空調的智能控制系統

白 磊 ，欽仿仿 ，崔羊威 ，彭 輝 ，孟慶濤

（1.華北水利水電大學 電力學院，鄭州450011；2.國網河南禹州市供電公司，禹州461670；3.河南省預建工程管理有限公司，鄭州450000）

智能家居系統具有安全、方便、高效、快捷、智能化、人性化的獨特魅力，對于改善現代人類的生活質量，創造舒適、安全、便利的生活空間有著非常重要的意義，并具有非常廣闊的市場前景[1]。作為主要的家用電器之一，空調的智能化控制具有重要的意義。空調雖然已經普及，但空調遙控器采用的是紅外編碼，它受控制距離和控制方向的限制，局限于房間內，不能遠程控制也不能實現自動控制。國內已有文章涉及到空調的遠程控制，有的使用Internet或WiFi和ZigBee組成控制網絡。Internet成本高且必須要求系統上網，受條件限制比較多。WiFi技術存在成本高、安全性低的問題，也同樣要求網絡接入，受條件限制。現在的空調定時一般只有30 min、60 min、90 min等幾個等級，而國內研究中很少有人涉及空調的定時改進。

本文設計的智能控制系統以無線控制空調為主，結合GPRS、射頻、紅外技術可以在任何有手機信號覆蓋的地方完成空調控制。融合了DS1302芯片，使空調定時可以從1 min到幾百個小時任意調節。可以不破壞原有裝修，不用對空調進行任何改裝，只需在空調旁邊等處安裝模塊即可實現空調的智能控制。系統已作為產品應用在家庭裝修行業，2014年10月在駐馬店鑫啟源裝修裝飾工程公司投用并取得良好的經濟效益。

1 系統總體方案

系統總體框圖如圖1所示，該系統采用GPRS、射頻、紅外3種無線傳輸方式來實現遠程、室外以及室內等方式來控制空調。通過DS1302時鐘芯片來讀取時間，使空調定時可以精確到分秒。遠程手機終端可通過GPRS、手機短信發送各種命令使空調完成相應的操作以及讀取室內外溫度。室外遙控器則采用實時性更高的射頻模塊來通信，射頻信號可以實時多方向穿墻發射且不產生任何費用。系統的控制中心可以實現和手機以及射頻遙控器的雙向通信。其接收到命令后用射頻模塊把命令轉發給各個房間的接收子系統。由于空調只能接收并識別紅外信號，要想在不改變空調的前提下來實現智能控制，接收子系統只能通過紅外信號控制空調運作。

圖1 系統總體框圖Fig.1 Overall system black diagram

系統控制中心采用低功耗單片機MSP430 F149為主控制器，GPRS模塊用開發方便的TD-3000模塊，射頻傳輸采用低功耗的CC1101模塊。射頻遙控器與接收子系統采用低功耗單片機MSP 430F1222為主控制器。下面具體分析各個模塊的工作原理和過程。

2 系統的硬件實現

系統的硬件實現包括系統控制中心、室外遙控器及接收子系統3個部分。

2.1 系統控制中心的硬件設計

系統控制中心由單片機最小系統、射頻收發模塊、GPRS收發模塊以及LCD顯示等外圍電路構成，系統結構框圖如圖2所示。

圖2 系統控制中心結構框圖Fig.2 System control center structure diagram

單片機最小系統，或稱為最小應用系統，是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統[2]。單片機選用MSP430F149，MSP430系列是一個超低功耗類型的單片機[3]，在低功耗方面的優越之處是其它系列的單片機不可比擬的。

GPRS模塊選用的是TD-3000模塊。TD-3000是一款基于GSMGPRS網絡的無線數傳終端設備。該模塊需要的是4 V/2 A的供電電源，需要用MIC29302把5 V電壓穩壓到4 V，最高可提供3 A的電流，能夠滿足TD-3000模塊峰值電流2 A的要求[4]。GPRS模塊可以直接和單片機的UART串口相連接實現雙向通信。單片機與模塊之間通信的串口模特率配置為115200 Hz、沒有校驗位、8位數據位、1個停止位。

射頻模塊選用的是低功耗的CC1101模塊。CC1100是一種單片UHF射頻芯片，具有功耗低、靈敏度高、鏈接性能好、工作穩定、外圍元件簡單的特點[5]。 CC1101 工作電壓為 1.8～3.6 V，因為 MSP430單片機需要3.3 V供電，所以其電壓也選擇3.3 V供電，可減少電源數量、使通信電壓一致。該模塊通過SPI傳輸方式進行命令和數據交換。高效的SPI串行編程接口，可用單片機IO口模擬SPI時序，也可用單片機固化的SPI口直接通信。模塊通信方便可靠，空曠條件下穩定的通信距離可達200～300 m。

2.2 室外遙控器的硬件設計

室外遙控器通過射頻模塊在室外室內控制多個空調，實現空調的組網功能。主要是由單片機最小系統、射頻收發模塊、LCD顯示以及按鍵鍵盤等外圍電路構成，系統結構框圖如圖3所示。

圖3 室外遙控器結構框圖Fig.3 Outdoor remote control structure diagram

因為其外圍電路功能簡單，因此采用引腳更少、使用更方便的MSP430F1222單片機。電源采用3節5號鎳氫充電電池，能提供3.6 V/1.2 A的電源。射頻收發模塊依然選用CC1101模塊，采用433 MHz頻段進行通信。鍵盤采用4×5的擴展鍵盤，按鍵包括開關、空調命令按鍵以及讀取空調狀態按鍵、備用按鍵。備用按鍵以滿足更多品牌的空調使用。在不改動室外遙控器硬件的前提下只需要軟件程序就能使其適應各種空調。LCD顯示采用OLED液晶顯示屏，能夠清楚地顯示出空調型號以及當前空調工作模式，并能夠顯示操作說明，指導用戶下一步操作，使人機能夠方便地進行信息交互。

2.3 接收子系統的硬件設計

接收子系統利用射頻模塊接收系統控制中心命令，然后通過紅外發射頭把命令傳送給空調，使空調按照手機、遙控器的要求工作。接收子系統由單片機最小系統、射頻收發模塊以及紅外發射電路等外圍電路構成，系統結構框圖如圖4所示。

圖4 接收子系統結構框圖Fig.4 Receiving subsystem structure diagram

單片機及射頻模塊的選型和室外遙控器一樣。對于紅外發射電路，由于單片機IO口驅動能力有限，不能直接驅動紅外發射管，而且紅外發射的距離在一定條件下和發射功率成正比，所以采用三極管驅動的經典電路，如圖5所示。這樣可以確保紅外發射有足夠的功率。因為紅外發光二極管本身在制作的時候有個發射角度，這個發射角度的范圍也會隨著型號的不同而發生變化[6]，這里選用的是發射角為120°的紅外發射二極管。為實現對空調的360°全方位控制，本模塊采用了3個紅外發射電路，這3個紅外二極管在安裝時互成120°夾角，這樣就保證空調可接收到任意角度發來的命令，保證了對空調控制的可靠性。這里38 kHz的載波信號是通過MSP430F1222自身的定時器模塊來產生的，減少了設計成本，也使電路設計更為簡單。

圖5 紅外發射電路Fig.5 The infrared emission circuit

3 軟件設計

軟件設計同樣包括幾個部分，對于室外遙控器來說，其主要功能是把控制命令通過射頻信號發給控制中心并能夠讀出系統控制中心發送過來的空調模式等參數進行顯示。系統控制中心重點是讀出收到的手機和室外遙控器的命令并轉發給接收子系統，而接收子系統則要準確接收系統控制中心的命令，并能夠正確發出對應的紅外命令。為了防止家庭與家庭、空調與空調之間的相互干擾以及手機無用短信的干擾，控制中心在接收手機和室外遙控器控制空調時就需要自己做好通信格式，只接收與自己通信命令一樣的數據。其通信格式如表1所示。

表1 GPRS、射頻通信格式Tab.1 GPRS、RF communication format

其中起始位指令用1個字節來判斷手機控制端的指令開始。用戶密碼是2個字節，這樣不容易破譯，可以確保系統的安全性，而且可以使不同家庭不存在相互干擾。空調編號指的是針對哪一個空調的指令，占用1個字節，對于手機能識別的ASCII碼來說，只算上英文字母及數字，一個系統就能包含36臺空調。根據遠程操控的實際意義，只把一部分命令加載到空調指令上，采用22個字節，2個字節能組成1個漢字，足夠滿足對控制的要求。結束位用1個字節來判斷手機控制端的指令結束。通信格式可擴展性強，命令增添方便，只需修改程序就能夠滿足更多空調、更多命令的控制。其中空調指令的22個字節通信格式如表2所示。

表2 空調指令通信協議Tab.2 Air conditioning command communication protocol

例如，如果要控制編號為1的空調，密碼設置為BL，溫度在25℃，制冷模式，風速為三級，定時2 h。要完成這些功能，需發送的短信內容是“QBL1開制冷三級風25℃ 0120分J”，其中Q代表起始位，BL代表用戶密碼，1代表空調編號，開代表打開空調，制冷代表選擇模式，三級風代表風速，25℃代表溫度，0120分代表定時時間，最小1 min，最大可以9999 min，J代表結束位。

室外遙控器的系統首先是單片機及模塊初始化，等待按鍵按下。如果按下的是空調控制命令鍵，則通過射頻向控制中心發射相應的空調指令，而后返回繼續等待按鍵按下。如果按下的鍵是讀取空調狀態按鍵，則通過射頻向控制中心發射相應的讀取指令，而后等待空調信息返回，讀取并液晶顯示空調狀態，最后返回等待按鍵。

控制中心系統軟件流程如圖6所示，首先是單片機與模塊初始化，等待接收GPRS以及室外遙控器命令，判斷如果是空調控制命令，則通過射頻轉發給接收子系統，而后返回繼續等待接收命令。如果是讀取空調狀態命令，則給接收子系統發送讀取狀態命令，等待讀取狀態并轉發給手機以及室外遙控器，最后返回等待接收命令。

接收子系統首先是單片機與模塊初始化，等待接收命令。接收到正確命令則判斷是空調指令還是讀取空調狀態指令。如果是空調指令則發射相應的紅外代碼，如果是讀取空調狀態的指令則把空調狀態發送出去，之后程序繼續等待接收命令。

圖6 系統控制中心流程圖Fig.6 System control center flow chart

4 結語

本文設計的空調智能控制系統把GPRS、射頻、紅外幾種無線傳輸方式結合在一起，實現了空調的遠程控制、組網控制、精確定時以及自動智能控制。空調的智能控制系統也為以后更多的智能化提供了應用基礎。在以MSP430F149為控制核心的基礎上，擴展語音、網絡等多種方法控制空調。并以駐馬店鑫啟源裝修裝飾工程公司為市場中心，向其它裝修公司以及更多的行業拓展。

[1]高小平.中國智能家居的現狀及發展趨勢[J].低壓電器，2005（4）：18-21.

[2]李彬，王朝陽，卜濤，等.基于MSP430F149的最小系統設計[J].國外電子測量技術，2009，28（12）：81-83.

[3]劉立群，孫志毅，金坤善.基于MSP430單片機的超低功耗數據采集器設計[J].自動化儀表，2005，26（4）：30-32.

[4]李濤，馬殷元，楊東.基于STM32的GPRS遠程監測終端設計[J].電子世界，2012（6）：132-133.

[5]徐興，徐勝，王衛星，等.基于CC1100的無線傳輸系統設計[J].科學技術與工程，2012，12（24）：86-91.

[6]趙瑾，廉小親，吳葉蘭，等.基于MSP430和CC2530的空調遠程控制節點的設計[J].測控技術，2013，32（10）：80-83.