智能型节能云温控器的应用与研究

陈芳

摘要：智能型节能云温控器是智能家居的一种，其工作是基于云服务端，将采集到的酒店、旅馆、公司、家庭的实时房间的温度、湿度等数据上传，然后通过固定的软件、hpp、网页连接云端，将实时数据反映在电脑、手机端，并可以通过电脑、手机实时远程操作、监视或关闭中央空调、地热、加湿器等类型电器。当温度、湿度达到设定范围会自动关闭或调整工作模式，减少能耗，达到自动节能的目的。

关键词：智能；云温控器；节能

中图分类号：TP2

文献标识码A

文章编号2095-6363（2017）04-0082-01

1.智能型节能云温控器的概念

智能型云温控器是一种基于电脑终端或手机终端通过实时访问云服务器端，实现远程控制中央空调和其他电器的一种智能型产品。

在电脑或者手机端通过打开固定的程序或App或网页，远程随时监控固定房间的实时温度、湿度、空调、电热电器（如地暖）的工作状态，并控制中央或家用空调、加湿器、换气扇、地热等电器随时实现远程控制房间温度、湿度。不管你是在旅行、出差途中、下班回家途中、白天还是黑夜，轻轻松松为自己或家人预备好舒适的房间温度、湿度。对酒店、旅馆等房间随时实现温度、湿度实时监控或客人暂时离开自动关闭空调等电器，冷暖随心，节约用电。

智能云温控器的温限设置和节能功能，通过控制中央或家用空调，在夏天设置一个固定的最低温度，冬天设置一个固定的最高温度，当气温达到该温度后则空调停止运行。在酒店、旅馆等房间内，夏天很多人喜欢把空调调到很低的温度，冬天调至很高的温度，空调一直处于制冷或制热状态，当入睡后非常容易忘记调回来，夏天空调温度调太低，室内空气会变干燥，人体对着空调吹也容易着凉，对身体造成不良影响，并且费电，浪费能源，粗测在夏天空调每调高一度可以节约电能10%左右。房间空间越大节约电能越明显。冬天每调低2度可节约电能10%左右。从健康角度来看，夏天室内室外温差如果过大，当从房间出来人体体温调节中枢容易失衡，皮肤散热功能下降，在阳光下容易中暑；人体舒适温度为24℃～28℃，所以正常的室温设置一般调至24℃～28℃为佳。调节合适的室温，空调用电小了对电网冲击也小了，用户电费也降低了。特别说明节能是针对空调等电器的使用中节约电能，温控器本身也需要用电，耗电功率小于3w。

2.智能型节能云温控器市场与应用场所

随着人们生活水平的提高，智能家居发展非常迅速，谷歌的NEST（智能温控器），亚马逊语音助手Alexa和智能音箱Echo正在智能家居扮演重要角色，在不久前的美国国际消费电子CES展上，亚马逊的Alexa更是无处不在，根据《2012-2020年中国智能家居市场发展趋势及投资机会分析报告》的预测，到2020年我国智能家居市场规模将达到3294亿，年均增速保持在50%左右，具备充足的向上延伸空间。

智能型节能云温控器作为智能家居的一员，面对家庭，酒店，旅馆、公司等场所具有广阔的应用市场。2013年末，中科院大气物理研究所研究员张仁健课题组与同行合作，对北京地区PM2.5化学组成及来源进行分析。研究显示，北京PM2.5有6个重要来源，分别是土壤尘、燃煤、生物质燃烧、汽车尾气与垃圾焚烧、工业污染和二次无机气溶胶，其中燃煤占比约18%。燃煤污染，对雾霾天气的形成产生了巨大的影响。为了减少冬季燃煤污染，改善空气质量，我国北方许多城市开始推广“煤改电”“煤改气”。“煤改电”即指居民供暖由煤热式改为电热式。随着“煤改电”的深入，有必要保证供暖的同时又能节约用电（节约用电的意义很多，减轻国家电力负担，家庭、企业减少电费支出等）智能型节能云温控器完全能满足该功能，实现自动温控又能节能。

在酒店、旅馆、公司等场所，中央空调的电费开支是一个比较大的项目，在客人休息睡觉后，往往忘记将室温调至一个合适的范围，空调一直强制工作在制冷或制热状态，这对身体并无好处，人睡着后人体各种功能会下降，免疫力会降低易，室温太低或太高，容易诱发肠胃病、感冒、心脏病等疾病，智能型云温控器能够通过WiFi连接云服务器实现远程控制室温，在客人休息或离开后调节一个适合的室温（24℃～28℃）或者暂时关闭空调，即达到节能又能保证客人有一个舒适的室温。

3.智能型节能云温控器的技术实现

要实现温控器的远程操控，那么先要了解下温控器工作过程。进行远程控制时Pc机、手机联网后，打开专用网页或软件进行手动或者一键快捷设置好各个数据，然后将数据与命令上传至云端。温控器通过WiFi自动从云端下载温度、湿度等数据与控制命令并存储起来，与实时采集到的房间温度、湿度数据比較，操控相应电器工作。无远程控制时，可通过手动设置温、湿度等数据，将采集到的数据与设置好的数据对比，用来控制空调、地热、加湿器等电器工作，实现温、湿度控制。在两种控制方式中，采集到的实时数据都上传云端，Pc机或手机可读取该数据后显示当前房间温度、湿度，电器工作状态。

按照工作过程以稳定可靠性、价格、开发周期为优先，部分功能采用模块，简化设计：硬件电路功能与模块选取：电源：需要提供温控器工作所需电源，安全可靠、简单、高效率，功率小于3W。BUCK BOOST隔离型电路结构简单，安全可靠，成本较低，电路成熟，市场上有很多家公司生产此类电源芯片。可选取带MOS管的芯片，比如美国PI公司的TOPswitch系列芯片，电路简单，体积小，重量轻，自动保护功能齐全，集成度高。TOP221加上一些简单的外围电路与变压器就能搭建一个可靠的高效率反激开关电源。通过PI公司的PI EXPERT软件可自动生成围绕TOP221的电源方案，交互式电路原理图，物料清单，电路板布局建议以及详细的电器参数表，完整的变压器设计，磁芯尺寸、线圈匝数、线材规格、并饶线数等。

微控制器：嵌入是系统应用的核心，需要有提供足够多的端口。温控器功能相对来说比较少，操作比较简单，价格与技术支持和难易程度角度出发，选用ARM内核优先。STM32F103RCT6（Cotex M3）基于ARM核心的CPU，提供最多达51个的控制接收端口，具有USB2.0，CAN，7个定时器，2个ADC，9个通讯接口，芯片有96位的唯一代码，价格较低，48K*8的RAM、256K*8FLASH足够满足温控器的应用。

外设：温、湿度传感器，采集室内空气温度与湿度存入CPU或EEPROM，选用DHT11温湿度模块，其湿度测量20%～95%（0～50℃）温度0～50℃价格低廉、可靠，房间温度与湿度均在此范围内。WiFi，连接云服务端，上传采集到的各种数据并从云端下载实时控制命令或远程更新，需要简单可靠低功耗物美价廉，ESP12F为工业级无线透传模块性能稳定，技术支持全面满足温控器应用。蓝牙，与带蓝牙功能的电器，如加湿器、换气扇等连接，实现实时控制，HC-06是主从一体化蓝牙串口模块，采用CSR主流蓝牙芯片支持蓝牙V2.0协议标准，体积小巧，功耗低传输距离8m左右，价格低廉，在温控器中采用主机模式可搜索带蓝牙功能的加湿器等电器。红外感应器，判断房间是否有人，此功能为可选，预留HC-SR501人体红外感应模块接口与RD624电路。红外遥控接收发射，学习家用空调遥控器或带红外控制的其他電器的遥控，如电视机等，此功能可选，安装有方向与距离要求，预留红外发射与接收电路。高、中、低三档自动档位切换控制电路，连接中央空调、地热等带有档位连接线的电器，需要有足够的带负载功率，从可靠性与价格出发优先采用继电器切换档位其次用双向可控硅。LCD或TFT显示屏，人机对话窗口，显示房间温湿度、时间、温控器状态等，为减轻CPU开销，可采用串口、SPI口显示屏。按键，手动调节，切换，和显示屏联动，按要求功能4～5个轻触按健或采用光电发射开关。

外壳尺寸控制在86、120、118系列墙上插座大小以内方便安装。

软件功能分类与需求：下位机端（嵌入式系统）按任务划分大概有：采集温湿度实时数据，暂存在RAM，比对设置在EEPRO？vl中的数据是否正常；蓝牙以主机模式搜索并根据对比结果控制相应的蓝牙型电器；WiFi实时在线，断线重连，保证数据交换通畅；红外人体感应，受远程与面板设置执行开启或关闭；红外编码学习，受面板控制进入学习模式或遥控模式，遥控模式可实现远程控制；中央空调、地热等电器开启、档位切换与关闭，受面板与远程控制；显示驱动，显示温湿度WiFi时间等相关信息；按键判断；实时时钟，含时钟校对。基于时间片、中断或采用嵌入式操作系统如UCOS来管理。

上位机端（电脑或手机）开发Pc机软件、手机App，浏览器，连接固定云服务器端，实时读取数据、发送相关指令，实现远程实时监控。