高。在本系統(tǒng)中ESP8266作為傳感器實現(xiàn)Wi-Fi功能，建立控制端與云端的通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 云端設(shè)計

云端采用巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺，它支持TCP創(chuàng)客云、MQTT設(shè)備云、圖儲存等多模式的數(shù)據(jù)交互，可多種環(huán)境下兼容使用。官方提供詳細(xì)支持文檔，有利于開發(fā)者短時間內(nèi)部署應(yīng)用，將萬物互聯(lián)的概念快速融入產(chǎn)品中。用戶只需在官網(wǎng)注冊賬號即可進(jìn)入平臺部署項目，部署流程如圖3所示。創(chuàng)建完成之后保存主題名、端口、私鑰，以便程序設(shè)計時按照接入文檔調(diào)用。

圖3 部署流程

3.2 控制端程序設(shè)計

Arduino核心控制板通電后，Arduino、各個傳感器以及Wi-Fi模塊初始化，經(jīng)串口傳輸AT指令給ESP8266物聯(lián)網(wǎng)芯片，通過檢測返回值保障ESP8266與巴法云服務(wù)器的正常通信，并根據(jù)巴法云平臺提供的API和各類參數(shù)（包括網(wǎng)址、密匙、端口、設(shè)備ID等），將其按照接入文檔所示格式封裝成鏈接請求包，對室內(nèi)溫度進(jìn)行采集、上傳及接受云端發(fā)出指令，控制相應(yīng)的感應(yīng)器進(jìn)行工作。溫濕度數(shù)據(jù)采集后儲存在變量temperature和humidity中，然后通過MQTT協(xié)議以字符串形式上傳采集數(shù)據(jù)至云端；人體傳感數(shù)據(jù)通過傳感器檢測，若有人則輸出高電平，然后通過MQTT協(xié)議上傳數(shù)據(jù)，云端接收到高電平即通過微信通知用戶有人在室內(nèi)；紅外遙控模塊只需要通過ESP8266Wi-Fi模塊將MQTT協(xié)議的Connetct（連接云端）控制報文連接至巴法云平臺，再利用Subscribe（訂閱主題）控制報文接收微信交互端對云端發(fā)布的指令，當(dāng)微信交互端Publish（發(fā)布）控制報文給云端時，ESP8266從云端接收到數(shù)據(jù)并傳輸給Arduino，經(jīng)過Arduino對數(shù)據(jù)的指令判斷并分離指令中的參數(shù)id，然后再將參數(shù)傳送給紅外模塊，再由紅外模塊根據(jù)讀取參數(shù)的不同執(zhí)行對應(yīng)的預(yù)設(shè)空調(diào)控制指令[6-7]。

3.3 微信交互端

微信交互端采用的是微信小程序，微信小程序采用Javascript，Wxss，Wxml作為前端框架，它不限制打開設(shè)備或多終端使用，一端多用，免去了開發(fā)者在面對不同客戶端的開發(fā)困難。僅需要在微信公眾平臺（https://mp.weixin.qq.com/）[5]注冊成為用戶后，開啟開發(fā)者模式，在開發(fā)者管理設(shè)置中添加Request合法域名https://api.bemfa.com（巴法云數(shù)據(jù)調(diào)用地址1）、https://bemfa.com（巴法云數(shù)據(jù)調(diào)用地址）[8]、https://www.tianqiapi.com（天氣API調(diào)用地址），以供小程序獲取當(dāng)前所在地的天氣及溫度，同時提供近七天的天氣預(yù)報和穿衣建議。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

設(shè)計好后，將編寫好的控制端代碼燒錄進(jìn)Arduino中，小程序代碼上傳至微信公眾平臺，并將控制端安裝放置在距掛壁式空調(diào)3米處避免直吹，在微信小程序中按下空調(diào)開關(guān)按鈕空調(diào)隨即被開啟，按下空調(diào)開關(guān)按鈕隨即被關(guān)閉，此時走出房間再走進(jìn)來，讓紅外模塊感應(yīng)到人的存在，空調(diào)隨即開啟，經(jīng)過多次測試溫度測量值與實際誤差在±0.5℃；濕度值誤差在3%-5%RH之間；紅外遙控模塊隨按隨開，但偶爾會有網(wǎng)絡(luò)延遲，總體誤差小，測量值較為準(zhǔn)確，可靠性高。

5 結(jié)束語

本文研究的遠(yuǎn)程空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計，利用ESP-8266Wi-Fi物聯(lián)網(wǎng)模塊、巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺和Arduino與多項傳感器結(jié)合實現(xiàn)智能物聯(lián)網(wǎng)功能。采集室內(nèi)溫濕度、人體感應(yīng)、通過算法智能控制室內(nèi)溫度恒定、紅外控制空調(diào)，以達(dá)到不在家仍能了解家中情況，根據(jù)室內(nèi)外溫度智能開啟空調(diào)，控制室內(nèi)溫度恒定等功能，以達(dá)到有效的合理利用空調(diào)，提高居家舒適度，滿足用戶的需求。該系統(tǒng)通過適配可使用其他具備紅外通信的傳統(tǒng)家用電器，以實現(xiàn)在傳統(tǒng)家用電器基礎(chǔ)上云接入智慧物聯(lián),從而具備了一定的普適性。