空調(diào)節(jié)能與監(jiān)管一體化平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李智峰 畢文洋 谷瑞軍

關(guān)鍵詞： 空調(diào)控制；Wi-Fi；嵌入式；STM32；阿里云；云平臺(tái)

1 概述

隨著現(xiàn)代生態(tài)文明建設(shè)的步伐越來(lái)越快，節(jié)能減排低碳發(fā)展要求也越來(lái)越嚴(yán)格，降低能源消耗成本是節(jié)能改造的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，科技進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的發(fā)展應(yīng)用，也加快了節(jié)能技術(shù)的更新?lián)Q代，節(jié)能改造的步伐越來(lái)越快。擁有眾多大型公共建筑的高校節(jié)能改造，勢(shì)在必行。

智能插座，是在物聯(lián)網(wǎng)概念下與智能家居的概念一起發(fā)展的產(chǎn)品。智能家居是物聯(lián)網(wǎng)主要平臺(tái)之一，主要以家庭住宅為主，使用先進(jìn)的技術(shù)對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行控制及管理，從而達(dá)到更高效率、更加節(jié)能、更加便利、更加環(huán)保。

因此本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的空調(diào)節(jié)能與監(jiān)管一體化平臺(tái)，在空調(diào)等高耗能設(shè)備節(jié)能改造中應(yīng)用。通過(guò)改造插座、加裝物聯(lián)網(wǎng)控制模塊，實(shí)現(xiàn)空調(diào)節(jié)能改造及遠(yuǎn)程監(jiān)控，進(jìn)而建立能效監(jiān)管系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心及運(yùn)維平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可視化監(jiān)控管理。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。系統(tǒng)由控制單元、阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、客戶端三部分組成。

系統(tǒng)采用STM32 單片機(jī)作為硬件核心，通過(guò)SUI-101A電流計(jì)統(tǒng)計(jì)實(shí)時(shí)功率，通過(guò)MQTT協(xié)議發(fā)送給阿里云平臺(tái)。硬件平臺(tái)使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，手機(jī)端采用HTML5開(kāi)發(fā)可以適配所有適配H5的移動(dòng)設(shè)備，使用阿里云Iot—Studio開(kāi)發(fā)應(yīng)用。各個(gè)模塊協(xié)同工作，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)多個(gè)控制單元進(jìn)行檢測(cè)和控制，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

3 監(jiān)測(cè)和控制單元設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)與控制單元（如圖2）以STM32F103C8T6單片機(jī)（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(guò)串口接收電流計(jì)數(shù)據(jù)記錄實(shí)時(shí)功率上傳，以及下發(fā)對(duì)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(jī)“AT”指令，使用MQTT協(xié)議[3]與阿里云平臺(tái)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)上傳實(shí)時(shí)功率和下載云平臺(tái)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(fā)射模塊（如圖6），完成對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)功率采集和發(fā)送紅外指令對(duì)空調(diào)進(jìn)行控制。

4 云平臺(tái)結(jié)構(gòu)

云平臺(tái)采用阿里云平臺(tái)，阿里云以飛天云操作系統(tǒng)為核心，建立了自研芯片、服務(wù)器、計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等軟硬一體的新型計(jì)算體系架構(gòu)，“飛天”是中國(guó)唯一自研云操作系統(tǒng)，能將全球的數(shù)百萬(wàn)服務(wù)器連接成一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，單集群規(guī)模突破10 萬(wàn)臺(tái)。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供安全可靠的設(shè)備連接通信能力，支持設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云，規(guī)則引擎流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)和云端數(shù)據(jù)下發(fā)設(shè)備端。此外，還提供方便快捷的設(shè)備管理能力，支持物模型定義，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，和遠(yuǎn)程調(diào)試、監(jiān)控、運(yùn)維。

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是一個(gè)集成了設(shè)備管理、數(shù)據(jù)安全通信和消息訂閱等能力的一體化平臺(tái)。向下支持連接海量設(shè)備，采集設(shè)備數(shù)據(jù)上云；向上提供云端API，服務(wù)端可通過(guò)調(diào)用云端API將指令下發(fā)至設(shè)備端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。通信結(jié)構(gòu)如圖7。

要使感知網(wǎng)絡(luò)層與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通信需要經(jīng)過(guò)以下

五個(gè)步驟[5]：

（1）創(chuàng)建產(chǎn)品與設(shè)備：根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求，創(chuàng)建產(chǎn)品和設(shè)備，獲取設(shè)備證書信息即三元組：Product? Key、DeviceName 和DeviceSecret，作為設(shè)備連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的身份認(rèn)證。

（2）為產(chǎn)品定義物模型：將感知網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備抽象成由屬性、服務(wù)、事件所組成的數(shù)據(jù)模型后，就能在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上進(jìn)行管理和數(shù)據(jù)交互。

（3）建立設(shè)備與平臺(tái)的連接：感知網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備根據(jù)設(shè)備證書信息通過(guò)MQTT 協(xié)議連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)控制臺(tái)就可以看到設(shè)備狀態(tài)顯示為在線。

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

（5）設(shè)備端通過(guò)接口定時(shí)發(fā)布屬性狀態(tài)的Topic，并獲取屬性設(shè)置Topic，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的上報(bào)和操作命令的下發(fā)。完成感知網(wǎng)絡(luò)層和阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通信后，還需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和Web 服務(wù)器通信，把物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)。因此需要在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上配置服務(wù)端訂閱，主要有以下三個(gè)步驟：創(chuàng)建消費(fèi)組，創(chuàng)建訂閱，服務(wù)端集成并運(yùn)行AMQP 客戶端。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)采用AMQP 服務(wù)端訂閱實(shí)現(xiàn)將設(shè)備消息流轉(zhuǎn)到Web 服務(wù)器上，然后將設(shè)備消息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

5 客戶端設(shè)計(jì)

5.1 移動(dòng)客戶端

移動(dòng)端使用HTML5設(shè)計(jì)，調(diào)用阿里云物聯(lián)網(wǎng)API 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的管理、屬性讀取、監(jiān)控運(yùn)維、遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)時(shí)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(kāi)發(fā)Web應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和控制。UI如圖9。

6 云平臺(tái)上傳測(cè)試

MQTT.fx是一款基于Eclipse Paho使用Java語(yǔ)言編寫的MQTT客戶端，支持Windows、Mac和Linux操作系統(tǒng)，可用于驗(yàn)證設(shè)備是否可與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)正常連接，并通過(guò)Topic 訂閱和發(fā)布消息。我們這邊使用MQTT.fx對(duì)云平臺(tái)通信進(jìn)行測(cè)試。將阿里云提供的clientId、username、passwd、mqttHostUrl、port 填入MQTT.FX的連接設(shè)置參數(shù)里，點(diǎn)擊connect和阿里云平臺(tái)進(jìn)行MQTT連接（如圖11），現(xiàn)實(shí)綠燈與服務(wù)器連接成功。然后對(duì)“/sys/a10seXt9FID/MQTT_FX_Client/thing/ service/property/set”topic進(jìn)行訂閱，當(dāng)云平臺(tái)發(fā)送set 對(duì)RT（紅外遙控信號(hào)擋位）時(shí)，mqtt.fx會(huì)收到對(duì)應(yīng)的json 包（如圖 12），對(duì)“/sys/a10seXt9FID/MQTT_FX_Client/ thing/event/property/post”topic進(jìn)行發(fā)布json（如圖13），云平臺(tái)會(huì)收到并解析（如圖14）。由此測(cè)試可以得到云平臺(tái)物模型正確并可以通信。

該一體化平臺(tái)經(jīng)過(guò)多次不同教學(xué)樓不同種類空調(diào)的多次測(cè)試，以及不斷的修改完善，已經(jīng)能夠取得良好的實(shí)際效果。用戶操作軟件，能實(shí)現(xiàn)空調(diào)遙控功能，準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)。圖15為在移動(dòng)客戶遙控控制立式空調(diào)溫度調(diào)為16攝氏度制冷結(jié)果。

根據(jù)多次測(cè)試，此一體化平臺(tái)要運(yùn)行穩(wěn)定，且滿足節(jié)能的日常使用要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的空調(diào)節(jié)能與監(jiān)管一體化平臺(tái)。該平臺(tái)將傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等相結(jié)合，有效地實(shí)現(xiàn)了空調(diào)的節(jié)能，具有很高的實(shí)用性。