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空调智能控制系统设计研究

 论文栏目:智能控制论文     更新时间:2017/10/12 9:10:51   

摘要:为了实现空调的智能控制,在分析现有空调控制系统不足的基础上,采用STC89C54单片机为空调红外学习和发送控制核心,利用web云端、智能手机端APP、手机短信、语音等多种平台,通过GPRS、internet网络、蓝牙等无线通信技术,完成智能空调控制系统的设计,用户可利用普通手机或带有控制软件的智能手机、平板电脑、计算机网页浏览器等多个终端平台实现对空调的本地和远程控制。实践证明,该系统可靠稳定,使用方便,具有较高的实际应用价值。

关键字:STC89C54单片机;多平台控制;智能空调

引言

随着物联网技术的不断发展,人们的生活习惯、休闲方式与消费习惯也在不断的改变,而智能化家居在人民群众的生活中起到越来越重要的作用。空调作为日常生活中较为重要的家电产品,传统空调因为其遥控器的控制范围有限,人们往往需要花费一定时间等待空调制冷或者制热,造成了一定的时间上的浪费;而现有的智能空调在远程控制上的方式也较为单一,且各品牌之间协议相互不兼容,相关技术也无法实现对现有传统空调的改造。本文将设计一种全新的物联网智能空调控制系统,实现在本地和远程多个平台上的多种空调控制方式。通过实际运行调试,验证系统设计方案的可行性和有效性。

1空调智能控制系统总体设计

本系统主要由STC89C54单片机最小系统模块、红外学习和发送模块、GPRS模块、智能手机、蓝牙模块、显示模块和电源管理模块组成,如图1所示。本系统利用单片机最小系统和红外模块组成智能外接装置,作为中间媒介来学习和发送红外命令控制空调,结合各无线模块,该装置上电后能够自动连接移动基站的GPRS网络,随后通过移动网关接入互联网云端服务器,在该服务器上挂载自主设计的空调web控制页面,用户可以通过多个平台登录该页面进行空调的控制。此外,通过在智能终端上开发的应用程序(APP),可对用户的空调使用习惯和语音命令进行学习,实现家庭和户外对空调的参数配置及语音控制,使传统空调具有智能控制功能。此外,显示部分采用LCD1602液晶屏模块,用于系统运行状态的实时反馈。电源管理模块包括了系统Li电池充放电电路、5V升压电路、3.3V稳压电路,用于向系统其余模块提供合适电源。

2系统硬件设计

2.1主控电路设计

系统采用STC89C54单片机和红外转发电路为空调控制核心电路,此型号单片机性能稳定,质量可靠,且有足够的片内flash存储学习到的红外编码。主控电路主要负责接收原有空调遥控器信号,进行学习,并将学习到的红外编码存储到单片机片内flash地址中,建立对应的编码协议表。同时接收来自GPRS模块、智能手机、蓝牙模块的控制指令,并对指令进行运算处理判断,将单片机flash地址中对应的红外编码取出和发射,完成空调的本地和远程控制。主控电路中的红外转发电路包括了发射和接收两个部分。红外接收端采用价格便宜,性能可靠的一体化红外接收头VS1838接收红外信号,它同时对30khz到60khz之间的红外载波信号进行放大、检波、整形,得到TTL电平的编码信号,再送给单片机,经单片机解码后送发射电路执行,去控制各品牌空调。主控电路红外遥控过程如图2所示。

2.2GPRS通信模块设计

GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术,提供端到端的、广域的无线IP连接。它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务,属于第二代移动通信中的数据传输技术。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同,是以封包(Packet)式来传输,因此控制空调所负担的费用是以其传输资料单位计算,并非使用其整个频道,而控制空调运行的指令数据量非常小,成本较低。此外,通过分布在各终端上的应用程序,可方便的进行多平台的远程信息管理。本系统中采用自主设计的GPRSA6模组和主控电路进行数据流量和短消息通信,如图3所示。A6是一款支持GSM,GPRS四频段(850/900/1800/1900MHz)的GSM模组,支持GPRS数据业务,最大数据速率为下载85.6Kbps,上传42.8Kbps,支持2个串口,一个下载串口,一个AT命令口,其中的AT命令串口与主控电路中的单片机串口相连接,用于数据的转发,如图4所示。

2.3电源管理模块设计

电源管理模块主要为系统不同模块提供不同的电源,本系统由3.7V的锂电池供电,需要5V和3.3V两种电压。本设计中采用只需要极少外围元器件的RN9521移动电源芯片,RN9521集成了同步5V升压、充电和多重保护功能,且具有92%的充电转换效率和95%的升压转换效率。在适配器模式下,支持边充边放。3.3V电压采用DC-DC降压3端高效线性稳压器AMS1117芯片,AMS1117设计用于提供1A输出电流且工作压差可低至1V。在最大输出电流时,AMS1117的最小压差保证不超过1.3V,并随负载电流的减小而逐渐降低。本系统中将升压获得的5V电压降压至3.3V。

2.4其它电路设计

本系统还有一些辅助电路,显示模块采用LCD1602液晶显示,LCD1602为工业字符型液晶,能够同时显示16x02即32个字符,本设计中用于显示系统的实时运行状态。蓝牙通信电路主要由HC-05蓝牙透传模块构成,HC-05是一款主从一体可以设置的蓝牙芯片,具有传统蓝牙技术的功能,经过测试在室内可达10m以内的通信距离,可以满足室内手机蓝牙控制空调的需求。模块的接口有串口、spi接口、usb接口,本系统开发中选用了串口与主控电路进行通信。

3系统软件设计

3.1软件设计及流程图

本系统着手实现一种多平台的智能空调使用方式,相关的软件设计除为硬件模块编写的驱动程序外,还有上层应用程序,包括了跨平台的云端web应用程序和手机端应用程序,GPRS模块通过定时读取web应用程序端数据库的最新空调指令来向主控电路发送数据,同时,GPRS模块还要接收通过移动运营商发送的空调短信指令。蓝牙模块在与手机端应用程序匹配后,实时接收APP发送的经过解码后的空调语音控制指令,在送给主控电路进行控制。系统的软件流程如图5所示。

3.2web云端应用程序的设计

web应用程序首要的优点就是跨平台,web服务是一个soa(面向服务的编程)的架构,它是不依赖于语言,不依赖于平台,可以实现不同的语言间的相互调用,通过因特网浏览器进行基于http协议的网络应用间的交互。本系统中web页面前端使用HTML和JavaScript语言进行设计,HTML是网页内容的载体,内容即为空调控制的相关按钮信息,并通过JavaScript为web增添一定的动态效果,如图6所示。空调按钮控制指令通过PHP语言与后台MySQL数据库进行交互,并开放给空调控制端GPRS无线数据业务来访问数据库。MySQL是一种开放源代码的关系型数据库管理系统(RDBMS),MySQL数据库系统使用最常用的数据库管理语言—结构化查询语言(SQL)进行数据库管理。最后,将设计的web应用程序部署到新浪云端,方便不同平台的终端通过internet浏览器访问。新浪云SAE是一个免费的web服务器,SAE的web服务器采用分布式部署的方式,开发者将代码部署到SAE前端机后,会通过同步的方式,将代码部署到SAE所有的web服务器。

3.3智能手机端APP的设计

智能空调APP旨在实现与用户的“直接对话”,本系统中使用AndroidStudio设计了安卓端的空调语音控制APP,带有移动APP的智能手机通过蓝牙与主控电路串口上的HC-05蓝牙透传模块进行点对点通信,智能手机APP的主要界面如图7所示。用户通过点击界面中央圆形区域进行语音录入,通过AndroidIntent类调用第三方语音服务,其中Intent类的action方法设置为RecognizerIntent.ACTION_RECOGNIZE_SPEECH,然后调用一个带返回结果的操作,把识别后的语音字符与红外编码协议相匹配,最后由主控电路发射对应的空调红外控制信号。此外,在蓝牙未进行成功配对或者距离超出蓝牙通信范围时,本APP可将识别的红外指令在后台通过发送短消息的方式给主控电路连接的GPRS模块,从而实现空调的远程短信控制。

4结论

本文设计了一种可以实现多平台控制的智能空调系统,设计了硬件系统和软件系统,采用STC89C54单片机和红外转发电路为主控单元,采用GPRS、蓝牙、internet云端等无线通信技术,实现空调的本地语音、远程短信和web云端控制,系统电路和应用层软件性能稳定、可靠性高、运维成本较低。通过实践表明,本设计方案可行,可方便的对现有的普通空调进行智能化升级,且具有较高的实际应用价值。

作者:浦灵敏 姜子祥 单位:苏州健雄职业技术学院电气工程学院

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