基于STM32的臥室空調智能控制系統(tǒng)設計

摘 要：為合理有效地控制臥室空調，達到節(jié)能減排，改善睡眠環(huán)境的目的，該文設計一款基于STM32的空調智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32F103C8T6為主控器，通過溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳傳感器采集臥室內外的環(huán)境參數，并與主控器設定的參數比較，根據控制策略，輸出紅外遙控指令控制空調和風扇的關停及直接控制開窗器的開啟，達到令人舒適的空調關停，該系統(tǒng)還可通過WIFI模塊實現手機對系統(tǒng)參數的顯示設定。調試運行結果表明，在室外溫度低于空調制冷溫度時，系統(tǒng)能協(xié)調控制空調、風扇、開窗器的關開，實現讓人舒適的平緩過渡空調關停控制，具有很好的節(jié)能及換氣效果。

關鍵詞：STM32；空調控制；WIFI；物聯(lián)網；人體舒適度

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0120-05

Abstract： In order to reasonably and effectively control bedroom air conditioning， achieve energy saving and emission reduction， and improve sleep environment， an intelligent air conditioning control system based on STM32 is designed in this paper. The system takes STM32F103C8T6 as the main controller， collects the environmental parameters inside and outside the bedroom through temperature sensor， humidity sensor and carbon dioxide sensor， and compares them with the parameters set by the main controller. According to the control strategy， the system outputs infrared remote control instructions to control the shutdown of the air conditioner and fan and directly control the opening of the window opener to achieve a comfortable air conditioning shutdown. The system can also realize the display and setting of the system parameters by the mobile phone through the WIFI module. The debugging and operation results show that when the outdoor temperature is lower than the air conditioning refrigeration temperature， the system can coordinate and control the turn-off of the air conditioner， fan and window opener， and realize the comfortable smooth transition air conditioning shutdown control， which has a good effect of energy saving and air exchange.

Keywords： STM32; air conditioning control; WIFI; Internet of things; human comfort

隨著空調的大力普及，現如今幾乎挨家挨戶的臥室都安裝有空調，中學、大學的學生宿舍也都安裝了空調，在酷熱的天氣給人們帶來整夜的涼爽。然而，空調在給人們消暑納涼改善睡眠環(huán)境的同時，卻也帶來了大量的電能消耗及長時間封閉臥室導致的空氣質量下降[1]，尤其是學校里多人同寢的學生宿舍。部分地區(qū)或大部分地區(qū)的某些季節(jié)存在早晚溫差較大的問題，即環(huán)境溫度在白天的時候很高，在凌晨至清晨的時候又降到較低，然而人們在睡前溫度還沒有降下來，如果睡覺時打開空調，一般會打開一整晚，這就會存在后半夜氣溫下降時還開著空調的情況。所以針對以上存在的問題，本文設計了一款基于STM32芯片的臥室空調智能控制系統(tǒng)，在早晚溫差較大的時候或室內空氣質量較差時，能自動實現空調的關停過程或換氣，為臥室空調的節(jié)能減排應用及空氣質量改善提供低價可行的方案。

1 系統(tǒng)組成及硬件設計

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)整體組成如圖1所示，主要包含帶控制APP的智能手機、臥室空調、臥室風扇及以STM32芯片為核心的智能控制器4部分。

智能手機在系統(tǒng)中的作用主要是完成人與控制器之間的人機交互，首先通過ESP8266 WIFI模塊可建立智能手機與控制器之間的無線連接，然后通過專門為本系統(tǒng)設計的手機APP，用戶即可在手機上很方便地完成控制器的參數設定，以及觀看系統(tǒng)的運行狀態(tài)[2]。

臥室空調及臥室風扇是智能控制器的控制對象，它們都是帶紅外遙控的電器。控制器通過紅外發(fā)射模塊，發(fā)射遙控指令控制空調和風扇的各種動作，如開關、風量調節(jié)等。

智能控制器是以STM32芯片為核心，其主控板上主要包含了智能控制器的主控芯片及鋰電電源系統(tǒng)，圍繞主控板還有各種輸入、輸出外設電路。其中輸入包含室內外溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳傳感器、按鍵輸入及紅外接收，傳感器主要用于檢測各項環(huán)境參數，按鍵輸入用于對系統(tǒng)參數的按鍵設定，紅外接收用于遙控學習時的紅外信號接收；輸出包含紅外發(fā)射、開窗器、換氣扇和OLED顯示屏，紅外發(fā)射用于發(fā)射紅外遙控信號控制空調和風扇，開窗器用于控制臥室窗戶的開關，換氣扇安裝在窗上用于加速室內外空氣的流通，OLED顯示屏用于顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)。另外，主控板還連接有ESP8266模塊，主控芯片通過該WIFI模塊實現與手機APP的數據交互。在系統(tǒng)正常工作時，用戶可通過手機APP完成對系統(tǒng)參數的設定和查看系統(tǒng)運行狀態(tài)。

STM32核心主控板周期性采集各傳感器的數據，并與系統(tǒng)設定的參數進行比較，根據程序設計的控制策略，輸出相應指令控制空調、風扇、開窗器和換氣扇，從而達到實現室內空氣較差時開窗換氣，又或室外氣溫降低時自動關閉空調，開窗，開風扇吹風降低空調突然關閉對人體舒適度造成的影響。

1.2 系統(tǒng)硬件設計

1.2.1 主控芯片選型

結合項目多樣的外設輸入的需要，以及STM32的型號廣泛可供選擇，豐富外設支持，具備成熟的生態(tài)系統(tǒng)，支持廣泛的開發(fā)工具和環(huán)境，以及良好的可靠性和穩(wěn)定性的特點，本系統(tǒng)采用STM32F103C8T6作為主控芯片。該型號可滿足系統(tǒng)設計要求，可為項目提供穩(wěn)定、靈活、高性能的控制解決方案。

1.2.2 電源模塊設計

在系統(tǒng)的整體組成中，不同功能模塊使用的電源電壓并不相等，開窗器及換氣扇功率較大，選用直流24 V電源，而其他部分使用直流5 V電源。如圖2所示，由于24 V驅動電機在工作時容易產生干擾，故選用具有變壓器隔離的24 V、5 V隔離直流電源，從源頭上隔絕驅動電路與控制電路的電氣連接，消除由電磁干擾對系統(tǒng)正常運行的影響。

1.2.3 開窗器模塊設計

開窗器選用現成的機械結構，通過控制直流減速電動機的正反轉來驅動窗戶的開啟或關閉，在窗戶完全關閉或打開時在相應位置都有干簧管用于檢測限位信號反饋給主控芯片，電機選用直流24 V的電機，電機的正反轉控制通過如圖3所示的電路實現，其中W1與W2分別接到主控芯片引腳，默認W1、W2都輸出高電平，電機未通電不轉，當W1低電平、W2高電平時，繼電器K1線圈得電，其常開觸點吸合，電機M1接通電源開始轉動；當W2低電平、W1高電平時，電機反接電源，開始反向轉動。D1、D2、D3在電路中起到續(xù)流保護作用。

1.2.4 換氣扇模塊設計

換氣扇電動機選用工作電壓為直流24 V的無刷電機，無刷電機兼具壽命長、噪聲低、功耗小和控制簡單等優(yōu)點，在散熱及通氣應用方面具有其他電機無法比擬的優(yōu)勢。換氣扇的控制電路如圖4所示，控制芯片輸出低電平到W3端即可控制換氣扇通電工作，W3高電平時停止工作。

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件主要由主控芯片軟件及智能手機端APP軟件2部分組成，主控芯片的程序主要包括主程序及紅外遙控程序。

2.1 系統(tǒng)主程序設計

主控芯片上的主程序主要完成系統(tǒng)的自動及手動控制功能。其詳細的控制流程如圖5所示。

系統(tǒng)上電開始之后，首先進行一系列的初始化工作，確保相應的輸入輸出都做好了正確配置。接下來是讀取相應傳感器的數據，并上傳至手機APP，然后是工作模式的判斷，工作模式由模式變量決定，模式變量的修改通過手機APP完成，變量值為0表示系統(tǒng)停止運行狀態(tài)，變量值為1表示進入自動運行狀態(tài)，變量值為2表示進入手動運行狀態(tài)。在手動運行狀態(tài)下，可通過手機APP上的按鍵分別控制空調、風扇、換氣扇和開窗器的打開及關閉。在自動運行狀態(tài)下， 首先將室外溫度與室內溫度進行比較，當室外溫度小于設置溫度時，關閉空調，打開窗戶及風扇；接著是判斷室內溫度與設置溫度的差值，當差值小于0.5 ℃時，說明室內溫度很接近設置的制冷溫度，這時關停風扇，當差值大于0.5 ℃時，說明室內溫度明顯高于設置的制冷溫度，這個時候又分成0.5～1、1～2、大于2 ℃ 3種情況，差值越大，打開風扇的檔位就越大；再接著是分別判斷檢測的二氧化碳和濕度值與設置值的比較，當二氧化碳檢測值大于設置值時，說明室內空氣質量變差，這時候就需要系統(tǒng)控制短暫的開窗，開換氣扇換氣改善室內空氣質量[3]，當濕度檢測值大于設置值時，說明室內濕氣過大，需要調大一檔風扇以改善人體的舒適度[4]。

綜上，整個自動控制過程，程序通過輸入傳感器采集信號并控制策略結合，根據人體對溫濕度的人體舒適度，以及人體夜晚睡眠過程人體溫度變化及對溫度的敏感情況，動態(tài)調整空調關閉，窗戶打開，還有風扇的開啟和檔位調整，保證在自動關閉空調的同時還可兼顧人體舒適度。

2.2 紅外遙控學習程序設計

針對市面上的不同品牌、不同型號空調及風扇，其紅外遙控編碼協(xié)議多種多樣，如果采用預存遙控編碼的形式，不僅無法做到面面俱到，同時大量的預存編碼在占用大量的存儲空間的同時也給用戶的選擇設置帶來很大困擾。所以本系統(tǒng)的紅外遙控設計采用了部分預存編碼結合紅外遙控學習的方式實現對空調和風扇的紅外遙控控制。而學習型紅外遙控又有協(xié)議識別型和波形存儲型2類[5]，考慮到協(xié)議識別型覆蓋范圍有限，本設計采用的是波形存儲型的紅外遙控學習方式，即通過識別存儲相關空調及風扇的紅外遙控器發(fā)射出的波形，控制器再發(fā)射出相同波形的紅外，即可控制相關的電器。紅外遙控學習流程如圖6所示。

2.3 智能手機端APP設計

本系統(tǒng)智能手機端App的設計采用App Inventor完成。App Inventor最早是由谷歌開發(fā)的一款圖形化編程工具，旨在幫助非專業(yè)開發(fā)者輕松創(chuàng)建Android應用程序。它提供了一個直觀的用戶界面，使用戶無須編寫復雜的代碼，即可設計和構建功能強大的應用程序。用戶可以通過拖放組件、連接模塊定義應用程序的行為，同時還可以使用各種傳感器、存儲和網絡功能增強應用程序的功能。App Inventor被廣泛應用于教育、創(chuàng)客、個人開發(fā)者領域，為這些領域提供了一個簡單易用的平臺，讓這些領域可以快速實現自己的移動應用創(chuàng)意。

如圖7所示，手機APP共設計了3個界面，分別是主界面、手動運行界面、參數設置界面。其中主界面主要包含WIFI連接、控制器運行狀態(tài)選擇、系統(tǒng)運行參數顯示3部分。最上面的WIFI連接是整個APP能正常工作的前提，在初始進入APP時，手機與控制器ESP模塊并未建立連接，這時的連接狀態(tài)顯示紅色的“斷開連接”，在IP地址與端口處填入相應的地址與端口，然后再點擊連接，當連接狀態(tài)顯示藍色的“連接成功”字樣，則表示手機已經連上了控制器WIFI，這個時候就可以進行下一步的操作。再往下是控制器運行狀態(tài)的選擇，點擊啟動自動運行、進入手動運行、停止運行按鈕，可分別使系統(tǒng)進入自動運行模式、手動運行模式、停止運行模式。

自動運行模式與停止運行模式選中時，都會停留在主界面，當點擊進入手動運行模式時會跳轉到控制器的手動運行界面，在手動運行界面中，所有輸出設備均可通過單擊右邊的打開、關閉按鈕直接控制開關功能。

如果想對控制參數進行修改，則可點擊主界面左下角的修改參數按鈕，進入參數設置界面，完成對系統(tǒng)各控制參數的修改，包括有關控制決策的空調關機溫度、濕度閾值、二氧化碳閾值，直接點擊文本輸入框輸入相關數值。此外，空調和風扇的紅外遙控設置也是在該界面完成，可分別在列表選擇框中選擇對應的品牌空調或風扇，如果列表中沒有的品牌可選中其他進行紅外遙控學習。如圖7（c）所示，當選擇空調列表框中的品牌空調時，不會顯示右邊的控制按鈕，而當選中風扇列表框中的其他時，則會彈出右邊的相關控制按鈕，這個時候點擊開始學習按鈕，則會彈出對話框要求拿遙控器對著控制器紅外接收模塊發(fā)射紅外控制信號，然后再點擊界面上的開/關，則保存學習的紅外遙控波形至開/關按鈕處，點擊相應按鈕可以測試學習的紅外遙控是否有效。

3 系統(tǒng)調試與測試

3.1 系統(tǒng)調試

首先是單獨對各項功能進行測試，包括參數設定、鍵盤輸入、手動運行控制和紅外遙控學習等。

其次，獨立功能測試沒問題之后接著對系統(tǒng)進行聯(lián)合功能調試，在這一測試階段，可人為地直接干預各輸入值，以快速驗證系統(tǒng)各項功能及程序設計是否正確。

3.2 系統(tǒng)運行測試結果分析

在前面對各功能測試沒問題之后，最后是空調自動控制系統(tǒng)的實地測試，把控制器放到真實應用場景中，實地測試系統(tǒng)的應用效果。

該系統(tǒng)的測試，以海口市某天為例。3—4月份的?？跉鉁刈兓秶鸀?4～33 ℃，晝夜溫差較大，人體睡眠合適溫度（26 ℃）[6]也在溫度的變化范圍之內。在夜晚睡覺時首先打開空調，把制冷溫度調到26 ℃，然后啟動該自動控制系統(tǒng)，隨后觀測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，從當天 22點開始每隔6 min觀測一組室內外的溫度，一直觀測到第二天早晨7點，如圖8所示為觀測一夜受控的臥室其室內外溫度的變化過程。由圖8可知，室外溫度在睡前高于26 ℃并隨著夜深逐漸降低到25 ℃左右，而室內溫度在打開空調前接近29 ℃，在打開空調后快速下降，在18 min后已經降到了25 ℃左右，22：30系統(tǒng)檢測到室外溫度低于26 ℃，系統(tǒng)自動關閉空調并且打開窗戶，這時室內溫度低于26 ℃，風扇并沒有啟動，在空調關停后室內溫度逐漸上升，22：42室內溫度達到26.2 ℃，這時風扇被啟動，隨后室內溫度逐步上升，最后達到27.2 ℃左右。

表1為不同時間段的室內外溫度檢測值及風扇開啟情況和有風扇、無風扇時的人體舒適度。時間點大部分主要選在室外溫度值等于設定溫度值（26 ℃）附近，通過圖8及表1可發(fā)現，在室外溫度低于設定的溫度值后，室內溫度始終是要比室外溫度高2 ℃左右，如果只是關?？照{，臥室內人體大部分時間是感到悶熱的，由表1可知風扇的加入可以較好地改善室內外溫度差給人帶來的不適。

3.3 測試結果分析

由以上系統(tǒng)的實測結果可知，當室外溫度低于b6a1c2ab97941c5f93e1b8ee03559186設定的制冷溫度時，系統(tǒng)會關?？照{并打開窗戶進行換氣，在實測的過程中發(fā)現空調關停后室內溫度始終會比室外溫度高2 ℃左右，這是由于臥室只是開了窗，并不能保證室內外有很好的空氣對流作用，再加上臥室內還有人體散發(fā)出的熱量，這就會導致臥室內溫度平均比室外高2 ℃左右，而對于室內28 ℃左右的溫度，打開風扇吹風可以起到很好的降溫及提高人體舒適度的作用[7]，實測結果也表明，風扇的加入極大地改善了人體舒適度。

4 結束語

本文設計并實現了基于STM32的臥室空調自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過多種傳感器分別采集室內外溫度、二氧化碳濃度，空氣相對濕度等多項環(huán)境參數，通過程序判斷實現了空調關停的自動控制，同時結合了開窗及風扇開啟調速，兼顧了人體的舒適度。該控制器可低成本且方便地接入大部分安裝有空調的臥室，通過WIFI結合手機APP可以非常方便地對系統(tǒng)進行設置及監(jiān)控設置，對自動關停空調的節(jié)能減排及睡眠環(huán)境改善具有較大的實用價值。

參考文獻：

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基金項目：海南省自然科學基金青年基金項目（521QN0885）；海南省大學生創(chuàng)新訓練計劃（S202311658055）

第一作者簡介：李功捷（1986-），男，工學碩士，實驗師。研究方向為工業(yè)自動化，單片機控制。