張 萍

(廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,廣州 510510)

當(dāng)前家電市場(chǎng)上已經(jīng)有不少廠家推出了智能空調(diào)產(chǎn)品[1],實(shí)現(xiàn)原理通常是以單片機(jī)作為控制芯片,內(nèi)置無線通信模塊(比如WiFi)與控制平臺(tái)通信.這種方式需要內(nèi)置無線通信模塊,只適用于新生產(chǎn)的新型號(hào)空調(diào),無法控制舊型號(hào)普通空調(diào).本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種以手機(jī)APP作為客戶端,通過OneNet云平臺(tái)上的虛擬設(shè)備和外置智能空調(diào)控制終端,實(shí)現(xiàn)對(duì)普通空調(diào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的系統(tǒng)[2].

1 系統(tǒng)框圖

整個(gè)系統(tǒng)分成3部分(如圖1)：手機(jī)APP,OneNET云平臺(tái)上的虛擬設(shè)備,智能控制終端.手機(jī)APP通過無線網(wǎng)絡(luò)(通信運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)、WiFi等)接入Internet與OneNET云平臺(tái)通信,智能空調(diào)控制終端通過WiFi[3]接入Internet與OneNET云平臺(tái)通信,OneNET云平臺(tái)上建有與手機(jī)APP和智能空調(diào)控制終端分別對(duì)應(yīng)的虛擬設(shè)備,實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP與智能空調(diào)控制終端的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信.

圖1 智能空調(diào)控制系統(tǒng)系統(tǒng)框圖

智能空調(diào)控制終端內(nèi)置溫濕度模塊采集周邊環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù),通過WiFi上傳給OneNET云平臺(tái),OneNET云平臺(tái)將數(shù)據(jù)記錄到智能空調(diào)控制終端在OneNET云平臺(tái)上對(duì)應(yīng)的虛擬設(shè)備下,再轉(zhuǎn)發(fā)給手機(jī)APP在OneNET云平臺(tái)上對(duì)應(yīng)的虛擬設(shè)備,虛擬設(shè)備會(huì)將溫濕度數(shù)據(jù)傳給手機(jī)APP,在手機(jī)上能查看當(dāng)前環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù).

用戶可根據(jù)當(dāng)前溫濕度數(shù)據(jù),通過手機(jī)APP發(fā)送空調(diào)控制命令(開、關(guān)、設(shè)定溫度等)給OneNET云平臺(tái),OneNET云平臺(tái)將控制命令記錄到手機(jī)APP在OneNET云平臺(tái)上對(duì)應(yīng)的虛擬設(shè)備下,再轉(zhuǎn)發(fā)給智能空調(diào)控制終端在OneNET云平臺(tái)上對(duì)應(yīng)的虛擬設(shè)備,虛擬設(shè)備會(huì)將控制命令傳給智能空調(diào)控制終端,智能空調(diào)控制終端內(nèi)置紅外模塊,產(chǎn)生紅外信號(hào)與普通空調(diào)通信,達(dá)到控制普通空調(diào)的效果.

2 數(shù)據(jù)流圖

如圖2所示,智能控制終端、手機(jī)APP采用Socket方式與云平臺(tái)通信,通過心跳保持與云平臺(tái)的長(zhǎng)連接.系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)根據(jù)方向分為2類：1)上行數(shù)據(jù),采集到的傳感器數(shù)據(jù)；2)下行數(shù)據(jù),用戶通過手機(jī)APP發(fā)出的控制指令.

圖2 數(shù)據(jù)流圖

上行數(shù)據(jù)流：智能空調(diào)控制終端主控芯片STM32通過GPIO口接溫濕度傳感器,采集溫濕度數(shù)據(jù),通過串口發(fā)送給ESP8266無線通信模塊,由ESP8266發(fā)送給OneNET云平臺(tái),再由云平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)給手機(jī)APP.

下行數(shù)據(jù)流：手機(jī)APP發(fā)出控制指令,通過OneNET云平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)給智能控制終端,控制終端根據(jù)指令構(gòu)造出空調(diào)控制碼,通過串口發(fā)送給空調(diào)控制模塊,空調(diào)控制模塊調(diào)制產(chǎn)生紅外信號(hào),發(fā)送給普通空調(diào),普通空調(diào)接收解調(diào)紅外信號(hào).

3 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了智能空調(diào)控制終端的硬件部分,并進(jìn)行了驗(yàn)證,主要分為6個(gè)模塊(如圖3)：溫濕度采集模塊、無線通信(WiFi)模塊、空調(diào)控制(紅外通信)模塊、微處理器(主控)模塊、SD卡讀取(存儲(chǔ))模塊、供電模塊.

圖3 智能空調(diào)控制系統(tǒng)硬件模塊圖

微處理器模塊采用了STM32F429IGT6作為MCU,該芯片配置非常強(qiáng)大,芯片主頻高達(dá)180 MHz,具有256 KB SRAM、1024FLASH、12個(gè)16位定時(shí)器、2個(gè)32位定時(shí)器、2個(gè)USB、140個(gè)通用IO口、8個(gè)串口等,完全能滿足現(xiàn)有的需求和后續(xù)的功能拓展.

溫度控制模塊采用DHT11,DHT11是一款能夠采集溫濕度數(shù)據(jù)的數(shù)字傳感器,與單片機(jī)等微處理器進(jìn)行簡(jiǎn)單的電路連接就能夠?qū)崟r(shí)采集本地濕度和溫度.DHT11與單片機(jī)之間可采用單總線進(jìn)行通信,僅僅需要一個(gè)I/O口.采集一次,共產(chǎn)生40 bit的溫濕度數(shù)據(jù),通過單總線一次性傳給單片機(jī),數(shù)據(jù)采用校驗(yàn)和方式進(jìn)行校驗(yàn),有效保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性.功耗很低,5 V電源電壓下,最大平均工作電流0.5 mA.

無線通信模塊采用ALIENTEK推出的高性能UART-WIFI(串口—無線)模塊ATK-ESP8266[4].ATKESP8266板載ai-thinker公司的ESP8266模塊,內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧,通過串口與微處理器通信,能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WiFi之間的轉(zhuǎn)換.通過ATK-ESP8266模塊,微處理器只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的串口配置,即可通過網(wǎng)絡(luò)(WiFi)傳輸數(shù)據(jù).ATK-ESP8266模塊支持LVTTL串口,兼容3.3 V和5 V,方便與微處理器模塊連接.

空調(diào)控制模塊采用XK2233-1作為主控芯片,內(nèi)置豐富的定時(shí)器用來調(diào)制遙控信號(hào),豐富的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)海量的空調(diào)控制碼表,覆蓋了市場(chǎng)上常見的空調(diào)品牌及其主要型號(hào).工作電壓2～3.6 V,通過串口與微處理器連接.使用時(shí),首先和普通空調(diào)對(duì)碼,微處理器從SD卡中讀取配置文件,獲取空調(diào)型號(hào)信息,構(gòu)造設(shè)置空調(diào)型號(hào)的數(shù)據(jù)幀通過串口發(fā)送給空調(diào)控制模塊,該模塊即被設(shè)置為該型號(hào)空調(diào)對(duì)應(yīng)的遙控器.后續(xù)接收到空調(diào)控制命令時(shí),空調(diào)控制模塊會(huì)調(diào)制出與普通空調(diào)相匹配的紅外信號(hào),用于控制普通空調(diào).

微處理器通過SDIO口讀取SD卡數(shù)據(jù).系統(tǒng)使用USB接口為微處理器模塊提供5 V電源,通過AMS1117-3.3產(chǎn)生3.3 V的輸出電壓,同時(shí)可為其他模塊提供5 V和3.3 V電源.

4 OneNET平臺(tái)設(shè)置

OneNET[4]是中國移動(dòng)通信集團(tuán)的物聯(lián)網(wǎng)開放云平臺(tái),開發(fā)文檔詳細(xì)完善,開發(fā)者只需按照OneNET平臺(tái)的規(guī)范接入平臺(tái),上傳設(shè)備數(shù)據(jù),平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理等功能,支持HTTP、EDP、MQTT、RGMP等多種接入?yún)f(xié)議[5].

本系統(tǒng)采用EDP協(xié)議接入,利用OneNET云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)手機(jī)和智能空調(diào)控制終端點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信.在OneNET云平臺(tái)上建立的設(shè)備情況如圖4.

圖4 OneNET云平臺(tái)上的虛擬設(shè)備

圖中APIKey和設(shè)備ID用于建立虛擬設(shè)備和實(shí)際設(shè)備的對(duì)應(yīng)關(guān)系,云平臺(tái)上的stmdata設(shè)備ID對(duì)應(yīng)實(shí)際的智能空調(diào)控制終端,temp設(shè)備ID對(duì)應(yīng)手機(jī)APP,APIKey表示設(shè)備關(guān)聯(lián)到平臺(tái)上某個(gè)應(yīng)用,兩個(gè)設(shè)備的APIKey相同,即表示關(guān)聯(lián)到同一個(gè)應(yīng)用.智能空調(diào)控制終端和手機(jī)APP作為終端連接OneNET云平臺(tái),在登錄時(shí)需發(fā)送APIKey和設(shè)備ID給云平臺(tái),平臺(tái)依據(jù)設(shè)備ID判斷某個(gè)設(shè)備上線,依據(jù)APIKey關(guān)聯(lián)應(yīng)用.終端發(fā)送EDP協(xié)議的消息時(shí)帶上目的設(shè)備ID,云平臺(tái)根據(jù)目的設(shè)備ID進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā),實(shí)現(xiàn)不同終端間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信[6].

5 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件部分由手機(jī)APP和基于STM32的單片機(jī)程序組成.

5.1 手機(jī)APP

手機(jī)APP以Android studio作為開發(fā)平臺(tái),設(shè)計(jì)登錄、日志、溫濕度顯示、溫濕度控制4個(gè)UI(圖5),移植EDP協(xié)議到Android平臺(tái),實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP以EDP協(xié)議和云平臺(tái)通信,使用了Android的Activity,Thread,Intent,Handler,Message,MessageQueue等組件和特性.

圖5 智能空調(diào)控制系統(tǒng)手機(jī)APP UI界面

5.2 基于STM32的單片機(jī)程序

單片機(jī)程序采用中斷加輪詢方式實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并行[6],整個(gè)程序使用3個(gè)串口中斷,1個(gè)定時(shí)器中斷,主流程采用輪詢方式.定時(shí)器用于定時(shí)改變LED燈的狀態(tài),提示系統(tǒng)正在工作.串口1用于輸出調(diào)試信息,串口2外接XK2233-1,用于發(fā)送空調(diào)控制碼,串口3外接ATKESP8266,用于上傳溫濕度數(shù)據(jù)、接收云平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)的控制指令和維護(hù)和云平臺(tái)的心跳消息.串口3負(fù)責(zé)上傳溫濕度數(shù)據(jù),為保證能盡量實(shí)時(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)溫濕度,且發(fā)送給空調(diào)的控制命令首先是由串口3負(fù)責(zé)接收,為保證發(fā)出的控制命令是最新的命令,將串口3優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高；為保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度,串口2優(yōu)先級(jí)次之；定時(shí)器優(yōu)先級(jí)中斷再次；串口1調(diào)試用,優(yōu)先級(jí)最低.

主流程負(fù)責(zé)：1)程序初始化(讀取配置文件,獲取設(shè)備ID、目的設(shè)備ID、API-key、接入熱點(diǎn)名、接入熱點(diǎn)密碼、云服務(wù)器IP地址、云服務(wù)器端口、空調(diào)型號(hào)等關(guān)鍵信息,開啟中斷等),2)定時(shí)采集溫濕度數(shù)據(jù),通過串口3發(fā)送給ATK-ESP8266,3)定時(shí)檢查串口3是否有云平臺(tái)發(fā)送過來的指令,若有,進(jìn)行解析,將解析出來的結(jié)果通過串口2發(fā)送給XK2233-1,進(jìn)而發(fā)出紅外控制命令給普通空調(diào).

程序流程圖如圖6.

圖6 智能空調(diào)控制終端STM32程序流程圖

配置文件采用明文文本方式,Key-Value鍵值對(duì)存儲(chǔ),方便修改,格式如圖7.

圖7 智能空調(diào)控制終端配置文件格式

6 通信協(xié)議

手機(jī)APP、智能空調(diào)控制終端和OneNET云平臺(tái)采用EDP協(xié)議通信(如圖8),自定義了登陸、溫濕度數(shù)據(jù)上傳、空調(diào)控制命令等應(yīng)用層消息.

圖8 EDP協(xié)議基本格式

6.1 登陸

登陸消息如圖9,消息體格式如下：

6.2 溫濕度上傳

溫濕度上傳消息如圖10,消息體格式如下：

圖9 登陸消息

圖10 溫濕度上傳消息

6.3 空調(diào)控制命令

空調(diào)控制命令如圖11,消息體格式如下：

圖11 空調(diào)控制命令

命令消息格式中,JSON格式中value值不同即代表開、關(guān)、設(shè)置溫度等不同的控制命令,智能控制終端接收到命令后需進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化,按照空調(diào)控制模塊的命令格式構(gòu)造出數(shù)據(jù)幀發(fā)送給空調(diào)控制模塊.通信協(xié)議格式緊湊,數(shù)據(jù)量不大,傳輸效率高.

7 結(jié)語

本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于中國移動(dòng)開放物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)OneNET,通過增加外置控制模塊遠(yuǎn)程控制普通空調(diào)的系統(tǒng),該系統(tǒng)可改造用于其他帶有紅外通信的普通家電,實(shí)現(xiàn)普通家電上云接入物聯(lián)網(wǎng),具有一定的普遍性.