基于物联网技术的空调智能控制系统设计

周 蓓，沈 健，龚 旻

（常熟理工学院 计算机科学与工程学院，江苏 常熟 215500）

基于物联网技术的空调智能控制系统设计

周 蓓，沈 健，龚 旻

（常熟理工学院 计算机科学与工程学院，江苏 常熟 215500）

提出了一种基于物联网技术的空调智能控制解决方案，设计了以Arduino单片机为核心的智能控制器，实现了基于web和手机APP的节能管理和数据分析系统. 设计方案无需更改空调电路设计，实现成本低，具有较强的实用价值.

物联网技术；空调智能控制；Arduino单片机

在学校、企事业单位的工作环境中，空调的开关和温度设置主要依靠手动控制，特别是单体空调，分散在各处，可能由于疏忽而忘记关掉，空调的能耗往往无法控制，造成不必要的能源浪费. 如何对分布于不同房间的空调设备进行集中智能控制，从而控制用电成本是一个急需解决的问题. 针对以上情况，研究人员和技术人员提出了多种方案实现空调的联网集中控制. 文献［1］提出了使用计算机对空调进行集中控制，通过网络向集中控制器发送信号，集中控制器通过RS232或RS485接口连接空调控制下位机的方法，但方案中只能单向传输控制信号，无法采集状态信息，且存在布线和通信距离限制的问题. 文献［2］提出了使用短信模块TC35和单片机通过红外线控制空调的方法，但难以适应大规模应用场景. 文献［3］使用ZigBee技术对空调进行控制，具有组网方便的特点，但在状态检测和控制功能上不能满足要求，且存在通信距离较短的问题. 文献［4］提出了使用GSM通信和互联网技术对空调进行远程控制的方法，可对单个空调所在环境进行温湿度、人体感应检测，但尚未完全达到智能控制的目的.

本文在现有研究基础上，提出了一种基于物联网技术的空调智能控制方案. 可根据空调预设参数、季节以及当前温度、湿度等运行参数对各个空调设备进行实时智能控制和报警，用户可通过浏览器或移动设备随时随地对空调运行状态进行查看和控制，达到节能低碳的目的.

1 系统总体设计

空调智能控制系统由智能无线控制器、远程管理与数据分析系统和手机APP组成. 智能无线控制器内含无线通信模块，通过传感器获取空调状态数据，将数据经企业内部无线网络传输到远程管理与数据分析系统［5-7］. 系统可以通过预设的温湿度等空调状态参数对空调进行自动控制，用户也可以通过手机APP或浏览器远程查看并控制. 管理系统发送控制指令到智能控制器，控制器接收指令后，发射红外编码信号执行控制指令，实现对空调的控制. 系统物理部署如图1所示.

图1 空调智能控制系统物理部署

图2 空调智能控制器结构图

2 硬件设计

作为系统控制核心模块的空调智能控制器以Arduino单片机为核心，由传感器模块（温湿度、热释红外人体感应器、光敏电阻等）、执行结构（红外发射管）、WIFI通信模块等组成. 控制器结构如图2所示.

2.1 系统控制主板

系统采用具有USB接口的Arduino Mega2560单 片 机 开 发板，同时具有54路数字输入/输出口（其中16路可作为PWM输出），16路模拟输入，4路UART接口，一个16 MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮. 该主板使用方便，可以满足空调控制系统的要求，同时具有较稳定的性能.

2.2 传感器模块

系统传感器模块包括温湿度传感器、HC-SR501人体传感器及光敏电阻. 其中，两个温度传感器分别安装在空调出风口和空调侧面，通过采集到的温度数据的差值，来判断空调的开关状态及制冷制热状态. HC-SR50人体感应传感器是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口LHI778探头设计，灵敏度高，可靠性强. 通过HC-SR50可以感知室内人员的流动情况，由此判断空调是否处于无人空开状态.

2.3 执行控制结构

系统采用红外发射管负责执行指令，根据远程管理系统发回的红外编码对空调实施控制. 由于每个厂家空调的红外协议不尽相同，因此实验过程中采集遥控器的红外信号之后使用逻辑分析仪进行分析. 分析得到的红外信号协议、红外原始编码、空调品牌型号等可存入数据库中，这样系统可适应不同品牌型号的空调，具有很强的扩展性.

2.4 无线通信模块

如图3所示，系统采用ESP8266串口WIFI芯片，该芯片专门针对无线连接的需求而开发，是一个完整且自成系统的WiFi网络解决方案. ESP8266可以配置成station、AP、station+AP 3种模式，在本文系统设计中将ESP8266配置成station模式，MCU将采集到的传感器信号通过串口发送给串口WIFI模块后经无线网络向Web服务器发出HTTP请求，同时获取Web服务器的返回字符串以执行相应指令.

图3 系统框架图

3 系统实现

图3给出了系统的总体架构，无线通信模块和远程管理与数据分析系统（下称服务器）之间通过HTTP协议通信. 远程管理与数据分析系统实际为一个Web服务器，提供了RESTful API供控制器和手机APP进行调用. 空调智能控制器通过传感器感知的各种状态信息定时通过RESTful API提交给服务器，由服务器负责数据处理和分析，并根据需要发送控制信息给空调智能控制器对设备进行控制，当发现设备异常（如长时间空运转而无法控制）及时发送报警信息给用户. 用户可通过浏览器或手机APP登录系统，查看设备运行状态和实现管理控制. 服务器负责数据处理和返回控制信号协议和红外编码，空调智能控制器负责感知和控制而无需红外编码生成逻辑，整个系统适应性强.

3.1 控制工作流程

空调智能控制器通过无线网络和服务器进行通信，控制器的通信模块工作在TCP-Client模式，主动向服务器提交告知的设备状态信息. 由于系统可同时控制多个设备，因此每个空调智能控制器均需设置惟一识别码，记录其管理的空调品牌、型号及房间位置等信息.

控制工作流程如图4所示. 空调设备供电后，控制器通过无线网络连接远程服务器，定时向服务器发送设备惟一识别码和状态信息. 服务器接收到信息后，进行数据分析处理，并查询该设备对应的红外编码指令，若有，则发回指令给控制器，控制器接收到指令，通过红外发射管，完成对空调设备的控制.

3.2 远程管理与数据分析

远程管理与数据分析系统功能如图5所示，流程如图6所示.

设备数据分析功能负责将接收到的各个空调设备状态数据进行存储和分析，根据预设的空调状态参数进行比较，从而判断是否需要更改空调状态，比如长时间空开需要关闭、空调温度设置过高或者过低等，根据需要生成红外指令、生成报警信息并发送回控制器，或发送报警信息给管理员. 另外，根据记录的设备状态信息，可统计空调开启时长等信息，从而了解系统在节能控制方面带来的效益.

设备数据查询功能负责各个设备运行状态的查询和处理情况查询.

红外指令生成功能负责生成指定设备的红外编码控制指令.

报警信息生成功能负责根据设备状态的调整控制情况，实时生成报警信息，可通过多种形式发送给设备管理员. 管理员通过浏览器或手机AP可及时收到相关设备的控制报警信息.

3.3 手机APP设计

手机APP实现数据的查询和管理，用户可以通过手机查询设备的状态信息，由于不需要与服务器建立长连接，手机APP采用HTTP协议，数据表示采用JSON存储结构，用户通过手机客户端实施设备控制，实际是将控制信息发送到服务器，由服务器生成红外指令，再发送到空调智能控制器.

图4 控制工作流程

图5 服务器管理功能

图6 远程管理与数据分析系统流程图

4 系统测试

在系统测试时，选择了格力柜式空调作为测试对象，首先通过程序获取空调遥控器红外码进行分析，其组成按解码顺序排列：起始码（S）+35位数据码+连接码（C）+32位数据码，数据码由“0”“1”组成（见表1~表5）.

校验码的形成：校验码=［（模式-1）+（温度-16）+5+左右扫风+换气+节能］，取二进制后4位，再逆序；由此通过程序进行编码，即可控制空调的各个运行状态.

分别对测试房间的空调进行了冷暖空调开启状态实验，表6为系统测试运行存储在数据库中的部分状态数据. 其中进口温度表示进风口温度，出口温度表示出风口温度，人员状态表示人体感应器返回数据，0表示无人，返回1表示有人；状态表示空调的运行状态，H表示制热状态，C表示制冷状态；时间表示无人状态下空调已运行时长（单位：分钟）. 当运行时长超过10 min（预定参数），则发出报警信息，并自动发出关闭控制指令.

实验结果表明，正常环境下空调控制器数据测量较稳定，服务器可以正常接收到传送的状态信息，系统可以正常发出报警信息，用户通过系统控制发出的红外编码可以实现对空调的控制，控制成功率在90%以上.

表1 前35位数据码

表2 后32位数据码

表3 模式编码

表4 风速编码

表5 温度编码

5 结论

本文将物联网技术和软件技术相结合，依托现有的企业无线网络，可以在不改变空调硬件电路的情况下实现对大量已存在的单体空调进行智能集中化控制. 达到了节能减排，降低行政办公成本的目的. 设计的单片机控制器成本低，安装方便，对分散的空调设备管理方便. 具有较好的实际应用价值.

表6 系统测试运行数据

［1］邓旭. RS-232及RS-485总线在网络空调控制系统中的应用［J］. 电力电子，2008（5）：50-52，31.

［2］帅晨，王长坤，胡慧，等. 基于TC35的智能远程空调控制系统［J］. 测控技术，2015（2）：69-72.

［3］吴光荣，全剑敏，章剑雄. 基于ZigBee技术的空调控制系统［J］. 机电工程，2009（7）：11-13.

［4］赵亭. 基于GSM的智能空调控制系统设计［J］. 计算机测量与控制，2015（7）：2427-2428，2437.

［5］宾俊. 基于Arduino和Python搭建的实时在线pH测量平台［J］. 计算机与应用化学，2013（3）：48-52.

［6］刘泽良.物联网技术下基于Arduino的智能公交系统模型设计［J］.实验技术与管理，2014（31）：140-143.

［7］宋锦远. 基于CC3200的智能家电红外控制系统设计［J］. 电子测量技术，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，讲师，硕士，研究方向：计算机应用技术，E-mail：327136379@qq.com.