基于Wi-Fi的智能空調(diào)雙向監(jiān)控系統(tǒng)

崔翔宇 趙紅 袁煥濤 仇俊政 牟亮

摘要：? 針對(duì)目前智能家電發(fā)展尚未成熟導(dǎo)致的通信方式不統(tǒng)一的問(wèn)題，并為探究基于Wi-Fi通信方式的智能家電交互式智能控制系統(tǒng)的可行性，本文以智能空調(diào)為例，設(shè)計(jì)基于Wi-Fi技術(shù)與TCP協(xié)議開(kāi)發(fā)了交互式智能空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)。使用搭載Wi-Fi芯片ESP8266的STM32單片機(jī)模擬智能空調(diào)，PC端的串口應(yīng)用程序用來(lái)模擬空調(diào)操作面板，使用監(jiān)控客戶端應(yīng)用程序連接智能空調(diào)的Wi-Fi熱點(diǎn)并相互收發(fā)報(bào)文來(lái)完成交互操作。經(jīng)過(guò)對(duì)各模塊的基本功能測(cè)試、多客戶端測(cè)試以及穩(wěn)定性測(cè)試，研究結(jié)果表明，系統(tǒng)在與單個(gè)或多個(gè)客戶端保持連接時(shí)都可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)計(jì)的全部功能，并且在網(wǎng)絡(luò)通暢時(shí)，具有極低的丟包率以及較低的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。說(shuō)明Wi-Fi技術(shù)應(yīng)用到智能家電系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)兼容性、穩(wěn)定性及操作簡(jiǎn)便性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：? Wi-Fi; STM32; ESP8266; 客戶端; 實(shí)時(shí)監(jiān)控; 智能空調(diào)

中圖分類號(hào)： TP277; TU855? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)[1] 的高速發(fā)展以及生活水平逐漸提高，人們對(duì)家電用品的自動(dòng)化和信息化需求日益增大[2 6] ，對(duì)其控制的靈活性與信息反饋的便利性也提出了更高要求。過(guò)去大多家電的控制方式均采用紅外遙控技術(shù)[7 12] ，紅外信號(hào)的傳輸損耗較大，收發(fā)兩端要保持在一定的有效距離內(nèi)且中間不能有障礙物阻擋信號(hào)，另外紅外信號(hào)的單向性導(dǎo)致用戶不能很好的獲取家電的工作狀態(tài)。隨著藍(lán)牙技術(shù)的成熟與普及，許多學(xué)者將藍(lán)牙技術(shù)用于智能家居的通信系統(tǒng)[13 17] ，但由于藍(lán)牙的傳輸距離有限，并且不同設(shè)備間協(xié)議通常不兼容的問(wèn)題，仍不能在智能家居系統(tǒng)中得到很好的應(yīng)用。將Wi-Fi技術(shù)應(yīng)用到智能家電中，在使用手機(jī)和個(gè)人電腦對(duì)家電進(jìn)行控制的同時(shí)，也能接收到來(lái)自家電的狀態(tài)反饋，這種交互式的設(shè)計(jì)更能滿足人們對(duì)家電用品日漸提高的需求?；诖?，本文使用搭載Wi-Fi芯片的STM32單片機(jī)[18 22] 開(kāi)發(fā)智能空調(diào)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)模擬空調(diào)面板的上位機(jī)程序用于對(duì)智能空調(diào)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置等初始化設(shè)置、并開(kāi)發(fā)監(jiān)控客戶端程序與智能空調(diào)進(jìn)行無(wú)線控制與狀態(tài)監(jiān)控，最后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行基本功能測(cè)試、多客戶端測(cè)試以及穩(wěn)定性測(cè)試，同時(shí)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明，基于Wi-Fi的交互式監(jiān)控系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用到智能家電，提高系統(tǒng)的兼容性及穩(wěn)定性，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

1.1 軟硬件環(huán)境

在windows10操作系統(tǒng)中，使用Keil5開(kāi)發(fā)工具對(duì)單片機(jī)模擬的智能空調(diào)進(jìn)行開(kāi)發(fā)與測(cè)試，在Visual Studio使用C#編程語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)模擬空調(diào)面板的上位機(jī)app與監(jiān)控客戶端app，模擬空調(diào)面板app通過(guò)PC串口與開(kāi)發(fā)板通信進(jìn)行功能測(cè)試驗(yàn)證，客戶端app通過(guò)PC端連接服務(wù)器的Wi-Fi建立局域網(wǎng)進(jìn)行功能測(cè)試驗(yàn)證。本文采用ESP8266芯片創(chuàng)建Wi-Fi熱點(diǎn)，ESP8266是一個(gè)完整且自成體系的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)解決方案，在softAP、station和softAP/station三種模式中工作。

1.2 通信協(xié)議介紹

傳輸控制/網(wǎng)際協(xié)議（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）是供已連接因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信的通信協(xié)議簇。TCP、IP是協(xié)議簇中兩個(gè)重要的協(xié)議，包括應(yīng)用層，傳輸層，網(wǎng)絡(luò)層及網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)層。TCP是面向連接的協(xié)議，在收發(fā)數(shù)據(jù)前，通過(guò)請(qǐng)求、響應(yīng)及確認(rèn)響應(yīng)3次握手與對(duì)方建立可靠的連接，TCP使用面向連接的通信方式，大大提高了數(shù)據(jù)通信的可靠性。用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（user data protocol，UDP）是協(xié)議簇中一個(gè)面向報(bào)文的協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)之前源端和終端不建立連接，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的抓取，一臺(tái)服務(wù)機(jī)可同時(shí)向多個(gè)客戶機(jī)傳輸相同的消息，并且UDP相對(duì)于TCP額外開(kāi)銷很小。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

2.1 系統(tǒng)整體分析

本文以PC端的客戶端監(jiān)控程序?yàn)槔?，用戶將客戶端監(jiān)控程序連接到智能空調(diào)的Wi-Fi熱點(diǎn)時(shí)，可發(fā)出定時(shí)開(kāi)關(guān)機(jī)、切換工作模式以及調(diào)節(jié)溫度等控制信號(hào)，智能空調(diào)接收到控制信號(hào)后首先切換工作狀態(tài)，再將新的狀態(tài)信息發(fā)回客戶端，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。為更好的模擬真實(shí)情況，該程序需要模擬空調(diào)的操作面板，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)配置及直接控制等功能，本文采用PC端的上位機(jī)通過(guò)串口與單片機(jī)直接相連來(lái)實(shí)現(xiàn)。特別的，當(dāng)系統(tǒng)存在多臺(tái)客戶端設(shè)備同時(shí)連接并監(jiān)控空調(diào)時(shí)，空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)改變，所有與其建立連接的客戶端都應(yīng)該收到其反饋信息。

智能空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)選用STM32F103作為主控芯片，主機(jī)通過(guò)串口1與上位機(jī)通信，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息，主機(jī)通過(guò)串口2連接ESP8266模塊，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)通過(guò)串口2向模塊發(fā)送AT指令，從而配置無(wú)線熱點(diǎn)以及服務(wù)器IP。ESP8266模塊通過(guò)Wi-Fi與客戶監(jiān)控程序通信，發(fā)送空調(diào)的最新?tīng)顟B(tài)信息，接收由客戶發(fā)送的控制信息，然后將其通過(guò)串口2發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)獲得信息后，直 接通過(guò)GPIO口控制與其相連的外設(shè)，外設(shè)用來(lái)模擬智能空調(diào)的控制節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中都由主機(jī)通過(guò)串口1向上位機(jī)發(fā)送運(yùn)行信息以便用戶查看。

系統(tǒng)選擇TCP協(xié)議作為通信協(xié)議，該協(xié)議為面向連接的協(xié)議，當(dāng)存在多個(gè)客戶端時(shí)，服務(wù)器分別與每個(gè)客戶端建立連接并發(fā)送一次數(shù)據(jù)，這種發(fā)送方式叫做單播。而面向數(shù)據(jù)包的UDP協(xié)議由于不需要建立連接，采用廣播的形式只發(fā)送一次數(shù)據(jù)，所有的客戶端都能收到信息。因此，當(dāng)客戶端數(shù)量龐大時(shí)，采用UDP協(xié)議可以節(jié)省大量服務(wù)器資源，而當(dāng)客戶端數(shù)量較少并且對(duì)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性要求較高時(shí)，采用TCP協(xié)議。

由于連接空調(diào)設(shè)備的客戶端程序一般較少，考慮到系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性與用戶操作的有效性，本文采用TCP協(xié)議進(jìn)行客戶端與服務(wù)器的通信。當(dāng)有多臺(tái)客戶端設(shè)備時(shí)，采用分別與服務(wù)器建立連接并逐個(gè)收發(fā)數(shù)據(jù)的形式完成多客戶端通信功能。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

本文開(kāi)發(fā)了一款PC端的串口app，作為上位機(jī)模擬智能空調(diào)的操作面板，為方便調(diào)試，要求上位機(jī)能直接向空調(diào)發(fā)送配置網(wǎng)絡(luò)的指令及改變工作狀態(tài)的指令，并在收到指令后反饋報(bào)文。

上位機(jī)采用C#編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)用戶界面及功能設(shè)計(jì)，上位機(jī)界面如圖2所示。圖中左側(cè)按鈕可設(shè)置串口開(kāi)關(guān)、波特率以及發(fā)送接收模式，右側(cè)為接收區(qū)和發(fā)送區(qū)，其中接收區(qū)用來(lái)顯示對(duì)收到報(bào)文的處理結(jié)果以及當(dāng)前工作狀態(tài)，在掃描并選擇可用的串口后，選擇特定的波特率，將發(fā)送區(qū)中的命令發(fā)送到智能空調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)直接控制。

2.3 客戶端監(jiān)控程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

監(jiān)控程序作為用戶直接接觸的軟件，需要簡(jiǎn)潔、美觀、易用，智能空調(diào)客戶端監(jiān)控程序如圖3所示，界面由參數(shù)設(shè)置、控制及狀態(tài)三部分組成?？蛻舳吮O(jiān)控程序不但要對(duì)智能空調(diào)發(fā)送控制信號(hào)，且必須能實(shí)時(shí)獲取空調(diào)當(dāng)前的工作狀態(tài)并顯示在界面中，以達(dá)到與用戶交互的目的。

用戶設(shè)置好智能空調(diào)的IP地址與端口號(hào)后，與智能空調(diào)建立TCP連接，指示燈表示當(dāng)前的連接狀態(tài)。程序右側(cè)可輸入定時(shí)開(kāi)機(jī)的時(shí)間及設(shè)置的溫度，點(diǎn)擊按鈕即可發(fā)送對(duì)應(yīng)的控制指令，智能空調(diào)接收到指令并改變工作狀態(tài)，把新的狀態(tài)通過(guò)報(bào)文的形式發(fā)送回客戶端，顯示在程序右側(cè)的狀態(tài)區(qū)域。

客戶端發(fā)送指令及接收狀態(tài)報(bào)文如表1所示。點(diǎn)擊開(kāi)關(guān)機(jī)ON/OFF按鈕時(shí)，客戶端會(huì)向服務(wù)器發(fā)送CMD_OPEN_XXX/CMD_OFF命令，其中XXX表示定時(shí)開(kāi)機(jī)時(shí)長(zhǎng)，為0時(shí)，表示普通的開(kāi)機(jī)功能，點(diǎn)擊溫度設(shè)置按鈕SET時(shí)，會(huì)向服務(wù)器發(fā)送CMD_TEMP_XX指令，XX為用戶在文本框中設(shè)置的溫度，點(diǎn)擊模式選擇中的制熱、換氣及制冷按鈕時(shí)會(huì)分別向服務(wù)器發(fā)送CMD_MODE_HOT、CMD_MODE_AIR及CMD_MODE_COLD 3條指令。智能空調(diào)收到控制命令并改變工作狀態(tài)后，上位機(jī)會(huì)顯示新的狀態(tài)，并以報(bào)文的形式反饋給客戶端監(jiān)控程序。

2.4 模擬智能空調(diào)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

智能空調(diào)模塊在上電時(shí)創(chuàng)建Wi-Fi熱點(diǎn)并進(jìn)行初始化配置，使用板載RGB 3色LED燈模擬，其中紅、綠、藍(lán)燈亮分別表示空調(diào)工作在制熱、換氣及制冷模式?？照{(diào)的開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)、工作模式以及當(dāng)前設(shè)定溫度也會(huì)同時(shí)顯示在上位機(jī)中。

監(jiān)控系統(tǒng)程序算法流程圖如圖4所示，AT指令配置ESP8266流程如表2所示。系統(tǒng)上電后，對(duì)GPIO與板載外設(shè)的初始化配置，通過(guò)表2中的AT指令配置ESP8266模塊的網(wǎng)絡(luò)。配置完成后，打開(kāi)系統(tǒng)中斷等待接收來(lái)自客戶端的控制命令，收到指令時(shí)，程序?qū)⒅噶钶敵龅缴衔粰C(jī)并解析，根據(jù)解析結(jié)果切換到相應(yīng)的工作狀態(tài)，最后生成如表1所示的狀態(tài)報(bào)文，反饋給所有客戶端。在處理指令的過(guò)程中，程序會(huì)關(guān)閉系統(tǒng)，防止多次接收控制命令導(dǎo)致系統(tǒng)混亂。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 測(cè)試方案

為測(cè)試系統(tǒng)的可用性和穩(wěn)定性，本文設(shè)計(jì)了系統(tǒng)測(cè)試方案，該方案較完全的覆蓋了系統(tǒng)功能。

1） 將開(kāi)發(fā)板與PC連接好，將程序下載到開(kāi)發(fā)板，打開(kāi)客戶端程序和上位機(jī)，掃描并打開(kāi)響應(yīng)串口，清空接收區(qū)后，將開(kāi)發(fā)板復(fù)位重新運(yùn)行程序，觀察上位機(jī)顯示的信息。

2） PC機(jī)連接空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的Wi-Fi熱點(diǎn)，在客戶端程序設(shè)置參數(shù)并連接到空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器，觀察上位機(jī)打印信息。

3） 設(shè)置定時(shí)時(shí)間為0，點(diǎn)擊ON打開(kāi)空調(diào)，觀察上位機(jī)打印信息及客戶端監(jiān)控模塊和LED的變化。

4） 設(shè)置溫度分別為22 ℃和99 ℃，點(diǎn)擊SET，觀察上位機(jī)和客戶端監(jiān)控模塊的信息。

5） 分別設(shè)置換氣和制冷模式，觀察上位機(jī)和客戶端監(jiān)控模塊的信息及LED變化。

6） 打開(kāi)第二個(gè)客戶端程序，設(shè)置好參數(shù)后，連接到空調(diào)服務(wù)器，觀察上位機(jī)的信息。

7） 使用第一個(gè)客戶端程序設(shè)置制熱模式，觀察上位機(jī)與兩個(gè)客戶端監(jiān)控模塊信息;使用第二個(gè)客戶端程序設(shè)置定時(shí)開(kāi)機(jī)1 min，觀察上位機(jī)信息，等待1 min，觀察上位機(jī)與兩個(gè)客戶端監(jiān)控模塊信息。

8） 關(guān)掉兩個(gè)客戶端程序，觀察上位機(jī)信息。

3.2 測(cè)試結(jié)果

打開(kāi)客戶端程序和上位機(jī)，掃描并打開(kāi)串口，清空接收區(qū)后，將開(kāi)發(fā)板復(fù)位，系統(tǒng)開(kāi)機(jī)創(chuàng)建熱點(diǎn)并配置服務(wù)器如圖5所示。設(shè)置上位機(jī)打印系統(tǒng)初始化信息、Wi-Fi熱點(diǎn)的SSID、密碼及服務(wù)器的IP等。

PC設(shè)備連接熱點(diǎn)如圖6所示。PC設(shè)備成功連接空調(diào)發(fā)出的Wi-Fi熱點(diǎn)，客戶端與空調(diào)服務(wù)器成功建立連接時(shí)，會(huì)亮起綠圖標(biāo)并彈窗提示?？蛻舳诉B接空調(diào)服務(wù)器如圖7所示，上位機(jī)也會(huì)打印連接信息。

設(shè)定時(shí)間為0，點(diǎn)擊ON打開(kāi)智能空調(diào)，發(fā)送開(kāi)機(jī)命令如圖8所示。上位機(jī)打印空調(diào)工作狀態(tài)信息，默認(rèn)為25 ℃制熱模式，同時(shí)開(kāi)發(fā)板上亮起代表制熱模式的紅色LED，客戶端會(huì)根據(jù)空調(diào)的反饋狀態(tài)信息同步刷新?tīng)顟B(tài)顯示區(qū)域。

設(shè)置溫度為22 ℃，點(diǎn)擊SET按鈕，上位機(jī)打印CMD_TEMP_22指令與新的空調(diào)工作狀態(tài)，隨后客戶端狀態(tài)監(jiān)控區(qū)域也刷新為22 ℃。為盡可能模擬真實(shí)情況，客戶端發(fā)送指令時(shí)會(huì)將低于18 ℃時(shí)的溫度強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為18 ℃，高于32 ℃的溫度轉(zhuǎn)換為32 ℃，使溫度值保持在合理區(qū)間。

設(shè)置為換氣模式時(shí)，上位機(jī)打印指令CMD_MODE_AIR，并亮起綠色LED，且客戶端狀態(tài)刷新為換氣模式，制冷模式同理。打開(kāi)第二個(gè)客戶端程序并設(shè)置相同參數(shù)，連接到空調(diào)服務(wù)器，上位機(jī)會(huì)打印“1，CONNECT”表示第二臺(tái)客戶端設(shè)備連接。使用客戶端1設(shè)置空調(diào)為制熱模式。多客戶端狀態(tài)刷新如圖9所示，兩個(gè)客戶端的狀態(tài)監(jiān)控區(qū)域都會(huì)刷新為當(dāng)前工作狀態(tài)，可知空調(diào)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，服務(wù)器會(huì)把當(dāng)前工作狀態(tài)反饋到所有正在監(jiān)控它的客戶端。使用客戶端2設(shè)置定時(shí)開(kāi)機(jī)1 min，上位機(jī)打印CMD_OPEN_001指令，1 min后，上位機(jī)打印空調(diào)關(guān)機(jī)信息。

關(guān)掉兩個(gè)客戶端程序，上位機(jī)打印“id， CONNECT FAIL”，表示客戶端與服務(wù)器失去連接。在采用不同數(shù)據(jù)與操作方式多次進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)每一步操作結(jié)果與預(yù)期完全相符，指令正確接收率與報(bào)文正確返回率達(dá)100%，說(shuō)明本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的全部功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)智能家電監(jiān)控技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查和研究，充分考慮其要求和特點(diǎn)，并以智能空調(diào)為例，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于STM32單片機(jī)的智能空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合應(yīng)用自主設(shè)計(jì)的報(bào)文系統(tǒng)與Wi-Fi無(wú)線通信技術(shù)以及多客戶端技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了客戶端與智能家電之間的交互式監(jiān)控。本系統(tǒng)與紅外及藍(lán)牙通信系統(tǒng)相比較，穩(wěn)定性更高、硬件成本低、且程序操作簡(jiǎn)單，可作為未來(lái)智能家電監(jiān)控系統(tǒng)的良好示例。該研究對(duì)智能家電的發(fā)展具有重要意義。

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Wi-Fi-Based Intelligent Air-Conditioning Two-Way Monitoring System

CUI Xiangyu， ZHAO Hong， YUAN Huantao， CHOU Junzheng， MOU Liang

（Power Integration and Energy Storage Systems Engineering Technology Center， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：? Aiming at the problem of inconsistent communication methods caused by the immature development of smart home appliances， and in order to explore the feasibility of an interactive intelligent control system for smart home appliances based on Wi-Fi communication， this article uses smart air conditioners as an example to design and implement a set of interactive two-way monitoring system using TCP protocol for communication. It uses STM32 microcontroller equipped with Wi-Fi chip ESP8266 to simulate smart air conditioners， uses a PC serial port application to simulate air conditioning operation panels， and uses a PC monitoring client application to connect to smart air conditioners Wi-Fi hotspots and send and receive messages to each other to complete interactive operations. Finally， the basic function test， multi-client test and stability test of the modules designed in this article have been carried out. The results show that the system can achieve all the functions of the expected design while maintaining the connection with single or multiple clients， and when the network is unobstructed， it has extremely low packet loss rate and low network delay， which provides an experimental basis for the intelligent home appliance monitoring system.

Key words： Wi-Fi; STM32; ESP8266; client; real time monitoring; smart air conditioner