智能型節能云溫控器的應用與研究

陳芳

摘要：智能型節能云溫控器是智能家居的一種，其工作是基于云服務端，將采集到的酒店、旅館、公司、家庭的實時房間的溫度、濕度等數據上傳，然后通過固定的軟件、hpp、網頁連接云端，將實時數據反映在電腦、手機端，并可以通過電腦、手機實時遠程操作、監視或關閉中央空調、地熱、加濕器等類型電器。當溫度、濕度達到設定范圍會自動關閉或調整工作模式，減少能耗，達到自動節能的目的。

關鍵詞：智能；云溫控器；節能

中圖分類號：TP2

文獻標識碼A

文章編號2095-6363（2017）04-0082-01

1.智能型節能云溫控器的概念

智能型云溫控器是一種基于電腦終端或手機終端通過實時訪問云服務器端，實現遠程控制中央空調和其他電器的一種智能型產品。

在電腦或者手機端通過打開固定的程序或App或網頁，遠程隨時監控固定房間的實時溫度、濕度、空調、電熱電器（如地暖）的工作狀態，并控制中央或家用空調、加濕器、換氣扇、地熱等電器隨時實現遠程控制房間溫度、濕度。不管你是在旅行、出差途中、下班回家途中、白天還是黑夜，輕輕松松為自己或家人預備好舒適的房間溫度、濕度。對酒店、旅館等房間隨時實現溫度、濕度實時監控或客人暫時離開自動關閉空調等電器，冷暖隨心，節約用電。

智能云溫控器的溫限設置和節能功能，通過控制中央或家用空調，在夏天設置一個固定的最低溫度，冬天設置一個固定的最高溫度，當氣溫達到該溫度后則空調停止運行。在酒店、旅館等房間內，夏天很多人喜歡把空調調到很低的溫度，冬天調至很高的溫度，空調一直處于制冷或制熱狀態，當入睡后非常容易忘記調回來，夏天空調溫度調太低，室內空氣會變干燥，人體對著空調吹也容易著涼，對身體造成不良影響，并且費電，浪費能源，粗測在夏天空調每調高一度可以節約電能10%左右。房間空間越大節約電能越明顯。冬天每調低2度可節約電能10%左右。從健康角度來看，夏天室內室外溫差如果過大，當從房間出來人體體溫調節中樞容易失衡，皮膚散熱功能下降，在陽光下容易中暑；人體舒適溫度為24℃～28℃，所以正常的室溫設置一般調至24℃～28℃為佳。調節合適的室溫，空調用電小了對電網沖擊也小了，用戶電費也降低了。特別說明節能是針對空調等電器的使用中節約電能，溫控器本身也需要用電，耗電功率小于3w。

2.智能型節能云溫控器市場與應用場所

隨著人們生活水平的提高，智能家居發展非常迅速，谷歌的NEST（智能溫控器），亞馬遜語音助手Alexa和智能音箱Echo正在智能家居扮演重要角色，在不久前的美國國際消費電子CES展上，亞馬遜的Alexa更是無處不在，根據《2012-2020年中國智能家居市場發展趨勢及投資機會分析報告》的預測，到2020年我國智能家居市場規模將達到3294億，年均增速保持在50%左右，具備充足的向上延伸空間。

智能型節能云溫控器作為智能家居的一員，面對家庭，酒店，旅館、公司等場所具有廣闊的應用市場。2013年末，中科院大氣物理研究所研究員張仁健課題組與同行合作，對北京地區PM2.5化學組成及來源進行分析。研究顯示，北京PM2.5有6個重要來源，分別是土壤塵、燃煤、生物質燃燒、汽車尾氣與垃圾焚燒、工業污染和二次無機氣溶膠，其中燃煤占比約18%。燃煤污染，對霧霾天氣的形成產生了巨大的影響。為了減少冬季燃煤污染，改善空氣質量，我國北方許多城市開始推廣“煤改電”“煤改氣”。“煤改電”即指居民供暖由煤熱式改為電熱式。隨著“煤改電”的深入，有必要保證供暖的同時又能節約用電（節約用電的意義很多，減輕國家電力負擔，家庭、企業減少電費支出等）智能型節能云溫控器完全能滿足該功能，實現自動溫控又能節能。

在酒店、旅館、公司等場所，中央空調的電費開支是一個比較大的項目，在客人休息睡覺后，往往忘記將室溫調至一個合適的范圍，空調一直強制工作在制冷或制熱狀態，這對身體并無好處，人睡著后人體各種功能會下降，免疫力會降低易，室溫太低或太高，容易誘發腸胃病、感冒、心臟病等疾病，智能型云溫控器能夠通過WiFi連接云服務器實現遠程控制室溫，在客人休息或離開后調節一個適合的室溫（24℃～28℃）或者暫時關閉空調，即達到節能又能保證客人有一個舒適的室溫。

3.智能型節能云溫控器的技術實現

要實現溫控器的遠程操控，那么先要了解下溫控器工作過程。進行遠程控制時Pc機、手機聯網后，打開專用網頁或軟件進行手動或者一鍵快捷設置好各個數據，然后將數據與命令上傳至云端。溫控器通過WiFi自動從云端下載溫度、濕度等數據與控制命令并存儲起來，與實時采集到的房間溫度、濕度數據比較，操控相應電器工作。無遠程控制時，可通過手動設置溫、濕度等數據，將采集到的數據與設置好的數據對比，用來控制空調、地熱、加濕器等電器工作，實現溫、濕度控制。在兩種控制方式中，采集到的實時數據都上傳云端，Pc機或手機可讀取該數據后顯示當前房間溫度、濕度，電器工作狀態。

按照工作過程以穩定可靠性、價格、開發周期為優先，部分功能采用模塊，簡化設計：硬件電路功能與模塊選取：電源：需要提供溫控器工作所需電源，安全可靠、簡單、高效率，功率小于3W。BUCK BOOST隔離型電路結構簡單，安全可靠，成本較低，電路成熟，市場上有很多家公司生產此類電源芯片。可選取帶MOS管的芯片，比如美國PI公司的TOPswitch系列芯片，電路簡單，體積小，重量輕，自動保護功能齊全，集成度高。TOP221加上一些簡單的外圍電路與變壓器就能搭建一個可靠的高效率反激開關電源。通過PI公司的PI EXPERT軟件可自動生成圍繞TOP221的電源方案，交互式電路原理圖，物料清單，電路板布局建議以及詳細的電器參數表，完整的變壓器設計，磁芯尺寸、線圈匝數、線材規格、并饒線數等。

微控制器：嵌入是系統應用的核心，需要有提供足夠多的端口。溫控器功能相對來說比較少，操作比較簡單，價格與技術支持和難易程度角度出發，選用ARM內核優先。STM32F103RCT6（Cotex M3）基于ARM核心的CPU，提供最多達51個的控制接收端口，具有USB2.0，CAN，7個定時器，2個ADC，9個通訊接口，芯片有96位的唯一代碼，價格較低，48K*8的RAM、256K*8FLASH足夠滿足溫控器的應用。

外設：溫、濕度傳感器，采集室內空氣溫度與濕度存入CPU或EEPROM，選用DHT11溫濕度模塊，其濕度測量20%～95%（0～50℃）溫度0～50℃價格低廉、可靠，房間溫度與濕度均在此范圍內。WiFi，連接云服務端，上傳采集到的各種數據并從云端下載實時控制命令或遠程更新，需要簡單可靠低功耗物美價廉，ESP12F為工業級無線透傳模塊性能穩定，技術支持全面滿足溫控器應用。藍牙，與帶藍牙功能的電器，如加濕器、換氣扇等連接，實現實時控制，HC-06是主從一體化藍牙串口模塊，采用CSR主流藍牙芯片支持藍牙V2.0協議標準，體積小巧，功耗低傳輸距離8m左右，價格低廉，在溫控器中采用主機模式可搜索帶藍牙功能的加濕器等電器。紅外感應器，判斷房間是否有人，此功能為可選，預留HC-SR501人體紅外感應模塊接口與RD624電路。紅外遙控接收發射，學習家用空調遙控器或帶紅外控制的其他電器的遙控，如電視機等，此功能可選，安裝有方向與距離要求，預留紅外發射與接收電路。高、中、低三檔自動檔位切換控制電路，連接中央空調、地熱等帶有檔位連接線的電器，需要有足夠的帶負載功率，從可靠性與價格出發優先采用繼電器切換檔位其次用雙向可控硅。LCD或TFT顯示屏，人機對話窗口，顯示房間溫濕度、時間、溫控器狀態等，為減輕CPU開銷，可采用串口、SPI口顯示屏。按鍵，手動調節，切換，和顯示屏聯動，按要求功能4～5個輕觸按健或采用光電發射開關。

外殼尺寸控制在86、120、118系列墻上插座大小以內方便安裝。

軟件功能分類與需求：下位機端（嵌入式系統）按任務劃分大概有：采集溫濕度實時數據，暫存在RAM，比對設置在EEPRO？vl中的數據是否正常；藍牙以主機模式搜索并根據對比結果控制相應的藍牙型電器；WiFi實時在線，斷線重連，保證數據交換通暢；紅外人體感應，受遠程與面板設置執行開啟或關閉；紅外編碼學習，受面板控制進入學習模式或遙控模式，遙控模式可實現遠程控制；中央空調、地熱等電器開啟、檔位切換與關閉，受面板與遠程控制；顯示驅動，顯示溫濕度WiFi時間等相關信息；按鍵判斷；實時時鐘，含時鐘校對。基于時間片、中斷或采用嵌入式操作系統如UCOS來管理。

上位機端（電腦或手機）開發Pc機軟件、手機App，瀏覽器，連接固定云服務器端，實時讀取數據、發送相關指令，實現遠程實時監控。