基于智能空调的双控家居实时自动联动控制系统

曾小红

摘  要：现代科技的不断进步，市面上越来越多的智能电子产品进入人们的生活，方便舒适的智能家居系统已是未来社会发展的必然趋势。该文结合实际生活环境，用智能空调、蓝牙网关、蓝牙净化器、蓝牙加湿器、智能净化器和智能加湿器等常用家庭设备，以蓝牙网关组网控制和云端交互控制2种控制方式，分别实现智能空调、蓝牙净化器、蓝牙加湿器和智能空调、智能净化器、智能加湿器等2组设备的联动控制。经过实际开发验证，系统通信和控制功能正常，且2种控制方式兼容Wi-Fi智能设备和蓝牙非智能设备，易于扩展和使用。

关键词：智能空调；蓝牙网关；加湿器；净化器；自动联动

中图分类号：TP29      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）17-0047-04

Abstract： With the continuous progress of modern science and technology， more and more intelligent electronic products on the market enter people's lives. Convenient and comfortable smart home system has become the inevitable trend of social development in the future. In this paper， combined with the actual living environment， with common home devices such as intelligent air conditioner， Bluetooth gateway， Bluetooth humidifier， Bluetooth humidifier， intelligent humidifier， Bluetooth gateway networking control and cloud interactive control， respectively， realize the linkage control of intelligent air conditioning， Bluetooth purifier， Bluetooth humidifier and intelligent air conditioning， intelligent purifier， intelligent humidifier and other two groups of devices. Verified by the actual development， the communication and control functions of the system are normal， and the two control methods are compatible with Wi-Fi intelligent devices and Bluetooth non-intelligent devices， and are easy to expand and use.

Keywords： intelligent air conditioning; Bluetooth gateway; humidifier; purifier; automatic linkage

随着社会的不断发展，生活环境更加智能化，人们对健康生活的要求也越来越高，对家居系统的需求也趋向于更加简单化、智能化、舒适化。现实生活中，空调开启之后，如果室外PM2.5过高，可能通过呼吸道进入呼吸系统，引起上呼吸道感染、支气管哮喘、支气管炎等；空调房中，如果湿度太低，干燥的室内环境会导致人体皮肤的水分被空气吸取，从而形成皮肤紧绷、脱皮、破裂，甚至引发干性湿疹，再严重的话皮肤长时间在干燥环境，会造成皮肤敏感，抗细菌、感染能力下降，引发一系列皮肤问题。因此本文基于现代健康生活对智能家居的需求[1]，分别采用蓝牙网关组网控制和云端交互控制2种方式，对智能空调、净化器、加湿器进行联动控制，即根据智能空调数据采集装置获取实际环境的监测数据[2]，并根据数据信息，实时自动联动开启和关闭加湿器、净化器。本文中的2种控制方案，既兼容了带Wi-Fi的智能家居设备，又兼容了带蓝牙的非智能家居设备，既能实时呵护身体健康，又能节约能源，以及提高环境舒适性。

1  整体设计方案

1.1  蓝牙网关组网控制系统方案

随着物联网的快速发展，人们对于无线连接技术的需求也日益增加。蓝牙技术作为一种短距离的无线通信标准，被广泛应用于各种设备之间的数据传输。但是，在一些大规模应用场景中，单一蓝牙连接的能力已经无法满足需求，这时蓝牙组网方案就成为了一种解决办法。在智能家居系统中，蓝牙网关作为连接BLE（低功耗蓝牙）和Wi-Fi的关键设备，扮演着非常重要的角色。蓝牙网关通过串口实现BLE蓝牙与Wi-Fi之间的通信，为智能家居设备之间的互联互通提供了便利，本文将探讨蓝牙网关在智能家居中的应用。蓝牙组网是指通过多个蓝牙设备之间的互联建立一个无线网络，实现数据的传输和控制。相比单一蓝牙连接，蓝牙组网可以扩展连接范围，并提供更灵活的网络拓扑结构。

本文通过蓝牙网关组网把智能空调、蓝牙加湿器、蓝牙净化器组网到同一个网络，通过蓝牙网关发送相关命令，实现多种设备之间的联动控制。如图1所示，该方案主要由智能空调、云端平台、蓝牙网关、蓝牙加湿器、蓝牙净化器等组成，通过蓝牙网关将智能空调、蓝牙加湿器、蓝牙净化器进行组网，并通过蓝牙网关发送相关命令，实现智能空调、蓝牙加湿器、蓝牙净化器的自动联动控制[3]。即通过智能空调上安装的数据采集系统进行数据采集，并将采集到的实时数据由智能空调的Wi-Fi模块将数据发送给云端平台，云端平台对采集到的数据诸如空气中PM2.5、空气湿度等进行分析确定联动指令，当PM2.5高于标准值、空气湿度低于标准值时，通过云端平台向蓝牙网关发送自动联动开启净化器和加湿器指令，并在检测到PM2.5、空气湿度处于标准值区间时，通过蓝牙网关自动发送关闭净化器和加湿器指令，从而实现智能空调、蓝牙加湿器、蓝牙净化器的自动联动。

1.2  云平台交互控制系统方案

在智能家居系统中，智能Wi-Fi网络系统是一个至关重要的组成部分。智能Wi-Fi网络系统是基于无线网络技术的一种网络系统，其基本原理是通过Wi-Fi技术将各个智能家居设备连接到一个统一的网络中共享数据和资源，从而实现设备之间的协同工作。设备联动是指不同的智能设备间可以相互搭配，通过通信交互，实现共同完成用户需求的过程。这一技术可以使用户的生活变得更为智能化、便捷化、舒适化。

如图2所示，该方案主要由智能空调、云端平台、智能加湿器、智能净化器等组成，通过云端平台实现数据的交互从而实现智能空调、智能加湿器、智能净化器的自动联动控制。即通过智能空调上安装的数据采集系统进行数据采集，由智能空调将数据发送给云端平台，并对采集到的数据诸如空气中PM2.5、空气湿度等进行分析确定联动指令，当PM2.5高于标准值、空气湿度低于标准值时，通过云端平台向智能净化器和智能加湿器的Wi-Fi模块发送自动联动开启净化器和加湿器指令[4]；并在检测到PM2.5、空气湿度处于标准值区间时，通过云端平台向智能净化器和智能加湿器的Wi-Fi模块自动发送关闭净化器和加湿器指令，智能净化器和智能加湿器的电控模块响应相应的Wi-Fi指令从而实现智能空调、智能加湿器、智能净化器的自动联动。

2  实现方式

2.1  蓝牙网关组网控制系统原理

蓝牙网关组网控制系统主要包括智能空调本体及数据采集模块、云端平台、蓝牙网关、蓝牙加湿器、蓝牙净化器等部分组成，通过蓝牙网关将智能空调、蓝牙加湿器、蓝牙净化器进行组网，智能空调将采集到的数据通过云端平台实现数据的交换，并通过蓝牙网关组网后下发相关指令，从而自动实现加湿器和净化器的联动。

如图3所示，在空调本体上附加的数据采集模块，通过空气传感器内部内置红外发光二极管和高分子湿敏电容，分别用于实时采集PM2.5和空气湿度。红外发光二极管作为红外传感器在与光源对角的另一侧设有光线探测器（如光电晶体管），红外发光二极管能够探测到被颗粒物反射的光线，并根据反射光强度输出PWM信号（脉宽调制信号），从而判断颗粒物的浓度。对于不同粒径的颗粒物（如PM10和PM2.5），红外发光二极管能够输出多个不同的信号加以区分。高分子湿敏电容是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的感湿膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，高分子湿敏电容的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可实现湿度测量。

PM2.5正常值是24 h平均浓度小于75 μg/m3。PM2.5一般指细颗粒物，又称细粒、细颗粒。细颗粒物指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5 μm的颗粒物。它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小、面积大、活性强，易附带有害物质（例如，重金属、微生物等），且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对身体影响更大。

湿度是指空气中水蒸气的含量，一般以百分比表示，可以衡量空气中的水分含量。当人体处在高湿度环境中时，如湿度大于60%时，人体的汗液蒸发速度减慢，可能会导致体表散热不畅，从而使患者出现体温升高、心跳加快、头晕恶心等症状。而当空气湿度过低时，小于40%的时候，可能会导致皮肤水分蒸发过快，使皮肤变得干燥、干裂等，同时干燥的环境可能会导致呼吸道内的黏液减少，引起口渴、咽喉疼痛等症状。

结合人体适宜的最佳温度和湿度，制定标准阈值表，数据采集系统获取到的PM2.5、空气湿度值，分别与标准值表进行对比，从而确定相应的自动联动指令，见表1。

具体实现方式，即带有空气质量监测传感器的智能空调开启后，通过数据采集模块对空气进行实时采集，并将实时检测到的PM2.5、空气湿度值由空调的Wi-Fi模块通过MQTT协议[5]将数据传送给云端平台，并将云端平台解析数据与表1中标准值进行比较，当PM2.5高于标准值、空气湿度低于标准值时，云端平台通过串口通信协议向蓝牙网关发送自动联动开启净化器和加湿器指令，蓝牙网关通过串口通信协议分别向蓝牙净化器和蓝牙加湿器发送相关指令，蓝牙净化器和蓝牙加湿器电控模板响应指令并开启净化器和加湿器；在检测到PM2.5、空气湿度处于标准值区间时，云端平台通过串口通信协议向蓝牙网关发送自动联动关闭净化器和加湿器指令，蓝牙网关通过串口通信协议分别向蓝牙净化器和蓝牙加湿器发送相关指令，蓝牙净化器和蓝牙加湿器电控模板响应指令并关闭净化器和加湿器。

2.2  云平台交互控制系统原理

云平台交互控制系统主要包括智能空调本体及数据采集模块、云端平台、智能加湿器、智能净化器等部分，通过智能空调Wi-Fi模块将采集到的数据通过云端平台实现数据的交换，从而自动实现智能加湿器和智能净化器的联动。数据交互过程如图4所示，空调电控附加的数据采集模块上的空气质量传感器实时采集数据，将采集到的PM2.5、空气湿度等数据，通过空调设备上的Wi-Fi模块进行数据传输；空调上的Wi-Fi模块通过MQTT协议将数据上传到智能家居的云端平台，云端平台收到来自空调Wi-Fi模块的实时空气采集数据，并对数据进行解析，获取到相应的PM2.5、空气湿度等的实际值，并将实际值与表1中的标准值进行比较，当PM2.5大于75 μg/m3、湿度小于40%时，云端平台通过MQTT协议分别向智能净化器、智能加湿器的Wi-Fi模块发送开启净化器、开启加湿器的控制指令，净化器和加湿器的Wi-Fi模块再通过串口通信协议分别向净化器和加湿器的电控模块发送开启净化器和加湿器指令，净化器和加湿器电控模块响应指令，并打开净化器和加湿器；当PM2.5小于75 μg/m3、湿度高于60%时，云端平台通过MQTT协议分别向智能净化器和加湿器的Wi-Fi模块发送关闭净化器和加湿器的控制指令，净化器和加湿器的Wi-Fi模块再通过串口通信协议分别向净化器和加湿器的电控模块发送关闭净化器和加湿器指令，净化器和加湿器电控模块响应指令，并分别关闭净化器和加湿器。

具体实现方式，即带有空气质量监测传感器的智能空调开启后，通过数据采集模块对空气进行实时采集，并将实时检测到的PM2.5、空气湿度值由空调的Wi-Fi模块通过MQTT协议[6]，将数据传送给云端平台，云端平台解析数据并与表1中标准值进行比较，当PM2.5高于标准值、空气湿度低于标准值时，云端平台通过MQTT协议直接向智能净化器、智能加湿器的Wi-Fi模块发送自动开启净化器和加湿器的控制指令，智能净化器和智能加湿器的响应指令并开启净化器和加湿器；并在检测到PM2.5、空气湿度处于标准值区间时，云端平台通过MQTT协议直接向智能净化器、智能加湿器的Wi-Fi模块发送自动关闭净化器和加湿器的控制指令，智能净化器和智能加湿器响应指令并关闭净化器和加湿器；从而实现智能净化器和智能加湿器的自动联动[7]。

3  结束语

本文研究了智能空调双控家居自动联动控制系统，通过蓝牙网关组网和云端交互2种方式，分别实现了智能空调与蓝牙非智能净化器和加湿器、智能净化器和智能加湿器的联动控制。系统通过数据采集模块装置，采集空气中PM2.5、空气湿度等数据信息，并将采集到PM2.5、空气湿度值与标准值进行比较，确定相应的联动指令，并通过蓝牙网关组网后下发指令实现非智能净化器和加湿器的联动控制；通过MQTT协议直接下发指令到对应的Wi-Fi模块，实现智能净化器和加湿器的联动控制，自动开启和关闭净化器与加湿器。既能实时呵护身体健康，又能节约能源，以及提高环境舒适性。

参考文献：

[1] 孙宇舸，叶柠，匡涌.基于物联网的智能家居控制系统设计与实现[J].科技创新与应用，2022，12（34）：110-113.

[2] 孟萌.基于Arduino的物联网数据采集器设计与实现[D].北京：北京工业大学，2016.

[3] 刘德福，王东来.基于物联网的智能家居控制系统设计与实现[J].电脑迷，2018（6）：251-252.

[4] 章珏瑞.智能家电控制系统的设计及其实现[J].电子技术与软件工程，2015（7）：63.

[5] 汪刚，张福斌，陈宇航，等.一种远程智能家电控制系统设计与实现[J].机械与电子，2010（11）：51-53.

[6] 张科军.基于家用电器智能化发展现状的思考[J].工业与信息化，2020（4）：107-109.

[7] 张雪华，项雪琰.基于MQTT通信协议的智慧家居系统研究与设计[J].电子制作，2020（Z1）：37-38，5.