基于OneNET云平臺的智能空調(diào)系統(tǒng)

摘 要：普通空調(diào)因為無法對其進行遠程監(jiān)控而普遍存在用電浪費、不能提前開啟進而獲得更好客戶體驗等問題。因此，設計基于OneNET云平臺的智能空調(diào)系統(tǒng)，實現(xiàn)對普通空調(diào)進行遠程控制。系統(tǒng)由智能空調(diào)控制終端、手機APP、OneNET云平臺三部分構(gòu)成，智能空調(diào)控制終端采用STM32F103C8T6作為主控，外接ESP8266、XK555、DHT11等模塊實現(xiàn)網(wǎng)絡通信、紅外控制、溫濕度采集等功能；手機APP通過云平臺遠程控制空調(diào)的開、關(guān)、溫度設定等，并顯示現(xiàn)場溫濕度數(shù)據(jù)；OneNET云平臺上創(chuàng)建對應真實設備的虛擬設備，實現(xiàn)手機APP和智能空調(diào)控制終端的點對點通信。實驗表明：只要在云平臺上做好配置，智能空調(diào)控制系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)利用手機APP對多臺空調(diào)進行遠程控制，進而提高客戶體驗，減少用電浪費。

關(guān)鍵詞：智能空調(diào)；遠程控制；OneNET；XK555；ESP8266；STM32F103C8T6；自動配網(wǎng)；對碼

中圖分類號：TP393.0 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-0-05

0 引 言

加強空調(diào)管理對于節(jié)能減排、控制運行費用有重要且現(xiàn)實的意義。當前市場上已推出具有WiFi功能[1]的智能空調(diào)，可以實現(xiàn)遠程控制，但是價格比普通空調(diào)貴得多，而且對之前已經(jīng)售出的普通空調(diào)仍然不能做到遠程控制。本文通過外置的智能空調(diào)控制終端，配合手機APP、云平臺，可以實現(xiàn)遠程控制普通空調(diào)。在手機APP上實現(xiàn)空調(diào)遙控器所具有的所有命令，如開、關(guān)、設置溫度、制冷、制熱等，將這些命令通過云平臺轉(zhuǎn)發(fā)給智能空調(diào)控制終端，終端再通過XK555將命令轉(zhuǎn)換為紅外信號，從而實現(xiàn)通過手機APP遠程控制空調(diào)的目的。智能空調(diào)控制終端通過DHT11采集溫濕度數(shù)據(jù)，上傳給云平臺，云平臺轉(zhuǎn)發(fā)給手機APP進行顯示，以此獲取現(xiàn)場實時信息。

1 智能空調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

OneNET是由中國移動打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平

臺[2]，基于物聯(lián)網(wǎng)特點打造專業(yè)化網(wǎng)絡通道，提供“云-管-端”一體化的智能通道和支撐系統(tǒng)。在OneNET云平臺上創(chuàng)建應用，在應用下建立虛擬設備，每個虛擬設備有其設備ID和APIKey；手機APP、智能空調(diào)控制終端作為真實設備接入，接入時需要發(fā)送設備ID和APIKey對應應用下的虛擬設備，建立真實設備和虛擬設備的對應關(guān)系。手機APP下發(fā)控制命令，控制命令中帶有接收該命令的設備ID，OneNET云平臺收到后轉(zhuǎn)發(fā)給該設備ID對應的真實的智能空調(diào)控制終端，智能空調(diào)控制終端根據(jù)接收的命令產(chǎn)生相應的紅外信號，控制空調(diào)。在回傳空調(diào)的反饋數(shù)據(jù)和終端采集的傳感器數(shù)據(jù)時會帶上手機APP的設備ID，OneNET云平臺收到后轉(zhuǎn)發(fā)給該設備ID對應的真實手機設備上的APP。至此，通過OneNET云平臺實現(xiàn)了手機APP和智能空調(diào)控制終端的點對點通信。智能空調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖1所示。云平臺上的設備情況如圖2所示。

2 硬件框圖

智能空調(diào)控制終端硬件框圖如圖3所示。

STM32F103C8T6是意法半導體公司推出的一款STM32F10X系列中低端芯片[3]，其基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，頻率為72 MHz，具有64 KB閃存、20 KB SRAM和2 KB E2PROM，包含多個USART、SPI、I2C、定時器等外設資源，能滿足當前的應用需要。STM32F103C8T6的性價比極高，因此在智能空調(diào)控制系統(tǒng)中選擇它作為主控MCU。

ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透傳模塊[4]，是一個高性能的無線SoC，其內(nèi)部集成有超低功耗的32位微型MCU，主頻支持80 MHz和160 MHz，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，支持STA、AP、STA+AP三種工作模式。ESP8266支持SDK和AT開發(fā)，其中SDK使用樂鑫提供的庫函數(shù)來編寫程序，AT 開發(fā)是指使用外部單片機通過串口和WiFi模塊通信，其通信的指令中包含AT前綴，這種開發(fā)方式的開發(fā)周期短。主控MCU通過串口和ESP8266相連，發(fā)送AT指令[5]，通過ESP8266與外部進行網(wǎng)絡通信。AT指令有測試、查詢、設置、執(zhí)行四種類型，見表1所列。

XK555是一款內(nèi)置紅外碼庫的高性能芯片，使用簡單，功耗低，覆蓋國內(nèi)外主要電器品牌，與主控MCU通過串口相連，內(nèi)置碼庫數(shù)據(jù)，無需額外支付紅外碼庫費用。XK555定義了14種設備遙控類型，其中包含空調(diào)、電視、機頂盒、電視盒子、投影儀、功放、掃地機器人等，并且有2個是自定義學習型，使用時可以自由切換命令，每個自定義學習類型可以學習32個按鍵，按鍵名稱由主機來保存，XK555不區(qū)分按鍵功能。

以XK555的空調(diào)遙控類型為例，控制命令都是6 bit，常用控制命令如下。

（1）新建遙控器

控制命令涉及的字段：0x80、Device_id、KfidH、KfidL、00、XOR校驗。其中，0x80為命令詞；Device_id為需要新建的遙控器類型，例如：1表示空調(diào)，2表示電視，3表示機頂盒，4表示DVD播放器，5表示電風扇，6表示空氣凈化器，7表示電視盒子，8表示投影儀，9表示音箱，10表示熱水器，11表示燈，12表示自定義學習型，13表示掃地機器人；KfidH、KfidL為16 bit的遙控器ID，且Kfid的獲取方式有兩種，分別為調(diào)用一鍵匹配接口獲取、通過查閱品牌型號對應表獲取。功能：新建一個遙控器，使用遙控器前必須要先建立一個遙控器，否則其他調(diào)用會失敗或不正確。

（2）一鍵匹配

控制命令涉及的字段：0x81、Device_id、0、0、00、XOR校驗。其中，0x81為命令詞；Device_id為需要匹配的遙控器類型。功能：通過使用原配遙控器向XK555發(fā)送電源開機按鍵指令來搜索本地碼庫對應的ID；XK555收到匹配命令后，指示燈閃爍，提示用戶按下遙控器電源鍵，搜索成功后會返回一個short型的數(shù)值（KfidH，KfidL）。若超過10" s沒有收到信號，則反饋失敗。返回0x06、0x89、KfidH、KfidL、0x00、XOR，表示搜索成功；返回0x06、0xE0、DD、0x00、0x00、XOR，表示搜索失敗。

（3）發(fā)射紅外信號

控制命令涉及的字段：0x86、Device_id、Keyid、Keyvalue、00、XOR校驗。其中，0x86為命令詞；Device_id為遙控器ID；Keyid為按鍵ID；Keyvalue為按鍵參數(shù)值，具體參考表2的按鍵順序。返回0x06、0x89、0x00、0x00、0x00、0x8F，表示執(zhí)行成功；返回0x06、0xE0、DD、0x00、0x00、XOR，表示執(zhí)行失敗，其中DD為錯誤ID。功能：發(fā)射紅外控制信號。

通過XK555控制一臺空調(diào)，首先需要發(fā)送一鍵匹配命令，獲取KfidH、KfidL；然后發(fā)送新建遙控器命令，成功后即可發(fā)送發(fā)射紅外信號命令控制空調(diào)。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件。微控制器MCU與DHT11之間通過GPIO口相連，采用單總線數(shù)據(jù)格式進行通信和同步，一次通信時間在4 ms左右。

OLED簡單易用，占用較少GPIO口，常見有4針、7針

兩種引腳，分別采用I2C、SPI通信協(xié)議，由3～5.5 V電源供電。

3 軟件實現(xiàn)

如圖4所示，配置階段分為兩個步驟。

（1）配置智能空調(diào)控制終端的設備ID、APIKey

智能空調(diào)控制終端的ESP8266首先工作在服務器模式，提供熱點服務，給出服務器IP、Port，手機APP接入熱點，輸入服務器IP、Port，作為客戶端連接服務器；將登錄云平臺時需要提交的設備ID、APIKey以Socket方式傳輸給終端。

（2）配置智能空調(diào)控制終端連接互聯(lián)網(wǎng)時用到的WiFi熱點、密碼

ESP8266提供SmartConfig[6]功能，配合安信可官方提供的自動配網(wǎng)程序，自動搜索可以使用的WiFi熱點，智能空調(diào)控制終端將獲得的WiFi熱點和密碼保存下來，用于后續(xù)連接互聯(lián)網(wǎng)。

完成配置后，進入命令控制階段。智能空調(diào)控制終端首先要和空調(diào)遙控器進行對碼，學習紅外調(diào)制解調(diào)的參數(shù)，為后續(xù)接收命令控制空調(diào)做準備。終端發(fā)送一鍵匹配命令給XK555，進入匹配模式，只需將空調(diào)遙控器對著XK555按下電源鍵，即可完成對碼，對碼成功則在終端顯示匹配成功。

智能空調(diào)控制終端利用在配置階段獲得的虛擬設備ID和APIKey登錄云平臺。登錄成功后，顯示終端當前的狀態(tài)，包括溫濕度數(shù)據(jù)、XK555的狀態(tài)等。云平臺上也會顯示終端設備是否在線，若設備在線，智能空調(diào)控制終端定時發(fā)送心跳消息，維持與云平臺的長連接。

智能空調(diào)控制終端使用串口1輸出調(diào)試信息；串口2外接XK555紅外控制模塊，發(fā)送紅外控制命令給XK555，XK555產(chǎn)生調(diào)制的紅外信號控制普通空調(diào)，接收、解調(diào)普通空調(diào)的反饋數(shù)據(jù)，再通過串口2返回給主控；串口3外接ESP8266，負責接收云平臺轉(zhuǎn)發(fā)過來的手機APP的命令，并上傳溫濕度數(shù)據(jù)、心跳消息給云平臺。串口1、2、3工作在中斷方式下，為保證能及時收到云平臺的數(shù)據(jù)，串口3優(yōu)先級設置得最高，串口2優(yōu)先級次之，串口1優(yōu)先級最低。

主流程采用輪詢方式，周期性檢查是否收到云平臺轉(zhuǎn)發(fā)的命令，若收到，解析EDP協(xié)議[7]獲取命令內(nèi)容，并將命令重新構(gòu)造成符合XK555的協(xié)議格式，通過串口2發(fā)送給XK555；主流程還需要維護與云平臺的長連接，周期性發(fā)送心跳消息給云平臺，若發(fā)現(xiàn)通信異常，需要斷開連接，重連云平臺。智能空調(diào)控制終端流程如圖5所示。

手機APP基于Android Studio開發(fā)，設計了登錄、添加設備、初始化設備、智能空調(diào)控制、日志等界面，編寫EDP協(xié)議類，實現(xiàn)手機APP以EDP協(xié)議和云平臺通信，使用了Android的Activity、Thread、SQLite、Fragment、Adapter等組件和特性。

手機APP可以同時控制多個智能空調(diào)控制終端，只需要在圖6（a）所示的登錄界面上點擊右上角添加設備，即跳轉(zhuǎn)到圖6（b）所示的添加設備界面，需要輸入設備昵稱（一般用房間號碼表示）、設備在云平臺上的虛擬設備ID、空調(diào)品牌等信息；點擊確定按鈕即進入到圖6（c）所示的初始化設備界面。初始化設備界面在配置階段使用，需要輸入以智能空調(diào)控制終端作為服務器時的IP、Port，以Socket方式將設備ID、APIKey等信息發(fā)送給智能空調(diào)控制終端；配置終端，點擊“確定”之后可以看到在登錄界面多了一個目的設備，點擊垃圾桶圖標可以刪除該目的設備，點擊書寫圖標可以對設備信息進行修改。

在登錄界面選擇需要控制的目的設備，可以選多個，點擊連接即進入到圖6（d）所示的智能空調(diào)控制界面，點擊房間昵稱即表示需要與該房間的智能空調(diào)控制終端通信。房間昵稱用房間號表示，即601、602等，選中602，點擊其他圖標，比如開、關(guān)等，系統(tǒng)會將命令發(fā)給602的智能空調(diào)控制終端，室內(nèi)溫度、濕度數(shù)據(jù)也會上傳至602的智能空調(diào)控制終端。點擊右上角的記事本圖標，會進入到圖6（e）所示的日志界面。

為實現(xiàn)手機APP對多個終端的控制，用數(shù)據(jù)庫SQLite[8]存儲空調(diào)品牌信息，設計BrandAdapter類管理設備信息，用Listlt;Stringgt;類型定義設備ID、設備昵稱、空調(diào)品牌等成員變量，BrandAdapter類繼承RecyclerView.Adapte類[9]，并重寫三個抽象方法：onCreateViewHolder、onBindViewHolder和getItemCount。調(diào)用這些方法后，子項就既有了布局又有了數(shù)據(jù)。不同終端有不同的溫濕度數(shù)據(jù)，選中設備昵稱后，即可顯示對應終端的溫濕度數(shù)據(jù)，設計HumitureFragment類管理溫濕度數(shù)據(jù)。HumitureFragment類繼承Fragment[10]類，F(xiàn)ragment是一種可以嵌入在活動中的UI片段，能夠讓程序更加合理和充分地利用大屏幕的空間，可以將其看成一個小型Activity，又稱作Activity片段。使用Fragment可以把屏幕劃分成幾塊，然后進行分組，并進行模塊化管理。Fragment不能單獨使用，需要嵌套在Activity中使用。當智能空調(diào)控制界面Activity接收到云平臺轉(zhuǎn)發(fā)過來的溫濕度數(shù)據(jù)后，傳給對應終端的HumitureFragment，刷新視圖，即可顯示出最新的溫濕度數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

本文提出并實現(xiàn)了通過手機APP基于云平臺遠程控制普通空調(diào)的系統(tǒng)，控制終端在配置階段工作在服務器模式；手機APP作為客戶端連接服務器，對終端進行配置；使用ESP8266的SmartConfig功能，終端自動獲取WiFi熱點及密碼；使用XK555的一鍵匹配功能自動進行空調(diào)對碼，終端配置靈活，有自適應性；在手機APP上可實現(xiàn)一對多的終端控制，有較強的實用性、靈活性。本文系統(tǒng)基于云平臺的“云-管-端”模式開發(fā)，對類似項目的開發(fā)有借鑒意義。

參考文獻

[1]茍少旎.淺談寶雞廣電“全屋WiFi”技術(shù)應用[J].中國有線電視，2023，31（6）：39-42.

[2]尹春杰，王光旭，趙欽，等.基于OneNET的需求側(cè)用電信息監(jiān)測系統(tǒng)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2023，23（2）：38-41.

[3]黃鳳英.基于STM32F103C8T6單片機的多功能智能手表設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019，9（3）：49-51.

[4]管嘉誠，李曉烽，黃志芳，等.基于ESP8266與機智云的物聯(lián)網(wǎng)智能家居[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2023，13（3）：140-142.

[5]黃玉金，楊越，薛偉，等.無線模塊的AT指令UDP透傳設計[J].電子產(chǎn)品世界，2018，25（1）：34-36.

[6]田麗娜. WiFi一鍵聯(lián)網(wǎng)SmartConfig技術(shù)的原理及應用[J].信息與電腦（理論版），2018，12（20）：152-154.

[7]李白華，孫濤.基于EDP協(xié)議的溫濕度在線檢測系統(tǒng)[J].通信電源技術(shù)，2020，37（10）：18-20.

[8]陳敬靜. SQLite數(shù)據(jù)庫研究與可視化[D].南京：南京郵電大學，2020.

[9]邵國紅. Android開發(fā)中常用數(shù)據(jù)適配器的應用研究[J].信息系統(tǒng)工程，2019，32（4）：86-88.

[10]郭雨佳，韓雨辰，趙明英，等. Android開發(fā)中Activity和Fragment+的通信方式分析[J].電子世界，2021，43（11）：98-100.