空调的智能控制系统

白 磊 ，钦仿仿 ，崔羊威 ，彭 辉 ，孟庆涛

（1.华北水利水电大学 电力学院，郑州450011；2.国网河南禹州市供电公司，禹州461670；3.河南省预建工程管理有限公司，郑州450000）

智能家居系统具有安全、方便、高效、快捷、智能化、人性化的独特魅力，对于改善现代人类的生活质量，创造舒适、安全、便利的生活空间有着非常重要的意义，并具有非常广阔的市场前景[1]。作为主要的家用电器之一，空调的智能化控制具有重要的意义。空调虽然已经普及，但空调遥控器采用的是红外编码，它受控制距离和控制方向的限制，局限于房间内，不能远程控制也不能实现自动控制。国内已有文章涉及到空调的远程控制，有的使用Internet或WiFi和ZigBee组成控制网络。Internet成本高且必须要求系统上网，受条件限制比较多。WiFi技术存在成本高、安全性低的问题，也同样要求网络接入，受条件限制。现在的空调定时一般只有30 min、60 min、90 min等几个等级，而国内研究中很少有人涉及空调的定时改进。

本文设计的智能控制系统以无线控制空调为主，结合GPRS、射频、红外技术可以在任何有手机信号覆盖的地方完成空调控制。融合了DS1302芯片，使空调定时可以从1 min到几百个小时任意调节。可以不破坏原有装修，不用对空调进行任何改装，只需在空调旁边等处安装模块即可实现空调的智能控制。系统已作为产品应用在家庭装修行业，2014年10月在驻马店鑫启源装修装饰工程公司投用并取得良好的经济效益。

1 系统总体方案

系统总体框图如图1所示，该系统采用GPRS、射频、红外3种无线传输方式来实现远程、室外以及室内等方式来控制空调。通过DS1302时钟芯片来读取时间，使空调定时可以精确到分秒。远程手机终端可通过GPRS、手机短信发送各种命令使空调完成相应的操作以及读取室内外温度。室外遥控器则采用实时性更高的射频模块来通信，射频信号可以实时多方向穿墙发射且不产生任何费用。系统的控制中心可以实现和手机以及射频遥控器的双向通信。其接收到命令后用射频模块把命令转发给各个房间的接收子系统。由于空调只能接收并识别红外信号，要想在不改变空调的前提下来实现智能控制，接收子系统只能通过红外信号控制空调运作。

图1 系统总体框图Fig.1 Overall system black diagram

系统控制中心采用低功耗单片机MSP430 F149为主控制器，GPRS模块用开发方便的TD-3000模块，射频传输采用低功耗的CC1101模块。射频遥控器与接收子系统采用低功耗单片机MSP 430F1222为主控制器。下面具体分析各个模块的工作原理和过程。

2 系统的硬件实现

系统的硬件实现包括系统控制中心、室外遥控器及接收子系统3个部分。

2.1 系统控制中心的硬件设计

系统控制中心由单片机最小系统、射频收发模块、GPRS收发模块以及LCD显示等外围电路构成，系统结构框图如图2所示。

图2 系统控制中心结构框图Fig.2 System control center structure diagram

单片机最小系统，或称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统[2]。单片机选用MSP430F149，MSP430系列是一个超低功耗类型的单片机[3]，在低功耗方面的优越之处是其它系列的单片机不可比拟的。

GPRS模块选用的是TD-3000模块。TD-3000是一款基于GSMGPRS网络的无线数传终端设备。该模块需要的是4 V/2 A的供电电源，需要用MIC29302把5 V电压稳压到4 V，最高可提供3 A的电流，能够满足TD-3000模块峰值电流2 A的要求[4]。GPRS模块可以直接和单片机的UART串口相连接实现双向通信。单片机与模块之间通信的串口模特率配置为115200 Hz、没有校验位、8位数据位、1个停止位。

射频模块选用的是低功耗的CC1101模块。CC1100是一种单片UHF射频芯片，具有功耗低、灵敏度高、链接性能好、工作稳定、外围元件简单的特点[5]。 CC1101 工作电压为 1.8～3.6 V，因为 MSP430单片机需要3.3 V供电，所以其电压也选择3.3 V供电，可减少电源数量、使通信电压一致。该模块通过SPI传输方式进行命令和数据交换。高效的SPI串行编程接口，可用单片机IO口模拟SPI时序，也可用单片机固化的SPI口直接通信。模块通信方便可靠，空旷条件下稳定的通信距离可达200～300 m。

2.2 室外遥控器的硬件设计

室外遥控器通过射频模块在室外室内控制多个空调，实现空调的组网功能。主要是由单片机最小系统、射频收发模块、LCD显示以及按键键盘等外围电路构成，系统结构框图如图3所示。

图3 室外遥控器结构框图Fig.3 Outdoor remote control structure diagram

因为其外围电路功能简单，因此采用引脚更少、使用更方便的MSP430F1222单片机。电源采用3节5号镍氢充电电池，能提供3.6 V/1.2 A的电源。射频收发模块依然选用CC1101模块，采用433 MHz频段进行通信。键盘采用4×5的扩展键盘，按键包括开关、空调命令按键以及读取空调状态按键、备用按键。备用按键以满足更多品牌的空调使用。在不改动室外遥控器硬件的前提下只需要软件程序就能使其适应各种空调。LCD显示采用OLED液晶显示屏，能够清楚地显示出空调型号以及当前空调工作模式，并能够显示操作说明，指导用户下一步操作，使人机能够方便地进行信息交互。

2.3 接收子系统的硬件设计

接收子系统利用射频模块接收系统控制中心命令，然后通过红外发射头把命令传送给空调，使空调按照手机、遥控器的要求工作。接收子系统由单片机最小系统、射频收发模块以及红外发射电路等外围电路构成，系统结构框图如图4所示。

图4 接收子系统结构框图Fig.4 Receiving subsystem structure diagram

单片机及射频模块的选型和室外遥控器一样。对于红外发射电路，由于单片机IO口驱动能力有限，不能直接驱动红外发射管，而且红外发射的距离在一定条件下和发射功率成正比，所以采用三极管驱动的经典电路，如图5所示。这样可以确保红外发射有足够的功率。因为红外发光二极管本身在制作的时候有个发射角度，这个发射角度的范围也会随着型号的不同而发生变化[6]，这里选用的是发射角为120°的红外发射二极管。为实现对空调的360°全方位控制，本模块采用了3个红外发射电路，这3个红外二极管在安装时互成120°夹角，这样就保证空调可接收到任意角度发来的命令，保证了对空调控制的可靠性。这里38 kHz的载波信号是通过MSP430F1222自身的定时器模块来产生的，减少了设计成本，也使电路设计更为简单。

图5 红外发射电路Fig.5 The infrared emission circuit

3 软件设计

软件设计同样包括几个部分，对于室外遥控器来说，其主要功能是把控制命令通过射频信号发给控制中心并能够读出系统控制中心发送过来的空调模式等参数进行显示。系统控制中心重点是读出收到的手机和室外遥控器的命令并转发给接收子系统，而接收子系统则要准确接收系统控制中心的命令，并能够正确发出对应的红外命令。为了防止家庭与家庭、空调与空调之间的相互干扰以及手机无用短信的干扰，控制中心在接收手机和室外遥控器控制空调时就需要自己做好通信格式，只接收与自己通信命令一样的数据。其通信格式如表1所示。

表1 GPRS、射频通信格式Tab.1 GPRS、RF communication format

其中起始位指令用1个字节来判断手机控制端的指令开始。用户密码是2个字节，这样不容易破译，可以确保系统的安全性，而且可以使不同家庭不存在相互干扰。空调编号指的是针对哪一个空调的指令，占用1个字节，对于手机能识别的ASCII码来说，只算上英文字母及数字，一个系统就能包含36台空调。根据远程操控的实际意义，只把一部分命令加载到空调指令上，采用22个字节，2个字节能组成1个汉字，足够满足对控制的要求。结束位用1个字节来判断手机控制端的指令结束。通信格式可扩展性强，命令增添方便，只需修改程序就能够满足更多空调、更多命令的控制。其中空调指令的22个字节通信格式如表2所示。

表2 空调指令通信协议Tab.2 Air conditioning command communication protocol

例如，如果要控制编号为1的空调，密码设置为BL，温度在25℃，制冷模式，风速为三级，定时2 h。要完成这些功能，需发送的短信内容是“QBL1开制冷三级风25℃ 0120分J”，其中Q代表起始位，BL代表用户密码，1代表空调编号，开代表打开空调，制冷代表选择模式，三级风代表风速，25℃代表温度，0120分代表定时时间，最小1 min，最大可以9999 min，J代表结束位。

室外遥控器的系统首先是单片机及模块初始化，等待按键按下。如果按下的是空调控制命令键，则通过射频向控制中心发射相应的空调指令，而后返回继续等待按键按下。如果按下的键是读取空调状态按键，则通过射频向控制中心发射相应的读取指令，而后等待空调信息返回，读取并液晶显示空调状态，最后返回等待按键。

控制中心系统软件流程如图6所示，首先是单片机与模块初始化，等待接收GPRS以及室外遥控器命令，判断如果是空调控制命令，则通过射频转发给接收子系统，而后返回继续等待接收命令。如果是读取空调状态命令，则给接收子系统发送读取状态命令，等待读取状态并转发给手机以及室外遥控器，最后返回等待接收命令。

接收子系统首先是单片机与模块初始化，等待接收命令。接收到正确命令则判断是空调指令还是读取空调状态指令。如果是空调指令则发射相应的红外代码，如果是读取空调状态的指令则把空调状态发送出去，之后程序继续等待接收命令。

图6 系统控制中心流程图Fig.6 System control center flow chart

4 结语

本文设计的空调智能控制系统把GPRS、射频、红外几种无线传输方式结合在一起，实现了空调的远程控制、组网控制、精确定时以及自动智能控制。空调的智能控制系统也为以后更多的智能化提供了应用基础。在以MSP430F149为控制核心的基础上，扩展语音、网络等多种方法控制空调。并以驻马店鑫启源装修装饰工程公司为市场中心，向其它装修公司以及更多的行业拓展。

[1]高小平.中国智能家居的现状及发展趋势[J].低压电器，2005（4）：18-21.

[2]李彬，王朝阳，卜涛，等.基于MSP430F149的最小系统设计[J].国外电子测量技术，2009，28（12）：81-83.

[3]刘立群，孙志毅，金坤善.基于MSP430单片机的超低功耗数据采集器设计[J].自动化仪表，2005，26（4）：30-32.

[4]李涛，马殷元，杨东.基于STM32的GPRS远程监测终端设计[J].电子世界，2012（6）：132-133.

[5]徐兴，徐胜，王卫星，等.基于CC1100的无线传输系统设计[J].科学技术与工程，2012，12（24）：86-91.

[6]赵瑾，廉小亲，吴叶兰，等.基于MSP430和CC2530的空调远程控制节点的设计[J].测控技术，2013，32（10）：80-83.