摘 要：普通空調(diào)因?yàn)闊o(wú)法對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控而普遍存在用電浪費(fèi)、不能提前開(kāi)啟進(jìn)而獲得更好客戶體驗(yàn)等問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)基于OneNET云平臺(tái)的智能空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)普通空調(diào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)由智能空調(diào)控制終端、手機(jī)APP、OneNET云平臺(tái)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信、紅外控制、溫濕度采集等功能；手機(jī)APP通過(guò)云平臺(tái)遠(yuǎn)程控制空調(diào)的開(kāi)、關(guān)、溫度設(shè)定等，并顯示現(xiàn)場(chǎng)溫濕度數(shù)據(jù)；OneNET云平臺(tái)上創(chuàng)建對(duì)應(yīng)真實(shí)設(shè)備的虛擬設(shè)備，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP和智能空調(diào)控制終端的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。實(shí)驗(yàn)表明：只要在云平臺(tái)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(jī)APP對(duì)多臺(tái)空調(diào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，進(jìn)而提高客戶體驗(yàn)，減少用電浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞：智能空調(diào)；遠(yuǎn)程控制；OneNET；XK555；ESP8266；STM32F103C8T6；自動(dòng)配網(wǎng)；對(duì)碼

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）07-0-05

0 引 言

加強(qiáng)空調(diào)管理對(duì)于節(jié)能減排、控制運(yùn)行費(fèi)用有重要且現(xiàn)實(shí)的意義。當(dāng)前市場(chǎng)上已推出具有WiFi功能[1]的智能空調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，但是價(jià)格比普通空調(diào)貴得多，而且對(duì)之前已經(jīng)售出的普通空調(diào)仍然不能做到遠(yuǎn)程控制。本文通過(guò)外置的智能空調(diào)控制終端，配合手機(jī)APP、云平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制普通空調(diào)。在手機(jī)APP上實(shí)現(xiàn)空調(diào)遙控器所具有的所有命令，如開(kāi)、關(guān)、設(shè)置溫度、制冷、制熱等，將這些命令通過(guò)云平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)給智能空調(diào)控制終端，終端再通過(guò)XK555將命令轉(zhuǎn)換為紅外信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制空調(diào)的目的。智能空調(diào)控制終端通過(guò)DHT11采集溫濕度數(shù)據(jù)，上傳給云平臺(tái)，云平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)給手機(jī)APP進(jìn)行顯示，以此獲取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息。

1 智能空調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

OneNET是由中國(guó)移動(dòng)打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平

臺(tái)[2]，基于物聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)打造專業(yè)化網(wǎng)絡(luò)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(tái)上創(chuàng)建應(yīng)用，在應(yīng)用下建立虛擬設(shè)備，每個(gè)虛擬設(shè)備有其設(shè)備ID和APIKey；手機(jī)APP、智能空調(diào)控制終端作為真實(shí)設(shè)備接入，接入時(shí)需要發(fā)送設(shè)備ID和APIKey對(duì)應(yīng)應(yīng)用下的虛擬設(shè)備，建立真實(shí)設(shè)備和虛擬設(shè)備的對(duì)應(yīng)關(guān)系。手機(jī)APP下發(fā)控制命令，控制命令中帶有接收該命令的設(shè)備ID，OneNET云平臺(tái)收到后轉(zhuǎn)發(fā)給該設(shè)備ID對(duì)應(yīng)的真實(shí)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(yīng)的紅外信號(hào)，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(shí)會(huì)帶上手機(jī)APP的設(shè)備ID，OneNET云平臺(tái)收到后轉(zhuǎn)發(fā)給該設(shè)備ID對(duì)應(yīng)的真實(shí)手機(jī)設(shè)備上的APP。至此，通過(guò)OneNET云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了手機(jī)APP和智能空調(diào)控制終端的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。智能空調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖1所示。云平臺(tái)上的設(shè)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(dǎo)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(gè)USART、SPI、I2C、定時(shí)器等外設(shè)資源，能滿足當(dāng)前的應(yīng)用需要。STM32F103C8T6的性價(jià)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?jìng)髂K[4]，是一個(gè)高性能的無(wú)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(kāi)發(fā)，其中SDK使用樂(lè)鑫提供的庫(kù)函數(shù)來(lái)編寫(xiě)程序，AT 開(kāi)發(fā)是指使用外部單片機(jī)通過(guò)串口和WiFi模塊通信，其通信的指令中包含AT前綴，這種開(kāi)發(fā)方式的開(kāi)發(fā)周期短。主控MCU通過(guò)串口和ESP8266相連，發(fā)送AT指令[5]，通過(guò)ESP8266與外部進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。AT指令有測(cè)試、查詢、設(shè)置、執(zhí)行四種類(lèi)型，見(jiàn)表1所列。

XK555是一款內(nèi)置紅外碼庫(kù)的高性能芯片，使用簡(jiǎn)單，功耗低，覆蓋國(guó)內(nèi)外主要電器品牌，與主控MCU通過(guò)串口相連，內(nèi)置碼庫(kù)數(shù)據(jù)，無(wú)需額外支付紅外碼庫(kù)費(fèi)用。XK555定義了14種設(shè)備遙控類(lèi)型，其中包含空調(diào)、電視、機(jī)頂盒、電視盒子、投影儀、功放、掃地機(jī)器人等，并且有2個(gè)是自定義學(xué)習(xí)型，使用時(shí)可以自由切換命令，每個(gè)自定義學(xué)習(xí)類(lèi)型可以學(xué)習(xí)32個(gè)按鍵，按鍵名稱由主機(jī)來(lái)保存，XK555不區(qū)分按鍵功能。

以XK555的空調(diào)遙控類(lèi)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(yàn)。其中，0x80為命令詞；Device_id為需要新建的遙控器類(lèi)型，例如：1表示空調(diào)，2表示電視，3表示機(jī)頂盒，4表示DVD播放器，5表示電風(fēng)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(xué)習(xí)型，13表示掃地機(jī)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(guò)查閱品牌型號(hào)對(duì)應(yīng)表獲取。功能：新建一個(gè)遙控器，使用遙控器前必須要先建立一個(gè)遙控器，否則其他調(diào)用會(huì)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(yàn)。其中，0x81為命令詞；Device_id為需要匹配的遙控器類(lèi)型。功能：通過(guò)使用原配遙控器向XK555發(fā)送電源開(kāi)機(jī)按鍵指令來(lái)搜索本地碼庫(kù)對(duì)應(yīng)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(huì)返回一個(gè)short型的數(shù)值（KfidH，KfidL）。若超過(guò)10" s沒(méi)有收到信號(hào)，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(hào)

控制命令涉及的字段：0x86、Device_id、Keyid、Keyvalue、00、XOR校驗(yàn)。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(cuò)誤ID。功能：發(fā)射紅外控制信號(hào)。

通過(guò)XK555控制一臺(tái)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(hào)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(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件。微控制器MCU與DHT11之間通過(guò)GPIO口相連，采用單總線數(shù)據(jù)格式進(jìn)行通信和同步，一次通信時(shí)間在4 ms左右。

OLED簡(jiǎn)單易用，占用較少GPIO口，常見(jiàn)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(shí)現(xiàn)

如圖4所示，配置階段分為兩個(gè)步驟。

（1）配置智能空調(diào)控制終端的設(shè)備ID、APIKey

智能空調(diào)控制終端的ESP8266首先工作在服務(wù)器模式，提供熱點(diǎn)服務(wù)，給出服務(wù)器IP、Port，手機(jī)APP接入熱點(diǎn)，輸入服務(wù)器IP、Port，作為客戶端連接服務(wù)器；將登錄云平臺(tái)時(shí)需要提交的設(shè)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(shí)用到的WiFi熱點(diǎn)、密碼

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

完成配置后，進(jìn)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(jìn)行對(duì)碼，學(xué)習(xí)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(zhǔn)備。終端發(fā)送一鍵匹配命令給XK555，進(jìn)入匹配模式，只需將空調(diào)遙控器對(duì)著XK555按下電源鍵，即可完成對(duì)碼，對(duì)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(shè)備ID和APIKey登錄云平臺(tái)。登錄成功后，顯示終端當(dāng)前的狀態(tài)，包括溫濕度數(shù)據(jù)、XK555的狀態(tài)等。云平臺(tái)上也會(huì)顯示終端設(shè)備是否在線，若設(shè)備在線，智能空調(diào)控制終端定時(shí)發(fā)送心跳消息，維持與云平臺(tái)的長(zhǎng)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X(jué)K555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(hào)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(guò)串口2返回給主控；串口3外接ESP8266，負(fù)責(zé)接收云平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的手機(jī)APP的命令，并上傳溫濕度數(shù)據(jù)、心跳消息給云平臺(tái)。串口1、2、3工作在中斷方式下，為保證能及時(shí)收到云平臺(tái)的數(shù)據(jù)，串口3優(yōu)先級(jí)設(shè)置得最高，串口2優(yōu)先級(jí)次之，串口1優(yōu)先級(jí)最低。

主流程采用輪詢方式，周期性檢查是否收到云平臺(tái)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(guò)串口2發(fā)送給XK555；主流程還需要維護(hù)與云平臺(tái)的長(zhǎng)連接，周期性發(fā)送心跳消息給云平臺(tái)，若發(fā)現(xiàn)通信異常，需要斷開(kāi)連接，重連云平臺(tái)。智能空調(diào)控制終端流程如圖5所示。

手機(jī)APP基于Android Studio開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)了登錄、添加設(shè)備、初始化設(shè)備、智能空調(diào)控制、日志等界面，編寫(xiě)EDP協(xié)議類(lèi)，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、SQLite、Fragment、Adapter等組件和特性。

手機(jī)APP可以同時(shí)控制多個(gè)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(diǎn)擊右上角添加設(shè)備，即跳轉(zhuǎn)到圖6（b）所示的添加設(shè)備界面，需要輸入設(shè)備昵稱（一般用房間號(hào)碼表示）、設(shè)備在云平臺(tái)上的虛擬設(shè)備ID、空調(diào)品牌等信息；點(diǎn)擊確定按鈕即進(jìn)入到圖6（c）所示的初始化設(shè)備界面。初始化設(shè)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(wù)器時(shí)的IP、Port，以Socket方式將設(shè)備ID、APIKey等信息發(fā)送給智能空調(diào)控制終端；配置終端，點(diǎn)擊“確定”之后可以看到在登錄界面多了一個(gè)目的設(shè)備，點(diǎn)擊垃圾桶圖標(biāo)可以刪除該目的設(shè)備，點(diǎn)擊書(shū)寫(xiě)圖標(biāo)可以對(duì)設(shè)備信息進(jìn)行修改。

在登錄界面選擇需要控制的目的設(shè)備，可以選多個(gè)，點(diǎn)擊連接即進(jìn)入到圖6（d）所示的智能空調(diào)控制界面，點(diǎn)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(hào)表示，即601、602等，選中602，點(diǎn)擊其他圖標(biāo)，比如開(kāi)、關(guān)等，系統(tǒng)會(huì)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(huì)上傳至602的智能空調(diào)控制終端。點(diǎn)擊右上角的記事本圖標(biāo)，會(huì)進(jìn)入到圖6（e）所示的日志界面。

為實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP對(duì)多個(gè)終端的控制，用數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite[8]存儲(chǔ)空調(diào)品牌信息，設(shè)計(jì)BrandAdapter類(lèi)管理設(shè)備信息，用Listlt;Stringgt;類(lèi)型定義設(shè)備ID、設(shè)備昵稱、空調(diào)品牌等成員變量，BrandAdapter類(lèi)繼承RecyclerView.Adapte類(lèi)[9]，并重寫(xiě)三個(gè)抽象方法：onCreateViewHolder、onBindViewHolder和getItemCount。調(diào)用這些方法后，子項(xiàng)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(shè)備昵稱后，即可顯示對(duì)應(yīng)終端的溫濕度數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)HumitureFragment類(lèi)管理溫濕度數(shù)據(jù)。HumitureFragment類(lèi)繼承Fragment[10]類(lèi)，F(xiàn)ragment是一種可以嵌入在活動(dòng)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(gè)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(jìn)行分組，并進(jìn)行模塊化管理。Fragment不能單獨(dú)使用，需要嵌套在Activity中使用。當(dāng)智能空調(diào)控制界面Activity接收到云平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的溫濕度數(shù)據(jù)后，傳給對(duì)應(yīng)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(yǔ)

本文提出并實(shí)現(xiàn)了通過(guò)手機(jī)APP基于云平臺(tái)遠(yuǎn)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(wù)器模式；手機(jī)APP作為客戶端連接服務(wù)器，對(duì)終端進(jìn)行配置；使用ESP8266的SmartConfig功能，終端自動(dòng)獲取WiFi熱點(diǎn)及密碼；使用XK555的一鍵匹配功能自動(dòng)進(jìn)行空調(diào)對(duì)碼，終端配置靈活，有自適應(yīng)性；在手機(jī)APP上可實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的終端控制，有較強(qiáng)的實(shí)用性、靈活性。本文系統(tǒng)基于云平臺(tái)的“云-管-端”模式開(kāi)發(fā)，對(duì)類(lèi)似項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]茍少旎.淺談寶雞廣電“全屋WiFi”技術(shù)應(yīng)用[J].中國(guó)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(cè)系統(tǒng)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2023，23（2）：38-41.

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

[4]管嘉誠(chéng)，李曉烽，黃志芳，等.基于ESP8266與機(jī)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(wú)線模塊的AT指令UDP透?jìng)髟O(shè)計(jì)[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(yīng)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(cè)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(kù)研究與可視化[D].南京：南京郵電大學(xué)，2020.

[9]邵國(guó)紅. Android開(kāi)發(fā)中常用數(shù)據(jù)適配器的應(yīng)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(kāi)發(fā)中Activity和Fragment+的通信方式分析[J].電子世界，2021，43（11）：98-100.