基于智能空調(diào)的雙控家居實(shí)時(shí)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)

摘" 要：現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，市面上越來越多的智能電子產(chǎn)品進(jìn)入人們的生活，方便舒適的智能家居系統(tǒng)已是未來社會(huì)發(fā)展的必然趨勢。該文結(jié)合實(shí)際生活環(huán)境，用智能空調(diào)、藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)、藍(lán)牙凈化器、藍(lán)牙加濕器、智能凈化器和智能加濕器等常用家庭設(shè)備，以藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)控制和云端交互控制2種控制方式，分別實(shí)現(xiàn)智能空調(diào)、藍(lán)牙凈化器、藍(lán)牙加濕器和智能空調(diào)、智能凈化器、智能加濕器等2組設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制。經(jīng)過實(shí)際開發(fā)驗(yàn)證，系統(tǒng)通信和控制功能正常，且2種控制方式兼容Wi-Fi智能設(shè)備和藍(lán)牙非智能設(shè)備，易于擴(kuò)展和使用。

關(guān)鍵詞：智能空調(diào)；藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)；加濕器；凈化器；自動(dòng)聯(lián)動(dòng)

中圖分類號：TP29" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0047-04

Abstract： With the continuous progress of modern science and technology， more and more intelligent electronic products on the market enter people's lives. Convenient and comfortable smart home system has become the inevitable trend of social development in the future. In this paper， combined with the actual living environment， with common home devices such as intelligent air conditioner， Bluetooth gateway， Bluetooth humidifier， Bluetooth humidifier， intelligent humidifier， Bluetooth gateway networking control and cloud interactive control， respectively， realize the linkage control of intelligent air conditioning， Bluetooth purifier， Bluetooth humidifier and intelligent air conditioning， intelligent purifier， intelligent humidifier and other two groups of devices. Verified by the actual development， the communication and control functions of the system are normal， and the two control methods are compatible with Wi-Fi intelligent devices and Bluetooth non-intelligent devices， and are easy to expand and use.

Keywords： intelligent air conditioning; Bluetooth gateway; humidifier; purifier; automatic linkage

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，生活環(huán)境更加智能化，人們對健康生活的要求也越來越高，對家居系統(tǒng)的需求也趨向于更加簡單化、智能化、舒適化?，F(xiàn)實(shí)生活中，空調(diào)開啟之后，如果室外PM2.5過高，可能通過呼吸道進(jìn)入呼吸系統(tǒng)，引起上呼吸道感染、支氣管哮喘、支氣管炎等；空調(diào)房中，如果濕度太低，干燥的室內(nèi)環(huán)境會(huì)導(dǎo)致人體皮膚的水分被空氣吸取，從而形成皮膚緊繃、脫皮、破裂，甚至引發(fā)干性濕疹，再嚴(yán)重的話皮膚長時(shí)間在干燥環(huán)境，會(huì)造成皮膚敏感，抗細(xì)菌、感染能力下降，引發(fā)一系列皮膚問題。因此本文基于現(xiàn)代健康生活對智能家居的需求[1]，分別采用藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)控制和云端交互控制2種方式，對智能空調(diào)、凈化器、加濕器進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，即根據(jù)智能空調(diào)數(shù)據(jù)采集裝置獲取實(shí)際環(huán)境的監(jiān)測數(shù)據(jù)[2]，并根據(jù)數(shù)據(jù)信息，實(shí)時(shí)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)開啟和關(guān)閉加濕器、凈化器。本文中的2種控制方案，既兼容了帶Wi-Fi的智能家居設(shè)備，又兼容了帶藍(lán)牙的非智能家居設(shè)備，既能實(shí)時(shí)呵護(hù)身體健康，又能節(jié)約能源，以及提高環(huán)境舒適性。

1" 整體設(shè)計(jì)方案

1.1" 藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)控制系統(tǒng)方案

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，人們對于無線連接技術(shù)的需求也日益增加。藍(lán)牙技術(shù)作為一種短距離的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。但是，在一些大規(guī)模應(yīng)用場景中，單一藍(lán)牙連接的能力已經(jīng)無法滿足需求，這時(shí)藍(lán)牙組網(wǎng)方案就成為了一種解決辦法。在智能家居系統(tǒng)中，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)作為連接BLE（低功耗藍(lán)牙）和Wi-Fi的關(guān)鍵設(shè)備，扮演著非常重要的角色。藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)通過串口實(shí)現(xiàn)BLE藍(lán)牙與Wi-Fi之間的通信，為智能家居設(shè)備之間的互聯(lián)互通提供了便利，本文將探討藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)在智能家居中的應(yīng)用。藍(lán)牙組網(wǎng)是指通過多個(gè)藍(lán)牙設(shè)備之間的互聯(lián)建立一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和控制。相比單一藍(lán)牙連接，藍(lán)牙組網(wǎng)可以擴(kuò)展連接范圍，并提供更靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本文通過藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)把智能空調(diào)、藍(lán)牙加濕器、藍(lán)牙凈化器組網(wǎng)到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，通過藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)發(fā)送相關(guān)命令，實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)控制。如圖1所示，該方案主要由智能空調(diào)、云端平臺(tái)、藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)、藍(lán)牙加濕器、藍(lán)牙凈化器等組成，通過藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)將智能空調(diào)、藍(lán)牙加濕器、藍(lán)牙凈化器進(jìn)行組網(wǎng)，并通過藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)發(fā)送相關(guān)命令，實(shí)現(xiàn)智能空調(diào)、藍(lán)牙加濕器、藍(lán)牙凈化器的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制[3]。即通過智能空調(diào)上安裝的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)由智能空調(diào)的Wi-Fi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給云端平臺(tái)，云端平臺(tái)對采集到的數(shù)據(jù)諸如空氣中PM2.5、空氣濕度等進(jìn)行分析確定聯(lián)動(dòng)指令，當(dāng)PM2.5高于標(biāo)準(zhǔn)值、空氣濕度低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，通過云端平臺(tái)向藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)發(fā)送自動(dòng)聯(lián)動(dòng)開啟凈化器和加濕器指令，并在檢測到PM2.5、空氣濕度處于標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間時(shí)，通過藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)自動(dòng)發(fā)送關(guān)閉凈化器和加濕器指令，從而實(shí)現(xiàn)智能空調(diào)、藍(lán)牙加濕器、藍(lán)牙凈化器的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)。

1.2" 云平臺(tái)交互控制系統(tǒng)方案

在智能家居系統(tǒng)中，智能Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個(gè)至關(guān)重要的組成部分。智能Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其基本原理是通過Wi-Fi技術(shù)將各個(gè)智能家居設(shè)備連接到一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)中共享數(shù)據(jù)和資源，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的協(xié)同工作。設(shè)備聯(lián)動(dòng)是指不同的智能設(shè)備間可以相互搭配，通過通信交互，實(shí)現(xiàn)共同完成用戶需求的過程。這一技術(shù)可以使用戶的生活變得更為智能化、便捷化、舒適化。

如圖2所示，該方案主要由智能空調(diào)、云端平臺(tái)、智能加濕器、智能凈化器等組成，通過云端平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互從而實(shí)現(xiàn)智能空調(diào)、智能加濕器、智能凈化器的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制。即通過智能空調(diào)上安裝的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由智能空調(diào)將數(shù)據(jù)發(fā)送給云端平臺(tái)，并對采集到的數(shù)據(jù)諸如空氣中PM2.5、空氣濕度等進(jìn)行分析確定聯(lián)動(dòng)指令，當(dāng)PM2.5高于標(biāo)準(zhǔn)值、空氣濕度低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，通過云端平臺(tái)向智能凈化器和智能加濕器的Wi-Fi模塊發(fā)送自動(dòng)聯(lián)動(dòng)開啟凈化器和加濕器指令[4]；并在檢測到PM2.5、空氣濕度處于標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間時(shí)，通過云端平臺(tái)向智能凈化器和智能加濕器的Wi-Fi模塊自動(dòng)發(fā)送關(guān)閉凈化器和加濕器指令，智能凈化器和智能加濕器的電控模塊響應(yīng)相應(yīng)的Wi-Fi指令從而實(shí)現(xiàn)智能空調(diào)、智能加濕器、智能凈化器的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)。

2" 實(shí)現(xiàn)方式

2.1" 藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)控制系統(tǒng)原理

藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)控制系統(tǒng)主要包括智能空調(diào)本體及數(shù)據(jù)采集模塊、云端平臺(tái)、藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)、藍(lán)牙加濕器、藍(lán)牙凈化器等部分組成，通過藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)將智能空調(diào)、藍(lán)牙加濕器、藍(lán)牙凈化器進(jìn)行組網(wǎng)，智能空調(diào)將采集到的數(shù)據(jù)通過云端平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，并通過藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)后下發(fā)相關(guān)指令，從而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)加濕器和凈化器的聯(lián)動(dòng)。

如圖3所示，在空調(diào)本體上附加的數(shù)據(jù)采集模塊，通過空氣傳感器內(nèi)部內(nèi)置紅外發(fā)光二極管和高分子濕敏電容，分別用于實(shí)時(shí)采集PM2.5和空氣濕度。紅外發(fā)光二極管作為紅外傳感器在與光源對角的另一側(cè)設(shè)有光線探測器（如光電晶體管），紅外發(fā)光二極管能夠探測到被顆粒物反射的光線，并根據(jù)反射光強(qiáng)度輸出PWM信號（脈寬調(diào)制信號），從而判斷顆粒物的濃度。對于不同粒徑的顆粒物（如PM10和PM2.5），紅外發(fā)光二極管能夠輸出多個(gè)不同的信號加以區(qū)分。高分子濕敏電容是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的感濕膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，高分子濕敏電容的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可實(shí)現(xiàn)濕度測量。

PM2.5正常值是24 h平均濃度小于75 μg/m3。PM2.5一般指細(xì)顆粒物，又稱細(xì)粒、細(xì)顆粒。細(xì)顆粒物指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5 μm的顆粒物。它能較長時(shí)間懸浮于空氣中，其在空氣中含量濃度越高，就代表空氣污染越嚴(yán)重。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小、面積大、活性強(qiáng)，易附帶有害物質(zhì)（例如，重金屬、微生物等），且在大氣中的停留時(shí)間長、輸送距離遠(yuǎn)，因而對身體影響更大。

濕度是指空氣中水蒸氣的含量，一般以百分比表示，可以衡量空氣中的水分含量。當(dāng)人體處在高濕度環(huán)境中時(shí)，如濕度大于60%時(shí)，人體的汗液蒸發(fā)速度減慢，可能會(huì)導(dǎo)致體表散熱不暢，從而使患者出現(xiàn)體溫升高、心跳加快、頭暈惡心等癥狀。而當(dāng)空氣濕度過低時(shí)，小于40%的時(shí)候，可能會(huì)導(dǎo)致皮膚水分蒸發(fā)過快，使皮膚變得干燥、干裂等，同時(shí)干燥的環(huán)境可能會(huì)導(dǎo)致呼吸道內(nèi)的黏液減少，引起口渴、咽喉疼痛等癥狀。

結(jié)合人體適宜的最佳溫度和濕度，制定標(biāo)準(zhǔn)閾值表，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取到的PM2.5、空氣濕度值，分別與標(biāo)準(zhǔn)值表進(jìn)行對比，從而確定相應(yīng)的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)指令，見表1。

具體實(shí)現(xiàn)方式，即帶有空氣質(zhì)量監(jiān)測傳感器的智能空調(diào)開啟后，通過數(shù)據(jù)采集模塊對空氣進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將實(shí)時(shí)檢測到的PM2.5、空氣濕度值由空調(diào)的Wi-Fi模塊通過MQTT協(xié)議[5]將數(shù)據(jù)傳送給云端平臺(tái)，并將云端平臺(tái)解析數(shù)據(jù)與表1中標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)PM2.5高于標(biāo)準(zhǔn)值、空氣濕度低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，云端平臺(tái)通過串口通信協(xié)議向藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)發(fā)送自動(dòng)聯(lián)動(dòng)開啟凈化器和加濕器指令，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)通過串口通信協(xié)議分別向藍(lán)牙凈化器和藍(lán)牙加濕器發(fā)送相關(guān)指令，藍(lán)牙凈化器和藍(lán)牙加濕器電控模板響應(yīng)指令并開啟凈化器和加濕器；在檢測到PM2.5、空氣濕度處于標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間時(shí)，云端平臺(tái)通過串口通信協(xié)議向藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)發(fā)送自動(dòng)聯(lián)動(dòng)關(guān)閉凈化器和加濕器指令，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)通過串口通信協(xié)議分別向藍(lán)牙凈化器和藍(lán)牙加濕器發(fā)送相關(guān)指令，藍(lán)牙凈化器和藍(lán)牙加濕器電控模板響應(yīng)指令并關(guān)閉凈化器和加濕器。

2.2" 云平臺(tái)交互控制系統(tǒng)原理

云平臺(tái)交互控制系統(tǒng)主要包括智能空調(diào)本體及數(shù)據(jù)采集模塊、云端平臺(tái)、智能加濕器、智能凈化器等部分，通過智能空調(diào)Wi-Fi模塊將采集到的數(shù)據(jù)通過云端平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，從而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)智能加濕器和智能凈化器的聯(lián)動(dòng)。數(shù)據(jù)交互過程如圖4所示，空調(diào)電控附加的數(shù)據(jù)采集模塊上的空氣質(zhì)量傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，將采集到的PM2.5、空氣濕度等數(shù)據(jù)，通過空調(diào)設(shè)備上的Wi-Fi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；空調(diào)上的Wi-Fi模塊通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到智能家居的云端平臺(tái)，云端平臺(tái)收到來自空調(diào)Wi-Fi模塊的實(shí)時(shí)空氣采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獲取到相應(yīng)的PM2.5、空氣濕度等的實(shí)際值，并將實(shí)際值與表1中的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)PM2.5大于75 μg/m3、濕度小于40%時(shí)，云端平臺(tái)通過MQTT協(xié)議分別向智能凈化器、智能加濕器的Wi-Fi模塊發(fā)送開啟凈化器、開啟加濕器的控制指令，凈化器和加濕器的Wi-Fi模塊再通過串口通信協(xié)議分別向凈化器和加濕器的電控模塊發(fā)送開啟凈化器和加濕器指令，凈化器和加濕器電控模塊響應(yīng)指令，并打開凈化器和加濕器；當(dāng)PM2.5小于75 μg/m3、濕度高于60%時(shí)，云端平臺(tái)通過MQTT協(xié)議分別向智能凈化器和加濕器的Wi-Fi模塊發(fā)送關(guān)閉凈化器和加濕器的控制指令，凈化器和加濕器的Wi-Fi模塊再通過串口通信協(xié)議分別向凈化器和加濕器的電控模塊發(fā)送關(guān)閉凈化器和加濕器指令，凈化器和加濕器電控模塊響應(yīng)指令，并分別關(guān)閉凈化器和加濕器。

具體實(shí)現(xiàn)方式，即帶有空氣質(zhì)量監(jiān)測傳感器的智能空調(diào)開啟后，通過數(shù)據(jù)采集模塊對空氣進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將實(shí)時(shí)檢測到的PM2.5、空氣濕度值由空調(diào)的Wi-Fi模塊通過MQTT協(xié)議[6]，將數(shù)據(jù)傳送給云端平臺(tái)，云端平臺(tái)解析數(shù)據(jù)并與表1中標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)PM2.5高于標(biāo)準(zhǔn)值、空氣濕度低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，云端平臺(tái)通過MQTT協(xié)議直接向智能凈化器、智能加濕器的Wi-Fi模塊發(fā)送自動(dòng)開啟凈化器和加濕器的控制指令，智能凈化器和智能加濕器的響應(yīng)指令并開啟凈化器和加濕器；并在檢測到PM2.5、空氣濕度處于標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間時(shí)，云端平臺(tái)通過MQTT協(xié)議直接向智能凈化器、智能加濕器的Wi-Fi模塊發(fā)送自動(dòng)關(guān)閉凈化器和加濕器的控制指令，智能凈化器和智能加濕器響應(yīng)指令并關(guān)閉凈化器和加濕器；從而實(shí)現(xiàn)智能凈化器和智能加濕器的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)[7]。

3" 結(jié)束語

本文研究了智能空調(diào)雙控家居自動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，通過藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)和云端交互2種方式，分別實(shí)現(xiàn)了智能空調(diào)與藍(lán)牙非智能凈化器和加濕器、智能凈化器和智能加濕器的聯(lián)動(dòng)控制。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集模塊裝置，采集空氣中PM2.5、空氣濕度等數(shù)據(jù)信息，并將采集到PM2.5、空氣濕度值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，確定相應(yīng)的聯(lián)動(dòng)指令，并通過藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)后下發(fā)指令實(shí)現(xiàn)非智能凈化器和加濕器的聯(lián)動(dòng)控制；通過MQTT協(xié)議直接下發(fā)指令到對應(yīng)的Wi-Fi模塊，實(shí)現(xiàn)智能凈化器和加濕器的聯(lián)動(dòng)控制，自動(dòng)開啟和關(guān)閉凈化器與加濕器。既能實(shí)時(shí)呵護(hù)身體健康，又能節(jié)約能源，以及提高環(huán)境舒適性。

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