基于物聯(lián)網(wǎng)的空調(diào)集中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏金文，馬維華，吳僑

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)這幾年迅速發(fā)展，為人們的生活帶來(lái)便捷。中央空調(diào)也已廣泛應(yīng)用，充分體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)人們生活的改變，若將我國(guó)建筑中的分體式空調(diào)替代成中央空調(diào)，在成本上和時(shí)間上都是一個(gè)巨大的耗費(fèi)，因此如何對(duì)建筑中的分體式空調(diào)進(jìn)行便捷化和人性化的統(tǒng)一管理，成為本課題的研作者：Ethan究方向。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

該系統(tǒng)主要由控制采集節(jié)點(diǎn)，傳輸節(jié)點(diǎn)，信息控制中心構(gòu)成?？刂撇杉?jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制空調(diào)的開關(guān)，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，同時(shí)采集房間的溫度、濕度、光線等數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)將被傳送到傳輸節(jié)點(diǎn)，再由傳輸節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)重新封裝，通過(guò)以太網(wǎng)功能傳輸?shù)叫畔⒖刂浦行?。信息控制中心擁有多臺(tái)上位機(jī)，對(duì)各采集控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一管理。各采集節(jié)點(diǎn)和傳輸節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換分為有線和無(wú)線兩種通訊方式：在方便布線的地方采用有線通訊，難以布線的地方則用無(wú)線傳輸。

2 控制采集節(jié)點(diǎn)硬件的設(shè)計(jì)

2.1 控制采集節(jié)點(diǎn)整體硬件的設(shè)計(jì)

控制采集節(jié)點(diǎn)的MCU采用新唐科技公司的Cortex-M052，它的成本僅相當(dāng)于傳統(tǒng)的8位微控制器，功能卻非常豐富：它具有ISP和ICP功能，可直接在電路板上對(duì)程序進(jìn)行升級(jí)；還包括了4個(gè)定時(shí)器，8通道12位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)UART串口；另外它還帶有SPI和 I2C接口?；贗2C接口，外部擴(kuò)展一個(gè)32KB的EEPROM存儲(chǔ)器AT24C256來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，控制采集節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)，如圖2所示：

圖2 控制采集節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

MCU通過(guò)AD轉(zhuǎn)換功能不斷從傳感器模塊獲得室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，通過(guò)RS485有線通訊方式或者SI4432無(wú)線通訊方式發(fā)送給傳輸節(jié)點(diǎn)。紅外接收模塊則是通過(guò)M0的外部中斷功能來(lái)學(xué)習(xí)紅外編碼，然后存入AT24C256中。紅外發(fā)送模塊的職責(zé)是先從AT24C256中讀出紅外編碼，然后通過(guò)M0的PWM功能，發(fā)送紅外編碼，控制空調(diào)運(yùn)行。數(shù)碼管顯示模塊則是留給調(diào)試人員的調(diào)試接口，用來(lái)顯示當(dāng)前操作的是第幾條紅外編碼。

2.2 紅外發(fā)射電路

如圖3所示：

圖3 紅外發(fā)射電路

紅外通訊協(xié)議規(guī)定：為了減少干擾，信號(hào)必須調(diào)制成38KHZ后再通訊。所以IR_TXD傳輸給紅外發(fā)射模塊的就是38KHZ的信號(hào)。兩個(gè)三極管的作用來(lái)穩(wěn)定信號(hào)，和開關(guān)紅外發(fā)射管。為了能夠多角度的控制空調(diào)，此處采用了3個(gè)紅外發(fā)射管，而在安裝節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，也可以減少地理方位的局限。

2.2 紅外接收電路

如圖4所示：

圖4 紅外接收電路

紅外信號(hào)是通過(guò) HS0038B（具有解調(diào)功能的紅外接收管）來(lái)接收。波形即是被調(diào)制成38KHZ后的紅外信號(hào)，如圖5所示：

圖5 38KHZ紅外信號(hào)波形

如圖6所示：

圖6 HS0038B解調(diào)后信號(hào)

HS0038B解調(diào)38KHZ紅外信號(hào)后，在OUT引腳所輸出的波形。比較圖 5和圖 6，可以得出結(jié)論：如果接收到38KHZ的信號(hào)，那么接收管會(huì)解調(diào)信號(hào)成為高電平，然后取反，在OUT引腳輸出低電平；若收到是低電平信號(hào)，就直接取反，在OUT引腳輸出高電平。IR_RXD與M052的具有外部中斷功能的引腳相連，當(dāng)有紅外信號(hào)被接收時(shí)，就會(huì)觸發(fā)外部中斷，在中斷服務(wù)程序中讀取電平的組合情況，從而獲取紅外編碼。為了增強(qiáng)信號(hào)，在OUT引腳添加了一個(gè) 47K的上拉電阻，因此，整套接收電路具有很高的可靠性。

3 采集控制節(jié)點(diǎn)軟件的設(shè)計(jì)

3.1 采集控制節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的流程

如圖7所示：

圖7 程序整體運(yùn)行邏輯

軟件設(shè)計(jì)主要任務(wù)是如何學(xué)習(xí)紅外編碼，從而使得節(jié)點(diǎn)具有通用性、發(fā)射紅外信號(hào)以及和傳輸節(jié)點(diǎn)之間通訊。

在采集控制節(jié)點(diǎn)上電的之后，系統(tǒng)對(duì)節(jié)點(diǎn)的各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，然后系統(tǒng)默認(rèn)進(jìn)入 A模式，進(jìn)行室內(nèi)溫濕度和光線強(qiáng)度的采集；當(dāng)接收到上位機(jī)的命令（可以是通過(guò)RS485或 SI4432）,則會(huì)進(jìn)入中斷，對(duì)指令進(jìn)行解析，而置X為不同值，以此進(jìn)入其它模式；如果進(jìn)入 B模式運(yùn)行，則會(huì)開啟外部中斷，等待學(xué)習(xí)紅外編碼；若是 C模式，就會(huì)發(fā)送紅外信號(hào)，控制空調(diào)，然后回到 A模式，繼續(xù)采集室內(nèi)環(huán)境參數(shù)；D模式是調(diào)試模式，使得安裝人員在安裝節(jié)點(diǎn)之前，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行設(shè)置和調(diào)試，此時(shí)通過(guò)數(shù)碼管顯示當(dāng)前操作的是第幾條紅外編碼，以驗(yàn)證編碼的正確性和通用性，從而保證節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行。

3.2 紅外學(xué)習(xí)的過(guò)程

電視機(jī)遙控的紅外編碼，有固定的格式和長(zhǎng)度，每個(gè)按鍵有唯一的紅外波形，而空調(diào)的卻不同，不同的廠家編碼的格式大相徑庭，所以如何實(shí)現(xiàn)遙控的通用性，是首要解決的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，空調(diào)紅外的編碼一般由引導(dǎo)碼、數(shù)據(jù)碼、間隔碼組成，但是有的也沒(méi)有間隔碼，如圖8所示：

圖8 兩種不同的紅外編碼

可以看出不同廠家的引導(dǎo)碼時(shí)間長(zhǎng)短不同，編碼格式和長(zhǎng)度也沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范，那么如何通用性地記錄下編碼格式？

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，產(chǎn)生了兩種思路：第一種，將常見的編碼存儲(chǔ)下來(lái)，然后將學(xué)習(xí)到的編碼和已知的編碼進(jìn)行比對(duì)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一種編碼，多次比對(duì)后發(fā)現(xiàn)相同電平持續(xù)的時(shí)間每次都不一樣，差值有多有少，如果規(guī)定一個(gè)誤差范圍，其值偏大或者偏小都會(huì)影響整體解碼，很難找到一個(gè)適中的誤差范圍而保證解碼的正確性，因此這種方法可行性不高；第二種方法，記錄波形法，記下從學(xué)習(xí)開始到結(jié)束的每個(gè)高低電平的持續(xù)時(shí)間，然后存儲(chǔ)下來(lái)，這種方法雖然耗費(fèi)空間比較大，但是通用性較高，適合絕大多數(shù)情況。

然而要用多少個(gè)字節(jié)來(lái)存儲(chǔ)一個(gè)編碼，怎樣才能節(jié)省空間，如何判斷編碼結(jié)束？經(jīng)過(guò)對(duì)30多種編碼的比對(duì)，發(fā)現(xiàn)最長(zhǎng)的編碼有 200多個(gè)高低電平的組合，而引導(dǎo)碼一般在 ms級(jí)別，數(shù)據(jù)碼在us級(jí)別。為了減少誤差，用定時(shí)器記錄下系統(tǒng)時(shí)鐘的震動(dòng)次數(shù)是一個(gè)很好的選擇，外部晶振是12MHZ，那么1ms的時(shí)間長(zhǎng)度，定時(shí)器計(jì)數(shù)12000下，則存入引導(dǎo)碼必須需要4個(gè)字節(jié)，引導(dǎo)碼一般最多為兩個(gè)電平，故前兩個(gè)電平要特殊處理；而對(duì)于us級(jí)的數(shù)據(jù)碼2個(gè)字節(jié)已經(jīng)足夠了，這樣512個(gè)字節(jié)就可以存儲(chǔ)一個(gè)紅外編碼；當(dāng)數(shù)據(jù)碼的電平持續(xù)時(shí)間大于60000下，視為結(jié)束，因?yàn)橐晃粩?shù)據(jù)碼的一個(gè)電平不可能持續(xù)5ms。流程，如圖9所示：

圖9 紅外學(xué)習(xí)過(guò)程

3.3 紅外發(fā)送過(guò)程：

紅外信號(hào)發(fā)射之前，先從AT24C256中讀取空調(diào)的紅外編碼，存入數(shù)組中，然后從數(shù)組中讀出數(shù)值，再將信號(hào)調(diào)制成38KHZ信號(hào)發(fā)射出去，從而保證實(shí)時(shí)性，如圖10所示：

圖10 華凌空調(diào)“關(guān)”紅外編碼

從圖10中可以看出，信號(hào)被調(diào)制成38KHZ之后，發(fā)送的時(shí)序圖。

原來(lái)調(diào)制信號(hào)使用的是38KHZ硬件自震蕩電路和與非門實(shí)現(xiàn)，這樣雖然簡(jiǎn)化了軟件設(shè)計(jì)，卻增加了硬件成本，因此本次通過(guò)M0的PWM功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先初始化PWM功能，配置成38KHZ的方波，通過(guò)禁止和使能PWM組合操作，產(chǎn)生如圖9所示的時(shí)序圖。

值得注意的是：空調(diào)在通電之后運(yùn)行于睡眠模式，需要紅外編碼喚醒，此時(shí)需要一個(gè)電平跳變從而觸發(fā)解碼程序，否則即使發(fā)出的紅外編碼正確，空調(diào)也不受控制，這是由于上一次發(fā)送的最后一個(gè)數(shù)據(jù)可能是38KHZ信號(hào)也可能是低電平，若發(fā)送完的最后一個(gè)信號(hào)是38KHZ的，那么空調(diào)一直收到低電平，如果此時(shí)發(fā)送正確的編碼，接收到的也是低電平，那么空調(diào)就無(wú)法識(shí)別此次編碼，所以每次發(fā)送完之后要關(guān)掉PWM信號(hào)，或者每次紅外發(fā)射前，持續(xù)發(fā)送時(shí)間長(zhǎng)度為 1s，且與第一個(gè)將要發(fā)送的電平信號(hào)相反的信號(hào)，而產(chǎn)生一個(gè)邊沿跳變，觸發(fā)中斷，運(yùn)行內(nèi)部的解碼程序。

3.4 通訊模塊

通訊模塊采用RS485有線通訊和SI4432無(wú)線通訊的組合。RS485電路采用經(jīng)典的光耦隔離電路，有效地防止外部信號(hào)干擾，SI4432通過(guò)M0的SPI功能實(shí)現(xiàn)。兩者都是通過(guò)中斷實(shí)現(xiàn)。接收到上位機(jī)發(fā)送的命令之后，進(jìn)入各自的服務(wù)子程序進(jìn)行指令的解析而做出相應(yīng)的動(dòng)作。

4 結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到今天，旨在為人們的生活帶來(lái)更多的便捷，讓人類享受科技帶來(lái)的諸多舒適與人性化，通過(guò)此空調(diào)集中系統(tǒng)，使物理上分散的空調(diào)可以進(jìn)行統(tǒng)一的管理，實(shí)現(xiàn)與中央空調(diào)同樣的功能，而Cortex內(nèi)核的低功耗和低成本，很好地解決了成本和功耗問(wèn)題。

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