空調(diào)節(jié)能與監(jiān)管一體化平臺設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

李智峰 畢文洋 谷瑞軍

關(guān)鍵詞： 空調(diào)控制；Wi-Fi；嵌入式；STM32；阿里云；云平臺

1 概述

隨著現(xiàn)代生態(tài)文明建設(shè)的步伐越來越快，節(jié)能減排低碳發(fā)展要求也越來越嚴(yán)格，降低能源消耗成本是節(jié)能改造的發(fā)展趨勢。同時，科技進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的發(fā)展應(yīng)用，也加快了節(jié)能技術(shù)的更新?lián)Q代，節(jié)能改造的步伐越來越快。擁有眾多大型公共建筑的高校節(jié)能改造，勢在必行。

智能插座，是在物聯(lián)網(wǎng)概念下與智能家居的概念一起發(fā)展的產(chǎn)品。智能家居是物聯(lián)網(wǎng)主要平臺之一，主要以家庭住宅為主，使用先進(jìn)的技術(shù)對電子設(shè)備進(jìn)行控制及管理，從而達(dá)到更高效率、更加節(jié)能、更加便利、更加環(huán)保。

因此本文設(shè)計開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的空調(diào)節(jié)能與監(jiān)管一體化平臺，在空調(diào)等高耗能設(shè)備節(jié)能改造中應(yīng)用。通過改造插座、加裝物聯(lián)網(wǎng)控制模塊，實(shí)現(xiàn)空調(diào)節(jié)能改造及遠(yuǎn)程監(jiān)控，進(jìn)而建立能效監(jiān)管系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心及運(yùn)維平臺，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可視化監(jiān)控管理。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。系統(tǒng)由控制單元、阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺、客戶端三部分組成。

系統(tǒng)采用STM32 單片機(jī)作為硬件核心，通過SUI-101A電流計統(tǒng)計實(shí)時功率，通過MQTT協(xié)議發(fā)送給阿里云平臺。硬件平臺使用C語言進(jìn)行編程，手機(jī)端采用HTML5開發(fā)可以適配所有適配H5的移動設(shè)備，使用阿里云Iot—Studio開發(fā)應(yīng)用。各個模塊協(xié)同工作，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對多個控制單元進(jìn)行檢測和控制，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

3 監(jiān)測和控制單元設(shè)計

監(jiān)測與控制單元（如圖2）以STM32F103C8T6單片機(jī)（如圖3）[1]為控制核心和ESP01Wi-Fi模塊（如圖4）[2]作為通信核心，通過串口接收電流計數(shù)據(jù)記錄實(shí)時功率上傳，以及下發(fā)對紅外模塊的控制指令。

通信模塊主要是ESP01Wi-Fi通信模塊連接Wi- Fi之后接收單片機(jī)“AT”指令，使用MQTT協(xié)議[3]與阿里云平臺進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)上傳實(shí)時功率和下載云平臺控制指令。

采集控制模塊包括SU-101A電量傳感器（如圖5） 和IR05紅外發(fā)射模塊（如圖6），完成對當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的實(shí)時功率采集和發(fā)送紅外指令對空調(diào)進(jìn)行控制。

4 云平臺結(jié)構(gòu)

云平臺采用阿里云平臺，阿里云以飛天云操作系統(tǒng)為核心，建立了自研芯片、服務(wù)器、計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等軟硬一體的新型計算體系架構(gòu)，“飛天”是中國唯一自研云操作系統(tǒng)，能將全球的數(shù)百萬服務(wù)器連接成一臺超級計算機(jī)，單集群規(guī)模突破10 萬臺。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺提供安全可靠的設(shè)備連接通信能力，支持設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云，規(guī)則引擎流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)和云端數(shù)據(jù)下發(fā)設(shè)備端。此外，還提供方便快捷的設(shè)備管理能力，支持物模型定義，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化存儲，和遠(yuǎn)程調(diào)試、監(jiān)控、運(yùn)維。

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺是一個集成了設(shè)備管理、數(shù)據(jù)安全通信和消息訂閱等能力的一體化平臺。向下支持連接海量設(shè)備，采集設(shè)備數(shù)據(jù)上云；向上提供云端API，服務(wù)端可通過調(diào)用云端API將指令下發(fā)至設(shè)備端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。通信結(jié)構(gòu)如圖7。

要使感知網(wǎng)絡(luò)層與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺通信需要經(jīng)過以下

五個步驟[5]：

（1）創(chuàng)建產(chǎn)品與設(shè)備：根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求，創(chuàng)建產(chǎn)品和設(shè)備，獲取設(shè)備證書信息即三元組：Product? Key、DeviceName 和DeviceSecret，作為設(shè)備連接物聯(lián)網(wǎng)平臺的身份認(rèn)證。

（2）為產(chǎn)品定義物模型：將感知網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備抽象成由屬性、服務(wù)、事件所組成的數(shù)據(jù)模型后，就能在物聯(lián)網(wǎng)平臺上進(jìn)行管理和數(shù)據(jù)交互。

（3）建立設(shè)備與平臺的連接：感知網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備根據(jù)設(shè)備證書信息通過MQTT 協(xié)議連接物聯(lián)網(wǎng)平臺，在物聯(lián)網(wǎng)平臺控制臺就可以看到設(shè)備狀態(tài)顯示為在線。

（4）定義物模型通信Topic ：設(shè)置屬性上報、屬性設(shè)置和事件上報Topic。

（5）設(shè)備端通過接口定時發(fā)布屬性狀態(tài)的Topic，并獲取屬性設(shè)置Topic，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的上報和操作命令的下發(fā)。完成感知網(wǎng)絡(luò)層和阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺通信后，還需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺和Web 服務(wù)器通信，把物聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)存儲到MySQL 數(shù)據(jù)庫。因此需要在物聯(lián)網(wǎng)平臺上配置服務(wù)端訂閱，主要有以下三個步驟：創(chuàng)建消費(fèi)組，創(chuàng)建訂閱，服務(wù)端集成并運(yùn)行AMQP 客戶端。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺采用AMQP 服務(wù)端訂閱實(shí)現(xiàn)將設(shè)備消息流轉(zhuǎn)到Web 服務(wù)器上，然后將設(shè)備消息存儲到數(shù)據(jù)庫中。

5 客戶端設(shè)計

5.1 移動客戶端

移動端使用HTML5設(shè)計，調(diào)用阿里云物聯(lián)網(wǎng)API 可以實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程設(shè)備的管理、屬性讀取、監(jiān)控運(yùn)維、遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)了對實(shí)時功率的顯示、擋位選擇的功能，UI如圖8所示。

5.2 PC 客戶端

PC客戶端使用Iot—Studio開發(fā)Web應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對多個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計和控制。UI如圖9。

6 云平臺上傳測試

MQTT.fx是一款基于Eclipse Paho使用Java語言編寫的MQTT客戶端，支持Windows、Mac和Linux操作系統(tǒng)，可用于驗(yàn)證設(shè)備是否可與物聯(lián)網(wǎng)平臺正常連接，并通過Topic 訂閱和發(fā)布消息。我們這邊使用MQTT.fx對云平臺通信進(jìn)行測試。將阿里云提供的clientId、username、passwd、mqttHostUrl、port 填入MQTT.FX的連接設(shè)置參數(shù)里，點(diǎn)擊connect和阿里云平臺進(jìn)行MQTT連接（如圖11），現(xiàn)實(shí)綠燈與服務(wù)器連接成功。然后對“/sys/a10seXt9FID/MQTT_FX_Client/thing/ service/property/set”topic進(jìn)行訂閱，當(dāng)云平臺發(fā)送set 對RT（紅外遙控信號擋位）時，mqtt.fx會收到對應(yīng)的json 包（如圖 12），對“/sys/a10seXt9FID/MQTT_FX_Client/ thing/event/property/post”topic進(jìn)行發(fā)布json（如圖13），云平臺會收到并解析（如圖14）。由此測試可以得到云平臺物模型正確并可以通信。

該一體化平臺經(jīng)過多次不同教學(xué)樓不同種類空調(diào)的多次測試，以及不斷的修改完善，已經(jīng)能夠取得良好的實(shí)際效果。用戶操作軟件，能實(shí)現(xiàn)空調(diào)遙控功能，準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)。圖15為在移動客戶遙控控制立式空調(diào)溫度調(diào)為16攝氏度制冷結(jié)果。

根據(jù)多次測試，此一體化平臺要運(yùn)行穩(wěn)定，且滿足節(jié)能的日常使用要求。

7 結(jié)束語

本文介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的空調(diào)節(jié)能與監(jiān)管一體化平臺。該平臺將傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等相結(jié)合，有效地實(shí)現(xiàn)了空調(diào)的節(jié)能，具有很高的實(shí)用性。