空調節能與監管一體化平臺設計與實現

李智峰 畢文洋 谷瑞軍

關鍵詞： 空調控制；Wi-Fi；嵌入式；STM32；阿里云；云平臺

1 概述

隨著現代生態文明建設的步伐越來越快，節能減排低碳發展要求也越來越嚴格，降低能源消耗成本是節能改造的發展趨勢。同時，科技進步，物聯網、大數據的發展應用，也加快了節能技術的更新換代，節能改造的步伐越來越快。擁有眾多大型公共建筑的高校節能改造，勢在必行。

智能插座，是在物聯網概念下與智能家居的概念一起發展的產品。智能家居是物聯網主要平臺之一，主要以家庭住宅為主，使用先進的技術對電子設備進行控制及管理，從而達到更高效率、更加節能、更加便利、更加環保。

因此本文設計開發了基于物聯網的空調節能與監管一體化平臺，在空調等高耗能設備節能改造中應用。通過改造插座、加裝物聯網控制模塊，實現空調節能改造及遠程監控，進而建立能效監管系統數據中心及運維平臺，實現設備的可視化監控管理。

2 系統架構設計

系統總體設計如圖1所示。系統由控制單元、阿里云物聯網平臺、客戶端三部分組成。

系統采用STM32 單片機作為硬件核心，通過SUI-101A電流計統計實時功率，通過MQTT協議發送給阿里云平臺。硬件平臺使用C語言進行編程，手機端采用HTML5開發可以適配所有適配H5的移動設備，使用阿里云Iot—Studio開發應用。各個模塊協同工作，可以實現遠程對多個控制單元進行檢測和控制，以實現節能的目的。

3 監測和控制單元設計

監測與控制單元（如圖2）以STM32F103C8T6單片機（如圖3）[1]為控制核心和ESP01Wi-Fi模塊（如圖4）[2]作為通信核心，通過串口接收電流計數據記錄實時功率上傳，以及下發對紅外模塊的控制指令。

通信模塊主要是ESP01Wi-Fi通信模塊連接Wi- Fi之后接收單片機“AT”指令，使用MQTT協議[3]與阿里云平臺進行通信，實現上傳實時功率和下載云平臺控制指令。

采集控制模塊包括SU-101A電量傳感器（如圖5） 和IR05紅外發射模塊（如圖6），完成對當前節點的實時功率采集和發送紅外指令對空調進行控制。

4 云平臺結構

云平臺采用阿里云平臺，阿里云以飛天云操作系統為核心，建立了自研芯片、服務器、計算、存儲、網絡等軟硬一體的新型計算體系架構，“飛天”是中國唯一自研云操作系統，能將全球的數百萬服務器連接成一臺超級計算機，單集群規模突破10 萬臺。阿里云物聯網平臺提供安全可靠的設備連接通信能力，支持設備數據采集上云，規則引擎流轉數據和云端數據下發設備端。此外，還提供方便快捷的設備管理能力，支持物模型定義，數據結構化存儲，和遠程調試、監控、運維。

阿里云物聯網平臺是一個集成了設備管理、數據安全通信和消息訂閱等能力的一體化平臺。向下支持連接海量設備，采集設備數據上云；向上提供云端API，服務端可通過調用云端API將指令下發至設備端，實現遠程控制。通信結構如圖7。

要使感知網絡層與阿里云物聯網平臺通信需要經過以下

五個步驟[5]：

（1）創建產品與設備：根據實際的應用需求，創建產品和設備，獲取設備證書信息即三元組：Product? Key、DeviceName 和DeviceSecret，作為設備連接物聯網平臺的身份認證。

（2）為產品定義物模型：將感知網絡層設備抽象成由屬性、服務、事件所組成的數據模型后，就能在物聯網平臺上進行管理和數據交互。

（3）建立設備與平臺的連接：感知網絡層設備根據設備證書信息通過MQTT 協議連接物聯網平臺，在物聯網平臺控制臺就可以看到設備狀態顯示為在線。

（4）定義物模型通信Topic ：設置屬性上報、屬性設置和事件上報Topic。

（5）設備端通過接口定時發布屬性狀態的Topic，并獲取屬性設置Topic，從而實現設備數據的上報和操作命令的下發。完成感知網絡層和阿里云物聯網平臺通信后，還需要進一步實現阿里云物聯網平臺和Web 服務器通信，把物聯網平臺數據存儲到MySQL 數據庫。因此需要在物聯網平臺上配置服務端訂閱，主要有以下三個步驟：創建消費組，創建訂閱，服務端集成并運行AMQP 客戶端。阿里云物聯網平臺采用AMQP 服務端訂閱實現將設備消息流轉到Web 服務器上，然后將設備消息存儲到數據庫中。

5 客戶端設計

5.1 移動客戶端

移動端使用HTML5設計，調用阿里云物聯網API 可以實現對遠程設備的管理、屬性讀取、監控運維、遠程操作，實現了對實時功率的顯示、擋位選擇的功能，UI如圖8所示。

5.2 PC 客戶端

PC客戶端使用Iot—Studio開發Web應用實現對多個節點進行統計和控制。UI如圖9。

6 云平臺上傳測試

MQTT.fx是一款基于Eclipse Paho使用Java語言編寫的MQTT客戶端，支持Windows、Mac和Linux操作系統，可用于驗證設備是否可與物聯網平臺正常連接，并通過Topic 訂閱和發布消息。我們這邊使用MQTT.fx對云平臺通信進行測試。將阿里云提供的clientId、username、passwd、mqttHostUrl、port 填入MQTT.FX的連接設置參數里，點擊connect和阿里云平臺進行MQTT連接（如圖11），現實綠燈與服務器連接成功。然后對“/sys/a10seXt9FID/MQTT_FX_Client/thing/ service/property/set”topic進行訂閱，當云平臺發送set 對RT（紅外遙控信號擋位）時，mqtt.fx會收到對應的json 包（如圖 12），對“/sys/a10seXt9FID/MQTT_FX_Client/ thing/event/property/post”topic進行發布json（如圖13），云平臺會收到并解析（如圖14）。由此測試可以得到云平臺物模型正確并可以通信。

該一體化平臺經過多次不同教學樓不同種類空調的多次測試，以及不斷的修改完善，已經能夠取得良好的實際效果。用戶操作軟件，能實現空調遙控功能，準確獲取數據。圖15為在移動客戶遙控控制立式空調溫度調為16攝氏度制冷結果。

根據多次測試，此一體化平臺要運行穩定，且滿足節能的日常使用要求。

7 結束語

本文介紹了基于物聯網的空調節能與監管一體化平臺。該平臺將傳感器技術、嵌入式技術、物聯網技術等相結合，有效地實現了空調的節能，具有很高的實用性。